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
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm720 rpmn2​ = ?

Uma polia de 120 mm a 720 rpm aciona uma polia de 300 mm por uma correia com 4 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 720 rpmd1 = 120 mmd2 = 300 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 60C = 20D = 30

Um motor de 15 kW a 960 rpm aciona a engrenagem A (15 dentes), que engrena com a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (20 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (30 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 15 kWnin = 960 rpmA = 15B = 60C = 20D = 30ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 20 mmL = 1 mφ = ?

Um eixo maciço de aço está engastado na parede e é torcido por um torque T na extremidade livre. Encontre o ângulo de torção φ da extremidade livre, em graus.

T = 500 N·md = 20 mmL = 1 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?75 kW, 1000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 75 kW a 1000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,8 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 75 kWN = 1000 rpmdi/do = 0,8τallow = 80 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 80σy​ = 20τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 80 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −40 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 80 MPaσy = 20 MPaτxy = −40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
25°D = 600 mm, t = 10 mm, p = 1 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 600 mm e espessura de parede de 10 mm contém gás a uma pressão manométrica de 1 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 25° do eixo do cilindro. Encontre a tensão normal σn que atua através da costura de solda.

D = 600 mmt = 10 mmp = 1 MPaα = 25°
σn = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12400 mm400 mmØ40Ø60δ = 0,25 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 40 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de alumínio (diâmetro 60 mm, comprimento 400 mm, E = 70 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,25 mm no total.

trecho 1: aço, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: alumínio, Ø60 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0,25 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
60 kN12400 mm500 mmØ20Ø50σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) e um trecho de bronze (diâmetro 50 mm, comprimento 500 mm, E = 110 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 60 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø50 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 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 = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 80 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e articulado no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 5 kN/mc = 60 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 5 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 60 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 5 kN/mc = 60 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 20m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 12 kN/m e a inferior k₂ = 20 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 50 kgk1 = 12 kN/mk2 = 20 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 276,5 rpm

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.

Velocidade sem escorregamento

720·120/300 = 288 rpm

Com escorregamento

n2 = 288·0,96 = 276,5 rpm

Resposta

n2 = 276,5 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 842,3 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.

Velocidade de saída

nout = 960·(15/60)·(20/30) = 160 rpm
ωout = 2π·160/60 = 16,76 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 15000·0,97² = 14114 W
Tout = Pout/ωout = 14114/16,76 = 842,3 N·m

Resposta

Tout = 842,3 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 22,8 °

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.

Momento polar de inércia

J = π·20⁴/32 = 15708 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 500·1000·1000/(80000·15708) = 0,3979 rad
φ = 0,3979·180/π = 22,8°

Resposta

φ = 22,8°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 42,58 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 = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 716,2 N·m = 716197 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·716197/(π·80·0,5904)) = 42,58 mm
di = 0,8·42,58 = 34,07 mm

Resposta

do = 42,58 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 35,72 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −26,57 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr, o ponto x fica a um ângulo 2θp do eixo σ; o quadrante decorre dos sinais de σₓ − σᵧ e τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−40, 80 − 20) = −53,13°

Ângulo no elemento

θp = −26,57°

Resposta

θp = −26,57°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σn = 27,32 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. Cilindro de parede fina: tensão circunferencial σh = pr/t e tensão axial σa = pr/(2t); essas são as tensões principais na parede.

Tensões na parede

r = 600/2 = 300 mm
σh = pr/t = 1·300/10 = 30 MPa
σa = pr/(2t) = 15 MPa

Transforme para a costura

Tome x ao longo do eixo (σa) e y na direção circunferencial (σh). A normal da costura forma 90° − α com o eixo.

σn = 15·sin²25° + 30·cos²25° = 27,32 MPa

Resposta

σn = 27,32 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 69,2 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) = 400/(200000·1257) = 1,592 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(70000·2827) = 2,021 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,25/3,613 × 10⁻⁶ = 69203 N = 69,2 kN

Resposta

P = 69,2 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 22,41 MPa

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.

Rigidezes

k₁ = 200000·314,2/400 = 157080 N/mm
k₂ = 110000·1963/500 = 431969 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 60000·431969/589049 = 44000 N

Tensão

σ2 = 44000/1963 = 22,41 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 22,41 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 17,58 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 = 0,5·2500 = 1250 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/1250² = 17581 N = 17,58 kN

Resposta

Pcr = 17,58 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 100,7 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/20 = 140

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/140² = 100,7 MPa

Resposta

σcr = 100,7 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,09487

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.

Amortecimento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(5000·20) = 632,5 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 60/632,5 = 0,09487

Resposta

ζ = 0,09487

ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 7,5 kN/m

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

Molas em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/12 + 1/20 → keq = 12·20/(12 + 20) = 7,5 kN/m

Resposta

keq = 7,5 kN/m

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