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​ = 24N2​ = 40

Um motor de 1,1 kW girando a 1450 rpm aciona um pinhão com 24 dentes, que engrena com uma engrenagem de 40 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 1,1 kWn1 = 1450 rpmN1 = 24N2 = 40η = 96%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 50C = 15D = 32

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes), no eixo de entrada girando a 1440 rpm, aciona a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (15 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (32 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1440 rpmA = 12B = 50C = 15D = 32
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 75 mmd2​ = 50 mmT = 1000 N·mABC3 m3 m

Um eixo maciço escalonado de alumínio está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 75 mm e comprimento 3 m; o trecho BC tem diâmetro 50 mm e comprimento 3 m. Um torque de 1000 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 1000 N·md1 = 75 mm, L1 = 3 md2 = 50 mm, L2 = 3 mG = 26 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 40 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 250 N·mABC1 m2,5 m

Um eixo maciço de alumínio com diâmetro 40 mm está fixo em A. Um torque de 400 N·m atua em B, a 1 m de A, e um torque de 250 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 2,5 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 40 mmTB = 400 N·mTC = 250 N·mAB = 1 mBC = 2,5 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 50σy​ = 20τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 50 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 50 MPaσy = 20 MPaτxy = −30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 40 mm suporta uma força axial de compressão de 20 kN junto com um torque de 400 N·m. Na superfície do eixo, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 40 mmF = −20 kNT = 400 N·m
τmax = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmLatão1 mP = 120 kN

Encontre o alongamento δ da barra de latão sob a carga axial.

P = 120 kNd = 20 mmL = 1 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 40 mmAço1 mØ 12 mmAço1 mP = 35 kN

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

P = 35 kNtrecho 1: Ø40 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 md = 40 mmseção transversal

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

L = 2 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2 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 = 2 mE = 200 GPa (aço)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
tx50 mm4 ciclos6,7 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 50 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 6,7 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 50 mmx4 = 6,7 mmn = 4
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 50m = 10 kg

Uma massa de 10 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 = 50 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 11,59 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/151,8 = 7,244 N·m

Torque de saída

T2 = 7,244·40/24·0,96 = 11,59 N·m

Resposta

T2 = 11,59 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 162 rpm

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.

Primeiro estágio

nB = 1440·12/50 = 345,6 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 345,6·15/32 = 162 rpm

Resposta

nout = 162 rpm

relação total = 8,889 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φC = 12,9 °

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·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 1 × 10⁶·3000/(26000·3,106 × 10⁶) = 0,03715 rad
φBC = 1 × 10⁶·3000/(26000·613592) = 0,188 rad

Torção total

φC = 0,03715 + 0,188 = 0,2252 rad = 12,9°

Resposta

φC = 12,9°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 51,73 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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 250 N·m
TAB = TC + TB = 250 + 400 = 650 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O trecho com o maior torque interno tem a maior tensão (mesmo diâmetro).

|T|max = 650 N·m
τmax = 16·650000/(π·40³) = 51,73 MPa

Resposta

τmax = 51,73 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −31,72 °

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·−30, 50 − 20) = −63,43°

Ângulo no elemento

θp = −31,72°

Resposta

θp = −31,72°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 32,81 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.

Tensões na superfície

σ = F/A = −20000/(π·40²/4) = −20000/1257 = −15,92 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −7,958 MPa
R = √((−7,958)² + 31,83²) = 32,81 MPa

Resposta

τmax = 32,81 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 3,82 mm

Lei de Hooke: no regime elástico σ = E·ε. Combinando com σ = P/A e ε = δ/L, obtém-se δ = PL/(AE).

Tensão

A = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 120·1000/314,2 = 382 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 382/100000 = 0,00382 = 3820 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,00382·1000 mm = 3,82 mm

Resposta

δ = 3,82 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 309,5 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 27,85 MPa
σ2 = 309,5 MPa

Maior tensão

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

σmax = 309,5 MPa

Resposta

σmax = 309,5 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 248,1 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1000² = 248050 N = 248,1 kN

Resposta

Pcr = 248,1 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 = 1·2000 = 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 = 0,07972

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(50/6,7) = 0,5025

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5025/√(39,48 + 0,2525) = 0,07972

Resposta

ζ = 0,07972
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 4,951 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

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 + 1/50 → keq = 12·50/(12 + 50) = 9,677 kN/m

Frequência natural

ωn = √(9677/10) = 31,11 rad/s
fn = 31,11/(2π) = 4,951 Hz

Resposta

fn = 4,951 Hz

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