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​ = 48N2​ = 72

Um motor de 15 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 48 dentes, que engrena com uma engrenagem de 72 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 48N2 = 72η = 96%
T2 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 25B = 80C = 12D = 25

Um motor de 7,5 kW a 960 rpm aciona a engrenagem A (25 dentes), que engrena com a engrenagem B (80 dentes). A engrenagem C (12 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 7,5 kWnin = 960 rpmA = 25B = 80C = 12D = 25ηmesh = 97%
Tout = N·m
3.Torção de eixosMédia
do​ = ?T = 750 N·m

Um eixo vazado deve suportar um torque de 750 N·m. Seu diâmetro interno deve ser 0,7 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

T = 750 N·mdi/do = 0,7τallow = 75 MPa
do = mm
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?50 kW, 300 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 50 kW a 300 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,5 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 75 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 50 kWN = 300 rpmdi/do = 0,5τallow = 75 MPa
do = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 40σy​ = 120τxy​ = −40MPa

Um ponto de uma placa fina está em estado plano de tensão: σₓ = 40 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = −40 MPa, com σz = 0. Encontre a tensão de cisalhamento máxima absoluta τabs no ponto (considerando todos os planos em três dimensões).

σx = 40 MPaσy = 120 MPaτxy = −40 MPaσz = 0
τabs = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −20σy​ = 30τxy​ = 50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −20 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 25° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −20 MPaσy = 30 MPaτxy = 50 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmCobre0,5 mP = 70 kN

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

P = 70 kNd = 16 mmL = 0,5 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø2070 GPaØ80/60800 mm

Uma haste de aço (diâmetro 20 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 160 MPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 70 GPa, tensão admissível 50 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 70 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 60 mmseção transversal

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

L = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 2,5 md = 20 mmseção transversal

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

L = 2,5 mE = 200 GPa (aço)d = 20 mm
σcr = MPa
11.Vibrações mecânicasMédia
k = 2 kN/mc = 80 N·s/mm = 2 kg

Uma massa de 2 kg é sustentada por uma mola com rigidez de 2 kN/m e por um amortecedor viscoso com coeficiente de amortecimento de 80 N·s/m. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 2 kgk = 2 kN/mc = 80 N·s/m
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 10k2​ = 30k3​ = 12m = 40 kg

Uma massa de 40 kg está pendurada na mola k₃ = 12 kN/m. O topo de k₃ está preso a uma barra rígida que está pendurada em duas molas lado a lado, k₁ = 10 kN/m e k₂ = 30 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 = 40 kgk1 = 10 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 137,5 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 = 15000/157,1 = 95,49 N·m

Torque de saída

T2 = 95,49·72/48·0,96 = 137,5 N·m

Resposta

T2 = 137,5 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 468 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·(25/80)·(12/25) = 144 rpm
ωout = 2π·144/60 = 15,08 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 7500·0,97² = 7057 W
Tout = Pout/ωout = 7057/15,08 = 468 N·m

Resposta

Tout = 468 N·m
3.Torção de eixos

Resposta: do = 40,62 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.

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 750 N·m = 750000 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·750000/(π·75·0,7599)) = 40,62 mm
di = 0,7·40,62 = 28,43 mm

Resposta

do = 40,62 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 37,07 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

4.Torção de eixos

Resposta: do = 48,67 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 50000/31,42 = 1592 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 1592 N·m = 1,592 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·1,592 × 10⁶/(π·75·0,9375)) = 48,67 mm
di = 0,5·48,67 = 24,33 mm

Resposta

do = 48,67 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 47,63 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τabs = 68,28 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. Em três dimensões a tensão de cisalhamento máxima absoluta é (σmax − σmin)/2 considerando as três tensões principais; no estado plano de tensão a terceira é zero.

στxyCσ1​σ2​

Tensões principais no plano

C = 80 MPa, R = √((−40)² + (−40)²) = 56,57 MPa
σ1 = 136,6 MPa, σ2 = 23,43 MPa, σz = 0

O maior dos três círculos

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(113,1, 136,6, 23,43)/2 = 68,28 MPa

Resposta

τabs = 68,28 MPa

Aqui o círculo fora do plano governa: o máximo absoluto é maior que o máximo no plano R.

6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 27,23 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 = 5 + −25·0,6428 + 50·0,766 = 27,23 MPa

Resposta

σθ = 27,23 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: ε = 2976 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 70·1000/201,1 = 348,2 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 348,2/117000 = 0,002976 = 2976 µε

Resposta

ε = 2976 µε
8.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 154,8 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·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 70·10³·2199 = 2,168 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0008, 0,0007143) = 0,0007143 (alumínio)

Maior carga

Pmax = 0,0007143·2,168 × 10⁸ = 154836 N = 154,8 kN

Resposta

Pmax = 154,8 kN
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 558,1 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·636173/1500² = 558113 N = 558,1 kN

Resposta

Pcr = 558,1 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 16,11 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·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,7·2500 = 1750 mm
KL/r = 1750/5 = 350

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/350² = 16,11 MPa

Resposta

σcr = 16,11 MPa
11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,6325

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·√(2000·2) = 126,5 N·s/m

Fator de amortecimento

ζ = c/cc = 80/126,5 = 0,6325

Resposta

ζ = 0,6325

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

12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 2,418 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 = 10 + 30 = 40 kN/m
keq = 40·12/(40 + 12) = 9,231 kN/m

Frequência natural

ωn = √(9231/40) = 15,19 rad/s
fn = 15,19/(2π) = 2,418 Hz

Resposta

fn = 2,418 Hz

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