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​ = 16N2​ = 32

Um motor de 0,75 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 16 dentes, que engrena com uma engrenagem de 32 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 0,75 kWn1 = 960 rpmN1 = 16N2 = 32η = 95%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 18B = 60C = 16D = 40

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (18 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (16 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (40 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 18B = 60C = 16D = 40
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
T = 400 N·md = 25 mmL = 1,2 mφ = ?

Um eixo maciço de aço 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 = 400 N·md = 25 mmL = 1,2 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 75 kW a 500 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 75 kWN = 500 rpmτallow = 80 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 80σy​ = −70τxy​ = −10MPa

Um ponto tem σₓ = 80 MPa, σᵧ = −70 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (tração positiva). O elemento é girado 60° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 80 MPaσy = −70 MPaτxy = −10 MPaθ = 60°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
35°D = 800 mm, t = 10 mm, p = 0,5 MPap

Um tanque cilíndrico de parede fina com diâmetro interno de 800 mm e espessura de parede de 10 mm contém gás a uma pressão manométrica de 0,5 MPa. Ele é feito de chapa soldada ao longo de uma costura helicoidal a 35° do eixo do cilindro. Encontre o módulo da tensão de cisalhamento |τn| que atua ao longo da costura de solda.

D = 800 mmt = 10 mmp = 0,5 MPaα = 35°
|τn| = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 10 mmAlumínio1,5 mP = 110 kN

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

P = 110 kNd = 10 mmL = 1,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
80 kN12300 mm500 mmØ25Ø60σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de bronze (diâmetro 60 mm, comprimento 500 mm, E = 110 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 80 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø60 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 m20 × 40 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 5 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 5 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 5 kNn = 3L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 200 kN/mζ = 0,7m = 500 kg

Uma massa de 500 kg sobre uma mola com rigidez de 200 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,7. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 500 kgk = 200 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 25m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 10 kN/m e k₂ = 25 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 = 5 kgk1 = 10 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 14,17 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 = 750/100,5 = 7,46 N·m

Torque de saída

T2 = 7,46·32/16·0,95 = 14,17 N·m

Resposta

T2 = 14,17 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 174 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 = 1450·18/60 = 435 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 435·16/40 = 174 rpm

Resposta

nout = 174 rpm

relação total = 8,333 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φ = 8,964 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1200/(80000·38350) = 0,1565 rad
φ = 0,1565·180/π = 8,964°

Resposta

φ = 8,964°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 45,01 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 = 75000/52,36 = 1432 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·1,432 × 10⁶/(π·80)) = 45,01 mm

Resposta

d = 45,01 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 51,16 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 para a face y′

σy′ = 5 − 75·(−0,5) − (−10)·0,866 = 51,16 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = −41,16 MPa, σx′ + σy′ = 10 = σx + σy

Resposta

σy′ = 51,16 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: |τn| = 4,698 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. Cilindro de parede fina: tensão circunferencial σh = pr/t e tensão axial σa = pr/(2t); essas são as tensões principais na parede.

Tensões na parede

r = 800/2 = 400 mm
σh = pr/t = 0,5·400/10 = 20 MPa
σa = pr/(2t) = 10 MPa

Transforme para a costura

Tome x ao longo do eixo (σa) e y na direção circunferencial (σh). A normal da costura forma 90° − α com o eixo.

|τn| = (20 − 10)·sin 35°·cos 35° = 4,698 MPa

Resposta

|τn| = 4,698 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 30,01 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 110·1000/78,54 = 1401 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for alumínio = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 1401/70000 = 0,02001 = 20008 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,02001·1500 mm = 30,01 mm

Resposta

δ = 30,01 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 18,54 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 = 200000·490,9/300 = 327249 N/mm
k₂ = 110000·2827/500 = 622035 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 80000·622035/949285 = 52421 N

Tensão

σ2 = 52421/2827 = 18,54 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 18,54 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 2,047 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 = 1·3000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·26667/3000² = 2047 N = 2,047 kN

Resposta

Pcr = 2,047 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 44,67 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 = 3·5000 = 15000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·15000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 44,67 mm

Resposta

d = 44,67 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 268,7, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,273 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 = √(200000/500) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3,183 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3,183·√(1 − 0,7²) = 2,273 Hz

Resposta

fd = 2,273 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 13,32 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 + 25 = 35 kN/m

Frequência natural

ωn = √(35000/5) = 83,67 rad/s
fn = 83,67/(2π) = 13,32 Hz

Resposta

fn = 13,32 Hz

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