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
Tw​ = ?z = 2, 960 rpm

Um motor de 3 kW a 960 rpm aciona um parafuso sem-fim com 2 entrada(s). A coroa tem 40 dentes e a transmissão tem eficiência de 75%. Encontre o torque de saída Tw no eixo da coroa.

z = 2Nw = 40n = 960 rpmP = 3 kWη = 75%
Tw = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 500 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 80 mm e uma polia de 250 mm cujos centros estão a 500 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 80 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
T = 200 N·md = 30 mmL = 1,5 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 200 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Um eixo vazado transmite 15 kW a 750 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 15 kWN = 750 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −10σy​ = −40τxy​ = 60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −10 MPa, σᵧ = −40 MPa e τₓᵧ = 60 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = −10 MPaσy = −40 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −10σy​ = −20τxy​ = −10MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = −10 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (σz = 0). Encontre a tensão equivalente de von Mises σvM.

σx = −10 MPaσy = −20 MPaτxy = −10 MPa
σvM = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 25 mmAço2 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 25 mmL = 2 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
50 kN12400 mm300 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 400 mm, E = 200 GPa) e um trecho de alumínio (diâmetro 60 mm, comprimento 300 mm, E = 70 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 50 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: alumínio, Ø60 mm, 300 mm, E = 70 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m25 × 50 mmseção transversal

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

L = 2 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 3 md = 60 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 150 kN/mζ = 0,3m = 5 kg

Uma massa de 5 kg sobre uma mola com rigidez de 150 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,3. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 5 kgk = 150 kN/mζ = 0,3
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 15m = 50 kg

Uma massa de 50 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 10 kN/m e k₂ = 15 kN/m. A massa permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 50 kgk1 = 10 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tw = 447,6 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.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 960·2/40 = 48 rpm

Torque de saída

ωw = 2π·48/60 = 5,027 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,75·3000/5,027 = 447,6 N·m

Resposta

Tw = 447,6 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 160,4 °

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 da correia

asin(0,17) = 9,788°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·9,788 = 160,4°

Resposta

θ = 160,4°
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 8,314 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1500/(26000·79522) = 0,1451 rad
φ = 0,1451·180/π = 8,314°

Resposta

φ = 8,314°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 20 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 15000/78,54 = 191 N·m

Momento polar de inércia

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 190986·20/190984 = 20 MPa

Resposta

τmax = 20 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 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.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((−10 − −40)/2)² + 60²) = 61,85 MPa

Resposta

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

Resposta: σvM = 24,49 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. 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 = −15 MPa, R = 11,18 MPa
σ1 = −3,82 MPa, σ2 = −26,18 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √((−3,82)² − (−3,82)·(−26,18) + (−26,18)²) = 24,49 MPa

Resposta

σvM = 24,49 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,713 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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 35·1000/490,9 = 71,3 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 71,3/200000 = 0,0003565 = 356,5 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,0003565·2000 mm = 0,713 mm

Resposta

δ = 0,713 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 14,28 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 = 70000·2827/300 = 659734 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 50000·659734/816814 = 40385 N

Tensão

σ2 = 40385/2827 = 14,28 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 14,28 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 22,95 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·65104/1400² = 22948 N = 22,95 kN

Resposta

Pcr = 22,95 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 35,25 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 = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/15 = 140

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/140² = 35,25 MPa

Resposta

σcr = 35,25 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 26,3 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 = √(150000/5) = 173,2 rad/s
fn = 173,2/(2π) = 27,57 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 27,57·√(1 − 0,3²) = 26,3 Hz

Resposta

fd = 26,3 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 10 + 15 = 25 kN/m

Frequência natural

ωn = √(25000/50) = 22,36 rad/s
fn = 22,36/(2π) = 3,559 Hz

Resposta

fn = 3,559 Hz

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