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​ = 32N2​ = 72

Um motor de 11 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 32 dentes, que engrena com uma engrenagem de 72 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 32N2 = 72η = 98%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 600 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 160 mm a 720 rpm a uma polia de 200 mm; os centros estão a 600 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,25 e a tração no lado tracionado não pode exceder 800 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 160 mmn1 = 720 rpmd2 = 200 mmC = 600 mmμ = 0,25T1 = 800 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
do​ = ?T = 1000 N·m

Um eixo vazado deve suportar um torque de 1000 N·m. Seu diâmetro interno deve ser 0,5 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

T = 1000 N·mdi/do = 0,5τallow = 75 MPa
do = mm
4.Torção de eixosDifícil
d = 25 mmT0​ = 200 N·mACBa = 3 mb = 1,2 m

Um eixo maciço de latão com diâmetro 25 mm está fixo a paredes rígidas nas duas extremidades A e B. Um torque de 200 N·m é aplicado em C, a 3 m de A e a 1,2 m de B. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 25 mmT0 = 200 N·ma = 3 mb = 1,2 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 110σy​ = 70τxy​ = 60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 110 MPa, σᵧ = 70 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 = 110 MPaσy = 70 MPaτxy = 60 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 100σy​ = 30τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 100 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 20° no sentido horário a partir do eixo x.

σx = 100 MPaσy = 30 MPaτxy = 30 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
50 kNØ25100 GPaØ100/60500 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de latão (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 100 GPa). Ambos têm 500 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 50 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 50 kNbarra: Ø25 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø60 mm, E = 100 GPaL = 500 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 40 mmAço1 mØ 20 mmLatão1 mP = 10 kN

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

P = 10 kNtrecho 1: Ø40 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m20 × 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 = 3 mE = 200 GPa (aço)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1 md = 30 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 = 1 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 80 kN/mc = 3040 N·s/mm = 80 kg

Uma massa de 80 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 80 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 3040 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 80 kgk = 80 kN/mc = 3040 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 80m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 10 kN/m e a inferior k₂ = 80 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 10 kN/mk2 = 80 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 241,3 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·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100,5 = 109,4 N·m

Torque de saída

T2 = 109,4·72/32·0,98 = 241,3 N·m

Resposta

T2 = 241,3 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,588 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 = 3,075 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,7687 = 2,157, T₂ = 800/2,157 = 370,9 N

Potência

P = (800 − 370,9)·6,032 = 2,588 kW

Resposta

P = 2,588 kW
3.Torção de eixos

Resposta: do = 41,68 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 = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1 × 10⁶/(π·75·0,9375)) = 41,68 mm
di = 0,5·41,68 = 20,84 mm

Resposta

do = 41,68 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 40,8 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 46,56 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. 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 = 200
TA·a = TB·b
TA = 200·1,2/4,2 = 57,14 N·m
TB = 200·3/4,2 = 142,9 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O maior dos dois torques governa (mesmo diâmetro).

τmax = 16·142857/(π·25³) = 46,56 MPa

Resposta

τmax = 46,56 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 35,78 °

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, 110 − 70) = 71,57°

Ângulo no elemento

θp = 35,78°

Resposta

θp = 35,78°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 72,53 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 = 65 + 35·0,766 + 30·−0,6428 = 72,53 MPa

Resposta

σθ = 72,53 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,04161 mm

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 − 60²)/4 = 5027 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·5027 = 6,008 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 50000·500/6,008 × 10⁸ = 0,04161 mm

Resposta

δ = 0,04161 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 31,83 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 7,958 MPa
σ2 = 31,83 MPa

Maior tensão

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

σmax = 31,83 MPa

Resposta

σmax = 31,83 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 23,39 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 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/1500² = 23395 N = 23,39 kN

Resposta

Pcr = 23,39 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 111 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 1·1000 = 1000 mm
KL/r = 1000/7,5 = 133,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/133,3² = 111 MPa

Resposta

σcr = 111 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,6008

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.

Amortecimento crítico

cc = 2·√(k·m) = 2·√(80000·80) = 5060 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 3040/5060 = 0,6008

Resposta

ζ = 0,6008

ζ < 1, então o sistema é subamortecido e oscila enquanto decai.

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,355 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 = 1/10 + 1/80 → keq = 10·80/(10 + 80) = 8,889 kN/m

Frequência natural

ωn = √(8889/20) = 21,08 rad/s
fn = 21,08/(2π) = 3,355 Hz

Resposta

fn = 3,355 Hz

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