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​ = 15N2​ = 18

Um motor de 15 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 15 dentes, que engrena com uma engrenagem de 18 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 15 kWn1 = 960 rpmN1 = 15N2 = 18η = 97%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm1440 rpmC = 600 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 160 mm e uma polia de 250 mm cujos centros estão a 600 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 160 mmd2 = 250 mmC = 600 mm
θ = °
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 30 mmd2​ = 25 mmT = 250 N·mABC0,5 m2 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 30 mm e comprimento 0,5 m; o trecho BC tem diâmetro 25 mm e comprimento 2 m. Um torque de 250 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 250 N·md1 = 30 mm, L1 = 0,5 md2 = 25 mm, L2 = 2 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 40 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 100 N·mABC1,5 m1,5 m

Um eixo maciço de alumínio com diâmetro 40 mm está fixo em A. Um torque de 200 N·m atua em B, a 1,5 m de A, e um torque de 100 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 1,5 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 40 mmTB = 200 N·mTC = 100 N·mAB = 1,5 mBC = 1,5 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 110σy​ = 80MPaτxy​ = ?

Um ponto tem σₓ = 110 MPa e σᵧ = 80 MPa. Até que valor a tensão de cisalhamento τxy (em módulo) pode chegar antes que a maior tensão principal atinja 120 MPa?

σx = 110 MPaσy = 80 MPaσ1 = 120 MPa
τxy = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −20σy​ = 60τxy​ = −10MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −20 MPa, σᵧ = 60 MPa e τₓᵧ = −10 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 30° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −20 MPaσy = 60 MPaτxy = −10 MPaθ = 30°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmCobre2,5 mP = 65 kN

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

P = 65 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmAço0,5 mØ 20 mmAlumínio1,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNtrecho 1: Ø30 mm, 0,5 m, aço (E = 200 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1,5 m, alumínio (E = 70 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 md = 20 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 = 2 mE = 70 GPa (alumínio)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2 md = 50 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 2 mE = 70 GPa (alumínio)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 10 kN/mc = 360 N·s/mm = 20 kg

Uma massa de 20 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 10 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 360 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 20 kgk = 10 kN/mc = 360 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 5m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 40 kN/m e k₂ = 5 kN/m. A massa permanece nivelada. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 173,7 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 = 15000/100,5 = 149,2 N·m

Torque de saída

T2 = 149,2·18/15·0,97 = 173,7 N·m

Resposta

T2 = 173,7 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 171,4 °

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 da correia

asin(0,075) = 4,301°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·4,301 = 171,4°

Resposta

θ = 171,4°
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 10,46 °

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.

Momentos polares

J1 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
J2 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 250 N·m = 250000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 250000·500/(80000·79522) = 0,01965 rad
φBC = 250000·2000/(80000·38350) = 0,163 rad

Torção total

φC = 0,01965 + 0,163 = 0,1826 rad = 10,46°

Resposta

φC = 10,46°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 23,87 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.

Torques internos

Sentido de TC tomado como positivo.

TBC = TC = 100 N·m
TAB = TC + TB = 100 + 200 = 300 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

O trecho com o maior torque interno tem a maior tensão (mesmo diâmetro).

|T|max = 300 N·m
τmax = 16·300000/(π·40³) = 23,87 MPa

Resposta

τmax = 23,87 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τxy = 20 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 = (110 + 80)/2 = 95 MPa
R = σ1 − C = 120 − 95 = 25 MPa
σxyCσ1​σ2​

Tensão de cisalhamento

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(25² − 15²) = 20 MPa

Resposta

τxy = 20 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −8,66 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 = 20 + −40·0,5 + −10·0,866 = −8,66 MPa

Resposta

σθ = −8,66 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 4912 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 65·1000/113,1 = 574,7 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 574,7/117000 = 0,004912 = 4912 µε

Resposta

ε = 4912 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 222,8 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 99,03 MPa
σ2 = 222,8 MPa

Maior tensão

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

σmax = 222,8 MPa

Resposta

σmax = 222,8 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 5,426 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1000² = 5426 N = 5,426 kN

Resposta

Pcr = 5,426 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 26,99 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 1·2000 = 2000 mm
KL/r = 2000/12,5 = 160

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/160² = 26,99 MPa

Resposta

σcr = 26,99 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,4025

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·√(10000·20) = 894,4 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 360/894,4 = 0,4025

Resposta

ζ = 0,4025

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 45 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 = 40 + 5 = 45 kN/m

Resposta

keq = 45 kN/m

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