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​N2​ = ?

Dois eixos paralelos estão a 200 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 4 mm e redução de 4 : 1. Quantos dentes N2 a engrenagem deve ter?

a = 200 mmm = 4 mmi = 4
N2 =
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 36B = 45C = 36D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (36 dentes) no eixo de entrada gira a 3000 rpm e aciona a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (36 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 1080 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 3000 rpmA = 36B = 45C = 36nout = 1080 rpm
ND =
3.Torção de eixosMédia
d = 15 mmT = 40 N·m400 mmφ = 2,31°

Em um ensaio de torção, um corpo de prova maciço de diâmetro 15 mm é torcido por um torque de 40 N·m. As duas extremidades de um comprimento de referência de 400 mm giram 2,31° uma em relação à outra (o material ainda está no regime elástico). Encontre o módulo de elasticidade transversal G do material.

T = 40 N·md = 15 mmL = 400 mmφ = 2,31°
G = GPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 20 kW a 500 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 20 kWN = 500 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 60σy​ = 10τxy​ = −60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = 10 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 60 MPaσy = 10 MPaτxy = −60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 160σy​ = 50τxy​ = −30MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 160 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = −30 MPa (σz = 0). O material tem tensão de escoamento de 355 MPa. Encontre o fator de segurança n contra o escoamento pelo critério de Tresca (tensão de cisalhamento máxima).

σx = 160 MPaσy = 50 MPaτxy = −30 MPaσY = 355 MPa
n =
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmAlumínio2,5 mP = 30 kN

Encontre a deformação axial ε na barra de alumínio, em microdeformação (µε = 10⁻⁶).

P = 30 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø25110 GPaØ100/70400 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 120 MPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 110 GPa, tensão admissível 70 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 110 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 md = 30 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 30 kNL = 3 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 30 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 30 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 15 kN/mζ = 0,6m = 40 kg

Uma massa de 40 kg sobre uma mola com rigidez de 15 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,6. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 40 kgk = 15 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 20k2​ = 5m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 20 kN/m e k₂ = 5 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

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

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N2 = 80

Geometria de engrenagens: o módulo m define o tamanho do dente. Uma engrenagem com N dentes tem diâmetro primitivo d = m·N, duas engrenagens acopladas têm o mesmo módulo, e a distância entre centros é a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. A velocidade tangencial no diâmetro primitivo é v = π·d·n/60, e a força tangencial no dente vem do torque: Ft = 2T/d.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·200/4 = 100

Divida pela relação

N1 = 100/(1 + 4) = 20
N2 = 4·20 = 80

Resposta

N2 = 80
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 80

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.

Rotação do eixo intermediário

nB = nC = 3000·36/45 = 2400 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 36·2400/1080 = 80

Resposta

ND = 80
3.Torção de eixos

Resposta: G = 79,85 GPa

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 e ângulo

J = π·15⁴/32 = 4970 mm⁴
φ = 2,31·π/180 = 0,04032 rad

Módulo de cisalhamento

T = 40 N·m = 40000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 40000·400/(4970·0,04032) = 79848 MPa
G = 79,85 GPa

Resposta

G = 79,85 GPa

Compare: aço ≈ 80 GPa, latão ≈ 39 GPa, alumínio ≈ 26 GPa.

4.Torção de eixos

Resposta: d = 33,89 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 20000/52,36 = 382 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·50)) = 33,89 mm

Resposta

d = 33,89 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −33,69 °

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·−60, 60 − 10) = −67,38°

Ângulo no elemento

θp = −33,69°

Resposta

θp = −33,69°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: n = 2,118

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. Critérios de escoamento: von Mises prevê escoamento quando σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) atinge σY; Tresca quando a tensão de cisalhamento máxima absoluta atinge σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais

C = 105 MPa, R = 62,65 MPa
σ1 = 167,6 MPa, σ2 = 42,35 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 167,6 MPa
n = 355/167,6 = 2,118

Resposta

n = 2,118

n > 1 significa que o ponto não escoa; Tresca é um pouco mais conservador que von Mises.

7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 606,3 µε

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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 30·1000/706,9 = 42,44 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 42,44/70000 = 0,0006063 = 606,3 µε

Resposta

ε = 606,3 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 323,3 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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·4006 = 5,388 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0006, 0,0006364) = 0,0006 (aço)

Maior carga

Pmax = 0,0006·5,388 × 10⁸ = 323270 N = 323,3 kN

Resposta

Pmax = 323,3 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 2,18 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 = 1·6000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/6000² = 2180 N = 2,18 kN

Resposta

Pcr = 2,18 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 38,02 mm

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.

Carga crítica necessária

Pcr = n·P = 3·30000 = 90000 N
KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·90000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 38,02 mm

Resposta

d = 38,02 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 157,8, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,466 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 = √(15000/40) = 19,36 rad/s
fn = 19,36/(2π) = 3,082 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,082·√(1 − 0,6²) = 2,466 Hz

Resposta

fd = 2,466 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 25 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 20 + 5 = 25 kN/m

Resposta

keq = 25 kN/m

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