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​ = 25N2​ = 40

Um motor de 0,75 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 25 dentes, que engrena com uma engrenagem de 40 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 0,75 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 40η = 95%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 125 mmd2​ = 450 mm1450 rpmC = 500 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 125 mm a 1450 rpm a uma polia de 450 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 500 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 125 mmn1 = 1450 rpmd2 = 450 mmC = 500 mmμ = 0,25T1 = 500 N
P = kW
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 50 mmL = 1,2 mφ = ?

Um eixo maciço de alumínio 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 = 500 N·md = 50 mmL = 1,2 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?20 kW, 3000 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 20 kW a 3000 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,6 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 20 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,6τallow = 40 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 50σy​ = 50τxy​ = 20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 50 MPa, σᵧ = 50 MPa e τₓᵧ = 20 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 50 MPaσy = 50 MPaτxy = 20 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 80σy​ = −60τxy​ = 40MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 80 MPa, σᵧ = −60 MPa e τₓᵧ = 40 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 = 80 MPaσy = −60 MPaτxy = 40 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
150 kNØ30100 GPaØ120/50300 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de latão (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 100 GPa). Ambos têm 300 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 150 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 150 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
Ø 30 mmLatão1 mØ 20 mmCobre1 mP = 70 kN

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

P = 70 kNtrecho 1: Ø30 mm, 1 m, latão (E = 100 GPa)trecho 2: Ø20 mm, 1 m, cobre (E = 117 GPa)
δ = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 m20 × 80 mmseção transversal

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

L = 6 mE = 200 GPa (aço)b × h = 20 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 1 md = 25 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 1 mE = 70 GPa (alumínio)d = 25 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 15 kN/mζ = 0,45m = 20 kg

Uma massa de 20 kg sobre uma mola com rigidez de 15 kN/m tem um amortecedor viscoso que dá um fator de amortecimento de 0,45. Encontre a frequência natural amortecida fd da sua vibração livre em Hz.

m = 20 kgk = 15 kN/mζ = 0,45
fd = Hz
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 40k2​ = 15m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 40 kN/m e a inferior k₂ = 15 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 40 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 7,257 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/157,1 = 4,775 N·m

Torque de saída

T2 = 4,775·40/25·0,95 = 7,257 N·m

Resposta

T2 = 7,257 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 2,192 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 = 2,48 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,6199 = 1,859, T₂ = 500/1,859 = 269 N

Potência

P = (500 − 269)·9,49 = 2,192 kW

Resposta

P = 2,192 kW
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 2,155 °

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) = 500·1000·1200/(26000·613592) = 0,03761 rad
φ = 0,03761·180/π = 2,155°

Resposta

φ = 2,155°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 21,04 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·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 20000/314,2 = 63,66 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 63,66 N·m = 63662 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,6⁴ = 0,8704
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·63662/(π·40·0,8704)) = 21,04 mm
di = 0,6·21,04 = 12,62 mm

Resposta

do = 21,04 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 20,09 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 45 °

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(2·20, 50 − 50) = 90°

Ângulo no elemento

θp = 45°

Resposta

θp = 45°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 61,55 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 = 10 + 70·0,1736 + 40·0,9848 = 61,55 MPa

Resposta

σθ = 61,55 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,04182 mm

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

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·9346 = 1,076 × 10⁹ N

Encurtamento

δ = 150000·300/1,076 × 10⁹ = 0,04182 mm

Resposta

δ = 0,04182 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,895 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·30²/4 = 706,9 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 99,03 MPa
σ2 = 222,8 MPa

Some os alongamentos dos trechos

δ1 = σ1L1/E1 = 99,03·1000/100000 = 0,9903 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 222,8·1000/117000 = 1,904 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,895 mm

Resposta

δ = 2,895 mm
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 2,924 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 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·6000 = 6000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/6000² = 2924 N = 2,924 kN

Resposta

Pcr = 2,924 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 6,747 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 2·1000 = 2000 mm
KL/r = 2000/6,25 = 320

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/320² = 6,747 MPa

Resposta

σcr = 6,747 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: fd = 3,892 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 = √(15000/20) = 27,39 rad/s
fn = 27,39/(2π) = 4,359 Hz

Frequência natural amortecida

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4,359·√(1 − 0,45²) = 3,892 Hz

Resposta

fd = 3,892 Hz
12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 10,91 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 = 1/40 + 1/15 → keq = 40·15/(40 + 15) = 10,91 kN/m

Resposta

keq = 10,91 kN/m

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