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​ = 500 mm1450 rpmT1​ = 400 NT2​ = 200 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 80 mm a 1450 rpm. A tração é de 400 N no lado tracionado e de 200 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 80 mmn1 = 1450 rpmT1 = 400 NT2 = 200 N
P = kW
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 45C = 40D = 48

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes), no eixo de entrada girando a 1500 rpm, aciona a engrenagem B (45 dentes). A engrenagem C (40 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (48 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1500 rpmA = 12B = 45C = 40D = 48
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 50 mmd2​ = 30 mmT = 100 N·mABC2 m1,5 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 50 mm e comprimento 2 m; o trecho BC tem diâmetro 30 mm e comprimento 1,5 m. Um torque de 100 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 100 N·md1 = 50 mm, L1 = 2 md2 = 30 mm, L2 = 1,5 mG = 80 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
d = 60 mmTB​ = 1000 N·mTC​ = 2000 N·mABC2 m2 m

Um eixo maciço de aço com diâmetro 60 mm está fixo em A. Um torque de 1000 N·m atua em B, a 2 m de A, e um torque de 2000 N·m no mesmo sentido atua na extremidade livre C, 2 m adiante. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

d = 60 mmTB = 1000 N·mTC = 2000 N·mAB = 2 mBC = 2 m
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = −60σy​ = −40τxy​ = 40MPa

Um ponto tem σₓ = −60 MPa, σᵧ = −40 MPa e τₓᵧ = 40 MPa (tração positiva). Encontre o ângulo θs, entre −90° e 90°, do eixo x até a normal do plano em que a tensão de cisalhamento tem seu valor máximo positivo +R (cisalhamento positivo no mesmo sentido de τₓᵧ).

σx = −60 MPaσy = −40 MPaτxy = 40 MPa
θs = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 50 mm suporta uma força axial de compressão de 90 kN junto com um torque de 1500 N·m. Na superfície do eixo, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 50 mmF = −90 kNT = 1500 N·m
τmax = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 20 mmCobre2,5 mP = 95 kN

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

P = 95 kNd = 20 mmL = 2,5 mE = 117 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmCobre0,5 mØ 12 mmAlumínio2 mP = 100 kN

A barra escalonada está engastada na parede e carregada na extremidade livre. Encontre o alongamento total δ.

P = 100 kNtrecho 1: Ø25 mm, 0,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø12 mm, 2 m, alumínio (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 md = 40 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 = 4 mE = 70 GPa (alumínio)d = 40 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 30 kNL = 5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Ele deve suportar 30 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 30 kNn = 2,5L = 5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx25 mm2 ciclos5,5 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 25 mm é seguido, 2 ciclos depois, por um pico de 5,5 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 25 mmx2 = 5,5 mmn = 2
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 30k2​ = 30m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada em duas molas lado a lado (em paralelo), com rigidezes k₁ = 30 kN/m e k₂ = 30 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 = 30 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 1,215 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 = 6,074 m/s

Potência

P = (400 − 200)·6,074 = 1215 W = 1,215 kW

Resposta

P = 1,215 kW
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 333,3 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 = 1500·12/45 = 400 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 400·40/48 = 333,3 rpm

Resposta

nout = 333,3 rpm

relação total = 4,5 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: φC = 1,584 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φAB = 100000·2000/(80000·613592) = 0,004074 rad
φBC = 100000·1500/(80000·79522) = 0,02358 rad

Torção total

φC = 0,004074 + 0,02358 = 0,02765 rad = 1,584°

Resposta

φC = 1,584°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 70,74 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 = 2000 N·m
TAB = TC + TB = 2000 + 1000 = 3000 N·m

Tensão de cisalhamento máxima

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

|T|max = 3000 N·m
τmax = 16·3 × 10⁶/(π·60³) = 70,74 MPa

Resposta

τmax = 70,74 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θs = 7,018 °

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.

στxyCτmax​

Ângulo no círculo

No círculo de Mohr o ponto do topo (+R) está a 90° do ponto principal σ₁; no elemento isso corresponde a 45°.

cos 2θs = 40/41,23 = 0,9701, sin 2θs = −(−10)/41,23 = 0,2425
2θs = atan2(10, 40) = 14,04°

Ângulo no elemento

θs = 7,018°
verificação: θs − θp = 7,018 − 52,02 = −45°

Resposta

θs = 7,018°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 65,27 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.

Tensões na superfície

σ = F/A = −90000/(π·50²/4) = −90000/1963 = −45,84 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·50³) = 61,12 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −22,92 MPa
R = √((−22,92)² + 61,12²) = 65,27 MPa

Resposta

τmax = 65,27 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 6,461 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·20²/4 = 314,2 mm²
σ = P/A = 95·1000/314,2 = 302,4 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 302,4/117000 = 0,002585 = 2585 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,002585·2500 mm = 6,461 mm

Resposta

δ = 6,461 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 26,13 mm

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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 203,7 MPa
σ2 = 884,2 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 203,7·500/117000 = 0,8706 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 884,2·2000/70000 = 25,26 mm
δ = δ1 + δ2 = 26,13 mm

Resposta

δ = 26,13 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 21,7 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 = 0,5·4000 = 2000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·125664/2000² = 21704 N = 21,7 kN

Resposta

Pcr = 21,7 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 72,15 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 = 2,5·30000 = 75000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·75000·3500²/(π³·70000))^(1/4) = 72,15 mm

Resposta

d = 72,15 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 194,1, 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(25/5,5) = 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: fn = 17,43 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 = 30 + 30 = 60 kN/m

Frequência natural

ωn = √(60000/5) = 109,5 rad/s
fn = 109,5/(2π) = 17,43 Hz

Resposta

fn = 17,43 Hz

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