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
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm2880 rpmT1​ = 800 NT2​ = 240 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 80 mm a 2880 rpm. A tração é de 800 N no lado tracionado e de 240 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmT1 = 800 NT2 = 240 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 20B = 72C = 36D = 72

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (20 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (36 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (72 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 20B = 72C = 36D = 72
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 40 mmd2​ = 20 mmT = 250 N·mABC3 m2,5 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 40 mm e comprimento 3 m; o trecho BC tem diâmetro 20 mm e comprimento 2,5 m. Um torque de 250 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 250 N·md1 = 40 mm, L1 = 3 md2 = 20 mm, L2 = 2,5 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 20 kW a 3000 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 20 kWN = 3000 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 110σy​ = −70τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 110 MPa, σᵧ = −70 MPa e τₓᵧ = −40 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 = −40 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −70σy​ = 100τxy​ = 60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −70 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = 60 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 = −70 MPaσy = 100 MPaτxy = 60 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmLatão1,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 12 mmL = 1,5 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmLatão0,5 mØ 12 mmLatão1,5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNtrecho 1: Ø30 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 1,5 m, latão (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2,5 md = 40 mmseção transversal

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 55 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 55 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 55 kNn = 3L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 20 kN/mc = 380 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 20 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 380 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 20 kN/mc = 380 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 15k2​ = 40m = 20 kg

Uma massa de 20 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 15 kN/m e a inferior k₂ = 40 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 20 kgk1 = 15 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,756 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.

Velocidade da correia

v = 12,06 m/s

Potência

P = (800 − 240)·12,06 = 6756 W = 6,756 kW

Resposta

P = 6,756 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 201,4 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 = 1450·20/72 = 402,8 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 402,8·36/72 = 201,4 rpm

Resposta

nout = 201,4 rpm

relação total = 7,2 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 159,2 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.

Tensão em cada trecho

T = 250 N·m = 250000 N·mm
τAB = 16·250000/(π·40³) = 19,89 MPa
τBC = 16·250000/(π·20³) = 159,2 MPa

Resposta

τmax = 159,2 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: d = 15,94 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 20000/314,2 = 63,66 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·63662/(π·80)) = 15,94 mm

Resposta

d = 15,94 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = −11,98 °

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·−40, 110 − −70) = −23,96°

Ângulo no elemento

θp = −11,98°

Resposta

θp = −11,98°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −88,68 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 = 15 + −85·0,766 + 60·−0,6428 = −88,68 MPa

Resposta

σθ = −88,68 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 11,94 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 90·1000/113,1 = 795,8 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 795,8/100000 = 0,007958 = 7958 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,007958·1500 mm = 11,94 mm

Resposta

δ = 11,94 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 442,1 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 70,74 MPa
σ2 = 442,1 MPa

Maior tensão

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

σmax = 442,1 MPa

Resposta

σmax = 442,1 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 81 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 = 0,7·2500 = 1750 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1750² = 80996 N = 81 kN

Resposta

Pcr = 81 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 57,52 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 = 3·55000 = 165000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·165000·1500²/(π³·70000))^(1/4) = 57,52 mm

Resposta

d = 57,52 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 104,3, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,3004

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·√(20000·20) = 1265 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 380/1265 = 0,3004

Resposta

ζ = 0,3004

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 3,717 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 = 1/15 + 1/40 → keq = 15·40/(15 + 40) = 10,91 kN/m

Frequência natural

ωn = √(10909/20) = 23,35 rad/s
fn = 23,35/(2π) = 3,717 Hz

Resposta

fn = 3,717 Hz

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