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​ = 100 mmd2​ = 315 mm2880 rpmT1​ = 500 NT2​ = 100 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 100 mm a 2880 rpm. A tração é de 500 N no lado tracionado e de 100 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 100 mmn1 = 2880 rpmT1 = 500 NT2 = 100 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Ns​ = 20coroa fixaNp​ = 30nc​ = ?

Em um trem de engrenagens planetário a engrenagem solar tem 20 dentes e cada satélite tem 30 dentes. A coroa é mantida fixa e a solar é acionada a 1500 rpm. Encontre a rotação nc do porta-satélites.

Ns = 20Np = 30ns = 1500 rpm
nc = rpm
3.Torção de eixosMédia
d = ?T = 400 N·mL = 2,5 m

Um eixo maciço de latão com 2,5 m de comprimento suporta um torque de 400 N·m. O ângulo de torção entre suas extremidades não pode passar de 2°. Encontre o menor diâmetro d que atende a esse limite.

T = 400 N·mL = 2,5 mG = 39 GPaφallow = 2°
d = mm
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 75 mm, di​ = 45 mm

Um eixo vazado transmite 100 kW a 1000 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 100 kWN = 1000 rpmdo = 75 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = 50MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 140 MPa e σᵧ = 50 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 180 MPa?

σx = 140 MPaσy = 50 MPaσ1 = 180 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −60σy​ = −60τxy​ = −10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −60 MPa, σᵧ = −60 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 45° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −60 MPaσy = −60 MPaτxy = −10 MPaθ = 45°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12500 mm400 mmØ30Ø40δ = 0,3 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de alumínio (diâmetro 40 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 0,3 mm no total.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: alumínio, Ø40 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø3070 GPaØ80/50300 mm

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 160 MPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 70 GPa, tensão admissível 80 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPatubo: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 md = 50 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 2 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 5 md = 50 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 8 kN/mζ = 0,35m = 50 kg

Uma massa de 50 kg sobre uma mola com rigidez de 8 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,35. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 50 kgk = 8 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 5k2​ = 30m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 5 kN/m e a inferior k₂ = 30 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 20 kgk1 = 5 kN/mk2 = 30 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,032 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.

Velocidade da correia

v = 15,08 m/s

Potência

P = (500 − 100)·15,08 = 6032 W = 6,032 kW

Resposta

P = 6,032 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nc = 300 rpm

Trens de engrenagens planetários: as rotações da solar, da coroa e do porta-satélites estão ligadas pela equação de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto do porta-satélites, o conjunto é um trem comum com os satélites como engrenagens intermediárias. Manter um membro fixo transforma o conjunto em um redutor de relação única.

Dentes da coroa

Nr = Ns + 2·Np = 20 + 2·30 = 80

Equação de Willis com a coroa fixa

Faça nr = 0 e resolva para a rotação do porta-satélites.

(1500 − nc)/(0 − nc) = −80/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1500·20/100 = 300 rpm

Resposta

nc = 300 rpm

O porta-satélites gira no mesmo sentido que a solar.

3.Torção de eixos

Resposta: d = 52,3 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.

Momento polar necessário

T = 400 N·m = 400000 N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 2·π/180 = 0,03491 rad
J = TL/(Gφ) = 400000·2500/(39000·0,03491) = 734561 mm⁴

Diâmetro

d = (32J/π)1/4 = 52,3 mm

Resposta

d = 52,3 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 13,24 MPa

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 = 100000/104,7 = 954,9 N·m

Momento polar de inércia

J = π(75⁴ − 45⁴)/32 = 2,704 × 10⁶ mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 954930·37,5/2,704 × 10⁶ = 13,24 MPa

Resposta

τmax = 13,24 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 72,11 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.

Raio necessário

C = (140 + 50)/2 = 95 MPa
R = σ1 − C = 180 − 95 = 85 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(85² − 45²) = 72,11 MPa

Resposta

τxy = 72,11 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −70 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

σθ = −60 + 0·0 + −10·1 = −70 MPa

Resposta

σθ = −70 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 37,11 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 = 706,9 mm², A₂ = 1257 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·706,9) = 3,537 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(70000·1257) = 4,547 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,3/8,084 × 10⁻⁶ = 37110 N = 37,11 kN

Resposta

P = 37,11 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 284,6 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

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·3063 = 3,558 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0008, 0,001143) = 0,0008 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,0008·3,558 × 10⁸ = 284628 N = 284,6 kN

Resposta

Pmax = 284,6 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 309 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1400² = 308975 N = 309 kN

Resposta

Pcr = 309 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 12,34 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 = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/12,5 = 400

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Resposta

σcr = 12,34 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 1,886 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.

Frequência natural não amortecida

ωn = √(8000/50) = 12,65 rad/s
fn = 12,65/(2π) = 2,013 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,013·√(1 − 0,35²) = 1,886 Hz

Resposta

fd = 1,886 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 4,286 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 = 1/5 + 1/30 → keq = 5·30/(5 + 30) = 4,286 kN/m

Resposta

keq = 4,286 kN/m

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