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​ = 100 mmd2​ = 300 mm1440 rpmT1​ = 400 NT2​ = 80 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 100 mm a 1440 rpm. A tração é de 400 N no lado tracionado e de 80 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 100 mmn1 = 1440 rpmT1 = 400 NT2 = 80 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 200 mm2880 rpmC = 500 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 150 mm a 2880 rpm a uma polia de 200 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,25 e a tração no lado tracionado não pode exceder 2000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 150 mmn1 = 2880 rpmd2 = 200 mmC = 500 mmμ = 0,25T1 = 2000 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
do​ = ?T = 500 N·m

Um eixo vazado deve suportar um torque de 500 N·m. Seu diâmetro interno deve ser 0,6 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 80 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

T = 500 N·mdi/do = 0,6τallow = 80 MPa
do = mm
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 20 kW a 500 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 20 kWN = 500 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 20MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 20 MPa e σᵧ = 0 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 75 MPa?

σx = 20 MPaσy = 0 MPaσ1 = 75 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 100σy​ = 100τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 100 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 40° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 100 MPaσy = 100 MPaτxy = 30 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
P = ?12500 mm500 mmØ30Ø30δ = 0,5 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de latão (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 100 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,5 mm no total.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: latão, Ø30 mm, 500 mm, E = 100 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 35 mmCobre1,5 mØ 16 mmAço1 mP = 45 kN

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

P = 45 kNtrecho 1: Ø35 mm, 1,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 1 m, aço (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m25 × 80 mmseção transversal

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

L = 4 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 60 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 60 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 60 kNn = 2,5L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 80 kN/mζ = 0,4m = 250 kg

Uma massa de 250 kg sobre uma mola com rigidez de 80 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,4. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 250 kgk = 80 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 100m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 30 kN/m e k₂ = 100 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 10 kgk1 = 30 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,413 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 = 7,54 m/s

Potência

P = (400 − 80)·7,54 = 2413 W = 2,413 kW

Resposta

P = 2,413 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 24,09 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 = 3,042 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,7604 = 2,139, T₂ = 2000/2,139 = 935 N

Potência

P = (2000 − 935)·22,62 = 24,09 kW

Resposta

P = 24,09 kW
3.Torção de eixos

Resposta: do = 33,19 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 = 500 N·m = 500000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·500000/(π·80·0,8704)) = 33,19 mm
di = 0,6·33,19 = 19,92 mm

Resposta

do = 33,19 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 31,69 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

4.Torção de eixos

Resposta: d = 31,89 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 = 20000/52,36 = 382 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·381972/(π·60)) = 31,89 mm

Resposta

d = 31,89 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 64,23 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.

Raio necessário

C = (20 + 0)/2 = 10 MPa
R = σ1 − C = 75 − 10 = 65 MPa
στxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(65² − 10²) = 64,23 MPa

Resposta

τxy = 64,23 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 129,5 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 = 100 + 0·0,1736 + 30·0,9848 = 129,5 MPa

Resposta

σθ = 129,5 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 47,12 kN

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

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·706,9) = 3,537 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(100000·706,9) = 7,074 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,5/1,061 × 10⁻⁵ = 47124 N = 47,12 kN

Resposta

P = 47,12 kN
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 223,8 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·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 46,77 MPa
σ2 = 223,8 MPa

Maior tensão

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

σmax = 223,8 MPa

Resposta

σmax = 223,8 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 3,213 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 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·4000 = 8000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·104167/8000² = 3213 N = 3,213 kN

Resposta

Pcr = 3,213 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 43,2 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 = 2,5·60000 = 150000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 43,2 mm

Resposta

d = 43,2 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 138,9, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 2,609 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 = √(80000/250) = 17,89 rad/s
fn = 17,89/(2π) = 2,847 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,847·√(1 − 0,4²) = 2,609 Hz

Resposta

fd = 2,609 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 130 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 lado a lado compartilham a deflexão e somam suas forças, então suas rigidezes simplesmente se somam: k = k1 + k2.

keq = 30 + 100 = 130 kN/m

Resposta

keq = 130 kN/m

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