Projeto de Máquinas: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Engrenagens e trens de engrenagens

Engrenagens acopladas
n1·N1 = n2·N2
Torque
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potência
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Trem composto
relação total = produto das relações de cada estágio

Torção de eixos

Tensão de cisalhamento
τ = T·r/J
Eixo maciço
J = πd⁴/32
Eixo vazado
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Ângulo de torção
φ = TL/(GJ)
Potência
P = T·ω = 2πnT/60

Método

  1. Encontre o momento polar de inércia: J = πd⁴/32 para um eixo maciço.
  2. Tensão de cisalhamento na superfície: τ = T·r/J, com r o raio externo.
  3. Ângulo de torção: φ = TL/(GJ) em radianos.
  4. Se a potência for dada, encontre primeiro o torque com P = T·ω, ω = 2πn/60.

Círculo de Mohr e transformação de tensões

Centro
C = (σx + σy)/2
Raio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensões principais
σ1,2 = C ± R
Direção principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Método

  1. Calcule o centro do círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcule o raio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. As tensões principais são C ± R e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.
  4. Os ângulos no círculo são o dobro dos ângulos no elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Tensão e deformação axial

Tensão normal
σ = F/A
Deformação
ε = ΔL/L
Lei de Hooke
σ = E·ε
Alongamento
ΔL = FL/(EA)
Deformação térmica
εT = α·ΔT

Flambagem de pilares

Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Fator de comprimento efetivo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 engastado–engastado, 0,7 engastado–articulado, 2 engastado–livre
Tensão crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibrações mecânicas

Frequência natural
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
A partir da deflexão estática
ωn = √(g/δst)
Amortecimento crítico
cc = 2√(km) = 2mωn
Fator de amortecimento
ζ = c/cc
Frequência amortecida
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Decremento logarítmico
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Molas em paralelo
k = k1 + k2
Molas em série
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Exercícios

1.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 30N2​ = 45

Um motor de 2,2 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 30 dentes, que engrena com uma engrenagem de 45 dentes. Desconsidere as perdas. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 2,2 kWn1 = 2900 rpmN1 = 30N2 = 45η = 100%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm2880 rpmC = 800 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 160 mm a 2880 rpm a uma polia de 300 mm; os centros estão a 800 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,25 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 2880 rpmd2 = 300 mmC = 800 mmμ = 0,25T1 = 1000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 60 mmd2​ = 25 mmT = 100 N·mABC0,5 m3 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 60 mm e comprimento 0,5 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 3 m. Um torque de 100 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 100 N·md1 = 60 mm, L1 = 0,5 md2 = 25 mm, L2 = 3 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
d = ?10 kW, 1000 rpm

Um eixo maciço de alumínio transmite 10 kW a 1000 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 80 MPa e a torção não pode passar de 0,75° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 10 kWN = 1000 rpmτallow = 80 MPaθallow = 0,75°/mG = 26 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −80σy​ = 20τxy​ = −60MPa

Um ponto tem σₓ = −80 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (tração positiva). O elemento é girado 20° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = −80 MPaσy = 20 MPaτxy = −60 MPaθ = 20°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −70σy​ = 120τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −70 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento τθ em um plano cuja normal está girada 45° no sentido horário a partir do eixo x (positiva no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = 120 MPaτxy = 40 MPaθ = -45°
τθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12300 mm300 mmØ40Ø60δ = 0,2 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de bronze (diâmetro 60 mm, comprimento 300 mm, E = 110 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,2 mm no total.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø60 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmLatão1 mØ 16 mmAlumínio0,5 mP = 80 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre a maior tensão normal σmax na barra.

P = 80 kNtrecho 1: Ø25 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 0,5 m, alumínio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 md = 30 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 50 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm4 ciclos3,7 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 3,7 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx4 = 3,7 mmn = 4
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 12k3​ = 100m = 25 kg

Uma massa de 25 kg está pendurada na mola k₃ = 100 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 12 kN/m e k₂ = 12 kN/m; a barra permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas e da barra. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 7,244 N·m

Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.

Torque do motor

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/303,7 = 7,244 N·m

Resposta

T1 = 7,244 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 12,63 kW

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Ângulo de abraçamento

θ = 2,966 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,7416 = 2,099, T₂ = 1000/2,099 = 476,4 N

Potência

P = (1000 − 476,4)·24,13 = 12,63 kW

Resposta

P = 12,63 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 11,55 °

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Momentos polares

J1 = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 100000·500/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,001008 rad
φBC = 100000·3000/(39000·38350) = 0,2006 rad

Torção total

φC = 0,001008 + 0,2006 = 0,2016 rad = 11,55°

Resposta

φC = 11,55°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 41,12 mm

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 10000/104,7 = 95,49 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 95,49 N·m = 95493 N·mm
dτ = ∛(16·95493/(π·80)) = 18,25 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
dφ = (32·95493/(π·26000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 41,12 mm

Diâmetro determinante

Os dois limites devem ser atendidos, então o maior diâmetro governa.

d = max(18,25, 41,12) = 41,12 mm

Resposta

d = 41,12 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 46,87 MPa

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.

Equação de transformação para a face y′

σy′ = −30 − (−50)·0,766 − (−60)·0,6428 = 46,87 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = −106,9 MPa, σx′ + σy′ = −60 = σx + σy

Resposta

σy′ = 46,87 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τθ = −95 MPa

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.

Equação de transformação

τθ = −−95·−1 + 40·0 = −95 MPa

Resposta

τθ = −95 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 92,67 kN

Dois materiais: em série (um após o outro), cada trecho suporta a mesma força e os alongamentos se somam: δ = P·Σ L/(E·A). Em paralelo (lado a lado entre placas rígidas), as duas partes encurtam o mesmo tanto, de modo que suas deformações são iguais: a parte mais rígida assume a maior fatia, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Uma barra presa entre duas paredes rígidas com uma carga na junção é estaticamente indeterminada: os dois trechos dividem a carga na proporção da sua rigidez k = EA/L.

Áreas

A₁ = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·1257) = 1,194 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·2827) = 9,646 × 10⁻⁷ mm/N

Carga

P = 0,2/2,158 × 10⁻⁶ = 92668 N = 92,67 kN

Resposta

P = 92,67 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 397,9 MPa

Barras com carga axial: cada trecho prismático obedece a δ = PL/(AE). Para barras em série, os alongamentos se somam.

A mesma força nos dois trechos

A extremidade livre suporta P, então toda seção da barra suporta a mesma força axial P. Só as áreas e os materiais mudam.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 163 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Maior tensão

O trecho mais fino tem a menor área, então suporta a maior tensão.

σmax = 397,9 MPa

Resposta

σmax = 397,9 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 48,83 kN

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Menor momento de inércia

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·1500 = 750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/750² = 48835 N = 48,83 kN

Resposta

Pcr = 48,83 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 77,11 MPa

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Menor momento de inércia

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/12,5 = 160

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/160² = 77,11 MPa

Resposta

σcr = 77,11 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,03953

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Decremento logarítmico

δ = (1/4)·ln(10/3,7) = 0,2486

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2486/√(39,48 + 0,06178) = 0,03953

Resposta

ζ = 0,03953
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,428 Hz

Vibração livre de um sistema massa–mola: a frequência natural não amortecida é ωn = √(k/m) em rad/s, e fn = ωn/(2π) em Hz. Um amortecedor viscoso c dá o fator de amortecimento ζ = c/cc, com amortecimento crítico cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Um sistema subamortecido (ζ < 1) oscila em ωd = ωn·√(1 − ζ²). Molas em paralelo se somam, k = k₁ + k₂; molas em série se somam pelos inversos, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Rigidez equivalente

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 12 + 12 = 24 kN/m
keq = 24·100/(24 + 100) = 19,35 kN/m

Frequência natural

ωn = √(19355/25) = 27,82 rad/s
fn = 27,82/(2π) = 4,428 Hz

Resposta

fn = 4,428 Hz

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