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​ = 24N2​ = 72

Um motor de 0,75 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 24 dentes, que engrena com uma engrenagem de 72 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 0,75 kWn1 = 1440 rpmN1 = 24N2 = 72η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 25B = 60C = 30D = ?

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (25 dentes) no eixo de entrada gira a 1440 rpm e aciona a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (30 dentes) está fixada no mesmo eixo de B e aciona a engrenagem D no eixo de saída. A saída deve girar a 225 rpm. Quantos dentes ND a engrenagem D deve ter?

nin = 1440 rpmA = 25B = 60C = 30nout = 225 rpm
ND =
3.Torção de eixosMédia
T = 750 N·md = 50 mmL = 1,5 mφ = ?

Um eixo maciço de latão 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 = 750 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Um eixo vazado transmite 10 kW a 1800 rpm. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

P = 10 kWN = 1800 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 160σy​ = 100τxy​ = 10MPa

Um ponto tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = 100 MPa e τₓᵧ = 10 MPa (tração positiva). O elemento é girado 50° no sentido anti-horário. Encontre a tensão normal σy′ nas faces do elemento girado que são perpendiculares ao eixo girado y′.

σx = 160 MPaσy = 100 MPaτxy = 10 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 40 mm suporta uma força axial de compressão de 100 kN junto com um torque de 200 N·m. Na superfície do eixo, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 40 mmF = −100 kNT = 200 N·m
τmax = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 12 mmAço1 mP = 100 kN

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

P = 100 kNd = 12 mmL = 1 mE = 200 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 25 mmCobre1,5 mØ 16 mmLatão0,5 mP = 75 kN

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

P = 75 kNtrecho 1: Ø25 mm, 1,5 m, cobre (E = 117 GPa)trecho 2: Ø16 mm, 0,5 m, latão (E = 100 GPa)
σmax = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m40 × 60 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 = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 40 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 135 kNL = 3 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 135 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 135 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 80 kN/mc = 1600 N·s/mm = 200 kg

Uma massa de 200 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 80 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 1600 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 200 kgk = 80 kN/mc = 1600 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 25k2​ = 15k3​ = 40m = 5 kg

Uma massa de 5 kg está pendurada na mola k₃ = 40 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 25 kN/m e k₂ = 15 kN/m; a barra permanece nivelada. Despreze o amortecimento e as massas das molas e da barra. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 5 kgk1 = 25 kN/mk2 = 15 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 4,974 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/150,8 = 4,974 N·m

Resposta

T1 = 4,974 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: ND = 80

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 = 1440·25/60 = 600 rpm

Dentes da engrenagem D

ND = C·nC/nout = 30·600/225 = 80

Resposta

ND = 80
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,694 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1500/(39000·613592) = 0,04701 rad
φ = 0,04701·180/π = 2,694°

Resposta

φ = 2,694°
4.Torção de eixos

Resposta: τmax = 5,556 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.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 10000/188,5 = 53,05 N·m

Momento polar de inércia

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Tensão de cisalhamento máxima

τmax = T·(do/2)/J = 53052·20/190984 = 5,556 MPa

Resposta

τmax = 5,556 MPa
5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σy′ = 125,4 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′ = 130 − 30·(−0,1736) − 10·0,9848 = 125,4 MPa

Verificação

A soma das tensões normais não muda com a rotação.

σx′ = 134,6 MPa, σx′ + σy′ = 260 = σx + σy

Resposta

σy′ = 125,4 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 42,85 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 = −100000/(π·40²/4) = −100000/1257 = −79,58 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·200000/(π·40³) = 15,92 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −39,79 MPa
R = √((−39,79)² + 15,92²) = 42,85 MPa

Resposta

τmax = 42,85 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 4421 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 = 100·1000/113,1 = 884,2 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 884,2/200000 = 0,004421 = 4421 µε

Resposta

ε = 4421 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σmax = 373 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 152,8 MPa
σ2 = 373 MPa

Maior tensão

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

σmax = 373 MPa

Resposta

σmax = 373 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 39,48 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 = 60·40³/12 = 320000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 2·2000 = 4000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·320000/4000² = 39478 N = 39,48 kN

Resposta

Pcr = 39,48 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 70,77 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 = 2·135000 = 270000 N
KL = 1·3000 = 3000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 70,77 mm

Resposta

d = 70,77 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 169,6, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,2

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·√(80000·200) = 8000 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 1600/8000 = 0,2

Resposta

ζ = 0,2

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 10,07 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

Só k1 e k2 estão em paralelo. Esse par está em série com k3, então combine-os pelos inversos.

k12 = 25 + 15 = 40 kN/m
keq = 40·40/(40 + 40) = 20 kN/m

Frequência natural

ωn = √(20000/5) = 63,25 rad/s
fn = 63,25/(2π) = 10,07 Hz

Resposta

fn = 10,07 Hz

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