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​ = 48

Um motor de 15 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 30 dentes, que engrena com uma engrenagem de 48 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 15 kWn1 = 2900 rpmN1 = 30N2 = 48η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 500 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 150 mm a 720 rpm a uma polia de 315 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,35 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 = 150 mmn1 = 720 rpmd2 = 315 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 1000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
do​ = ?T = 2000 N·m

Um eixo vazado deve suportar um torque de 2000 N·m. Seu diâmetro interno deve ser 0,7 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

T = 2000 N·mdi/do = 0,7τallow = 50 MPa
do = mm
4.Torção de eixosDifícil
d = 50 mmT0​ = 100 N·mACBa = 0,8 mb = 1,2 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 50 mm está fixo a paredes rígidas nas duas extremidades A e B. Um torque de 100 N·m é aplicado em C, a 0,8 m de A e a 1,2 m de B. Encontre o ângulo de rotação φC da seção C, em graus.

d = 50 mmT0 = 100 N·ma = 0,8 mb = 1,2 mG = 39 GPa
φC = °
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = 100MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 140 MPa e σᵧ = 100 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 185 MPa?

σx = 140 MPaσy = 100 MPaσ1 = 185 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 70σy​ = −20τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 70 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 20° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 70 MPaσy = −20 MPaτxy = −50 MPaθ = 20°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 30 mmLatão1 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 30 mmL = 1 mE = 100 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø30120 GPaØ120/70600 mm

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 120 MPa) está dentro de um tubo de cobre (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 120 GPa, tensão admissível 70 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø120/Ø70 mm, E = 120 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 m50 × 100 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 50 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 6 md = 60 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 70 GPa (alumínio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 20 kN/mζ = 0,35m = 25 kg

Uma massa de 25 kg sobre uma mola com rigidez de 20 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 = 25 kgk = 20 kN/mζ = 0,35
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 60m = 20 kg

Uma massa de 20 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 = 60 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 12 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 49,39 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 = 15000/303,7 = 49,39 N·m

Resposta

T1 = 49,39 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 3,54 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 = 2,81 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,9835 = 2,674, T₂ = 1000/2,674 = 374 N

Potência

P = (1000 − 374)·5,655 = 3,54 kW

Resposta

P = 3,54 kW
3.Torção de eixos

Resposta: do = 64,48 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.

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·2 × 10⁶/(π·50·0,7599)) = 64,48 mm
di = 0,7·64,48 = 45,14 mm

Resposta

do = 64,48 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 58,84 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

4.Torção de eixos

Resposta: φC = 0,1149 °

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. Quando as duas extremidades estão fixas, a estática sozinha dá apenas TA + TB = T₀; a segunda equação é a compatibilidade (torções iguais das duas partes na seção carregada).

Equilíbrio e compatibilidade

TA + TB = 100
TA·a = TB·b
TA = 100·1,2/2 = 60 N·m
TB = 100·0,8/2 = 40 N·m

Rotação de C

Use o trecho AC: ele está fixo em A e suporta TA.

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
G = 39 GPa = 39000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 60000·800/(39000·613592) = 0,002006 rad = 0,1149°

Resposta

φC = 0,1149°
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 61,85 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 + 100)/2 = 120 MPa
R = σ1 − C = 185 − 120 = 65 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(65² − 20²) = 61,85 MPa

Resposta

τxy = 61,85 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 27,33 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 = 25 + 45·0,766 + −50·0,6428 = 27,33 MPa

Resposta

σθ = 27,33 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 707,4 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 = 50·1000/706,9 = 70,74 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 70,74/100000 = 0,0007074 = 707,4 µε

Resposta

ε = 707,4 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 604,8 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(120² − 70²)/4 = 7461 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·7461 = 1,037 × 10⁹ N

Deformação governante

ε = min(0,0006, 0,0005833) = 0,0005833 (cobre)

Maior carga

Pmax = 0,0005833·1,037 × 10⁹ = 604757 N = 604,8 kN

Resposta

Pmax = 604,8 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 7,197 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

Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.

Imin = h·b³/12 = 100·50³/12 = 1,042 × 10⁶ mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·5000 = 10000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·1,042 × 10⁶/10000² = 7197 N = 7,197 kN

Resposta

Pcr = 7,197 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 4,318 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 1·6000 = 6000 mm
KL/r = 6000/15 = 400

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/400² = 4,318 MPa

Resposta

σcr = 4,318 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 4,217 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 = √(20000/25) = 28,28 rad/s
fn = 28,28/(2π) = 4,502 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,502·√(1 − 0,35²) = 4,217 Hz

Resposta

fd = 4,217 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,559 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 + 1/60 → keq = 12·60/(12 + 60) = 10 kN/m

Frequência natural

ωn = √(10000/20) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Resposta

fn = 3,559 Hz

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