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​ = 20N2​ = 40

Um motor de 1,1 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 20 dentes, que engrena com uma engrenagem de 40 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 1,1 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 40η = 98%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 32B = 50C = 45D = 48

Um motor de 15 kW a 960 rpm aciona a engrenagem A (32 dentes), que engrena com a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (45 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (48 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 15 kWnin = 960 rpmA = 32B = 50C = 45D = 48ηmesh = 95%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
T = 500 N·md = 30 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 = 500 N·md = 30 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
d = ?75 kW, 1000 rpm

Um eixo maciço de aço transmite 75 kW a 1000 rpm. A tensão de cisalhamento não pode passar de 75 MPa e a torção não pode passar de 0,75° por m de comprimento. Encontre o menor diâmetro d que atende aos dois limites.

P = 75 kWN = 1000 rpmτallow = 75 MPaθallow = 0,75°/mG = 80 GPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 160σy​ = −80τxy​ = 50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 160 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). Calcule o ângulo θp do eixo x até a direção da maior tensão principal, entre −90° e 90°.

σx = 160 MPaσy = −80 MPaτxy = 50 MPa
θp = °
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −10σy​ = 10τxy​ = 30MPa

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

σx = −10 MPaσy = 10 MPaτxy = 30 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 10 mmAço2 mP = 35 kN

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

P = 35 kNd = 10 mmL = 2 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø25120 GPaØ120/60500 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 120 MPa) está dentro de um tubo de cobre (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 120 GPa, tensão admissível 70 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 120 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 120 GPa, σallow = 70 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 m30 × 80 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 = 6 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 80 kNL = 6 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 80 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 80 kNn = 2L = 6 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 100 kN/mc = 850 N·s/mm = 80 kg

Uma massa de 80 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 100 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 850 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 80 kgk = 100 kN/mc = 850 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 12k2​ = 10m = 100 kg

Uma massa de 100 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 12 kN/m e a inferior k₂ = 10 kN/m. Encontre a rigidez equivalente keq do sistema de molas em kN/m.

m = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 10 kN/m
keq = kN/m

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 10,94 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 = 1100/100,5 = 10,94 N·m

Resposta

T1 = 10,94 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 224,4 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.

Velocidade de saída

nout = 960·(32/50)·(45/48) = 576 rpm
ωout = 2π·576/60 = 60,32 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 15000·0,95² = 13538 W
Tout = Pout/ωout = 13538/60,32 = 224,4 N·m

Resposta

Tout = 224,4 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 13,86 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 500·1000·1500/(39000·79522) = 0,2418 rad
φ = 0,2418·180/π = 13,86°

Resposta

φ = 13,86°
4.Torção de eixos

Resposta: d = 51,37 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·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 75000/104,7 = 716,2 N·m

Diâmetro pela resistência

T = 716,2 N·m = 716197 N·mm
dτ = ∛(16·716197/(π·75)) = 36,5 mm

Diâmetro pela rigidez

θ = 0,75·π/180/1000 = 1,309 × 10⁻⁵ rad/mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
dφ = (32·716197/(π·80000·1,309 × 10⁻⁵))1/4 = 51,37 mm

Diâmetro determinante

Os dois limites devem ser atendidos, então o maior diâmetro governa.

d = max(36,5, 51,37) = 51,37 mm

Resposta

d = 51,37 mm

Aqui a rigidez governa.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: θp = 11,31 °

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(2·50, 160 − −80) = 22,62°

Ângulo no elemento

θp = 11,31°

Resposta

θp = 11,31°

Ângulos positivos são no sentido anti-horário.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −26,94 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 = 0 + −10·0,766 + 30·−0,6428 = −26,94 MPa

Resposta

σθ = −26,94 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 4,456 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 35·1000/78,54 = 445,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for aço = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 445,6/200000 = 0,002228 = 2228 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,002228·2000 mm = 4,456 mm

Resposta

δ = 4,456 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 651 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

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·8482 = 1,116 × 10⁹ N

Deformação governante

ε = min(0,0006, 0,0005833) = 0,0005833 (cobre)

Maior carga

Pmax = 0,0005833·1,116 × 10⁹ = 651030 N = 651 kN

Resposta

Pmax = 651 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 13,82 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·6000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·180000/3000² = 13817 N = 13,82 kN

Resposta

Pcr = 13,82 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 87,81 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 = 2·80000 = 160000 N
KL = 1·6000 = 6000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·160000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 87,81 mm

Resposta

d = 87,81 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 273,3, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,1503

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·√(100000·80) = 5657 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 850/5657 = 0,1503

Resposta

ζ = 0,1503

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: keq = 5,455 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 = 1/12 + 1/10 → keq = 12·10/(12 + 10) = 5,455 kN/m

Resposta

keq = 5,455 kN/m

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