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​ = 120 mmd2​ = 250 mm1440 rpmn2​ = ?

Uma polia de 120 mm a 1440 rpm aciona uma polia de 250 mm por uma correia com 2 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 1440 rpmd1 = 120 mmd2 = 250 mms = 2 %
n2 = rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 48C = 16D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes) no eixo de entrada gira a 1500 rpm e aciona a engrenagem B (48 dentes). A engrenagem C (16 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 300 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 1500 rpmA = 15B = 48C = 16nout = 300 rpm
ND =
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 75 mmd2​ = 50 mmT = 200 N·mABC1,2 m3 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 75 mm e comprimento 1,2 m; o trecho BC tem diâmetro 50 mm e comprimento 3 m. Um torque de 200 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 200 N·md1 = 75 mm, L1 = 1,2 md2 = 50 mm, L2 = 3 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 30 kW a 750 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 30 kWN = 750 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −80σy​ = 90τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −80 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = −80 MPaσy = 90 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 130σy​ = −20τxy​ = −20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 130 MPa, σᵧ = −20 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 60° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 130 MPaσy = −20 MPaτxy = −20 MPaθ = 60°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmCobre1,5 mP = 15 kN

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

P = 15 kNd = 20 mmL = 1,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
50 kN12300 mm200 mmØ20Ø60σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 20 mm, comprimento 300 mm, E = 200 GPa) e um trecho de bronze (diâmetro 60 mm, comprimento 200 mm, E = 110 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, 300 mm, E = 200 GPatrecho 2: bronze, Ø60 mm, 200 mm, E = 110 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 md = 30 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 70 GPa (alumínio)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 80 kNL = 2,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 80 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 80 kNn = 3L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx10 mm2 ciclos2,2 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 10 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 2,2 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 10 mmx2 = 2,2 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 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 = 25 kN/m e a inferior k₂ = 80 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 20 kgk1 = 25 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 677,4 rpm

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 sem escorregamento

1440·120/250 = 691,2 rpm

Com escorregamento

n2 = 691,2·0,98 = 677,4 rpm

Resposta

n2 = 677,4 rpm
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 25

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Rotação do eixo intermediário

nB = nC = 1500·15/48 = 468,8 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 16·468,8/300 = 25

Resposta

ND = 25
3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 8,149 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 = 200 N·m = 200000 N·mm
τAB = 16·200000/(π·75³) = 2,414 MPa
τBC = 16·200000/(π·50³) = 8,149 MPa

Resposta

τmax = 8,149 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: d = 36,5 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·750/60 = 78,54 rad/s
T = P/ω = 30000/78,54 = 382 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·40)) = 36,5 mm

Resposta

d = 36,5 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 80,28 °

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(2·30, −80 − 90) = 160,6°

Ângulo no elemento

θp = 80,28°

Resposta

θp = 80,28°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 0,1795 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 = 55 + 75·−0,5 + −20·0,866 = 0,1795 MPa

Resposta

σθ = 0,1795 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 408,1 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 15·1000/314,2 = 47,75 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 47,75/117000 = 0,0004081 = 408,1 µε

Resposta

ε = 408,1 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 15,58 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 = 200000·314,2/300 = 209440 N/mm
k₂ = 110000·2827/200 = 1,555 × 10⁶ N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 50000·1,555 × 10⁶/1,765 × 10⁶ = 44065 N

Tensão

σ2 = 44065/2827 = 15,58 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 15,58 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,052 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·39761/3000² = 3052 N = 3,052 kN

Resposta

Pcr = 3,052 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 62,73 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 = 3·80000 = 240000 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·240000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 62,73 mm

Resposta

d = 62,73 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 159,4, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1196

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.

Decremento logarítmico

δ = (1/2)·ln(10/2,2) = 0,7571

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7571/√(39,48 + 0,5731) = 0,1196

Resposta

ζ = 0,1196
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 19,05 kN/m

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 = 1/25 + 1/80 → keq = 25·80/(25 + 80) = 19,05 kN/m

Resposta

keq = 19,05 kN/m

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