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​ = 72

Um motor de 1,1 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 20 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 = 1,1 kWn1 = 1500 rpmN1 = 20N2 = 72η = 95%
T1 = N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 40C = 12D = 30

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (40 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (30 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 15B = 40C = 12D = 30
nout = rpm
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 40 mmd2​ = 30 mmT = 400 N·mABC1,2 m2 m

Um eixo maciço escalonado de aço está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 40 mm e comprimento 1,2 m; o trecho BC tem diâmetro 30 mm e comprimento 2 m. Um torque de 400 N·m atua na extremidade livre C. Encontre a tensão de cisalhamento máxima τmax no eixo.

T = 400 N·md1 = 40 mm, L1 = 1,2 md2 = 30 mm, L2 = 2 m
τmax = MPa
4.Torção de eixosDifícil
Td = ?

Um eixo maciço deve transmitir 30 kW a 1800 rpm sem que a tensão de cisalhamento passe de 50 MPa. Encontre o menor diâmetro d que funciona.

P = 30 kWN = 1800 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 110σy​ = 70τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 110 MPa, σᵧ = 70 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 110 MPaσy = 70 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = −20σy​ = −10τxy​ = −50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = −20 MPa, σᵧ = −10 MPa e τₓᵧ = −50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 35° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = −20 MPaσy = −10 MPaτxy = −50 MPaθ = 35°
σθ = MPa
7.Tensão e deformação axialMédia
Ø 16 mmLatão3 mP = 15 kN

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

P = 15 kNd = 16 mmL = 3 mE = 100 GPa
δ = mm
8.Tensão e deformação axialDifícil
60 kN12500 mm200 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 25 mm, comprimento 500 mm, E = 200 GPa) e um trecho de cobre (diâmetro 40 mm, comprimento 200 mm, E = 120 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 60 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø40 mm, 200 mm, E = 120 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 6 m50 × 60 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 6 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 105 kNL = 1,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 105 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 105 kNn = 3L = 1,5 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
11.Vibrações mecânicasMédia
tx30 mm4 ciclos6,6 mm

Em um ensaio de vibração livre de um sistema massa–mola amortecido, um pico de deslocamento de 30 mm é seguido, 4 ciclos depois, por um pico de 6,6 mm. Encontre o fator de amortecimento ζ.

x0 = 30 mmx4 = 6,6 mmn = 4
ζ =
12.Vibrações mecânicasDifícil
k1​ = 100k2​ = 50m = 10 kg

Uma massa de 10 kg está pendurada em duas molas ligadas uma após a outra (em série): a mola superior tem k₁ = 100 kN/m e a inferior k₂ = 50 kN/m. Despreze o amortecimento e as massas das molas. Encontre a frequência natural fn da vibração vertical em Hz.

m = 10 kgk1 = 100 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Soluções

1.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 7,003 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 = 1100/157,1 = 7,003 N·m

Resposta

T1 = 7,003 N·m
2.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 217,5 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 = 1450·15/40 = 543,8 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 543,8·12/30 = 217,5 rpm

Resposta

nout = 217,5 rpm

relação total = 6,667 : 1

3.Torção de eixos

Resposta: τmax = 75,45 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.

Tensão em cada trecho

T = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
τBC = 16·400000/(π·30³) = 75,45 MPa

Resposta

τmax = 75,45 MPa
4.Torção de eixos

Resposta: d = 25,31 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·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 30000/188,5 = 159,2 N·m

Diâmetro a partir da tensão admissível

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·159155/(π·50)) = 25,31 mm

Resposta

d = 25,31 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

5.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 53,85 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.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((110 − 70)/2)² + −50²) = 53,85 MPa

Resposta

τmax = 53,85 MPa
6.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −63,69 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 = −15 + −5·0,342 + −50·0,9397 = −63,69 MPa

Resposta

σθ = −63,69 MPa
7.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 2,238 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·16²/4 = 201,1 mm²
σ = P/A = 15·1000/201,1 = 74,6 MPa

Deformação (lei de Hooke)

E for latão = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 74,6/100000 = 0,000746 = 746 µε

Alongamento

δ = ε·L = 0,000746·3000 mm = 2,238 mm

Resposta

δ = 2,238 mm
8.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 37,88 MPa

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.

Rigidezes

k₁ = 200000·490,9/500 = 196350 N/mm
k₂ = 120000·1257/200 = 753982 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 60000·753982/950332 = 47603 N

Tensão

σ2 = 47603/1257 = 37,88 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 37,88 MPa
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 24,48 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/4200² = 24478 N = 24,48 kN

Resposta

Pcr = 24,48 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 73,55 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 = 3·105000 = 315000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·315000·3000²/(π³·200000))^(1/4) = 73,55 mm

Resposta

d = 73,55 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 163,2, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

11.Vibrações mecânicas

Resposta: ζ = 0,06014

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 = (1/4)·ln(30/6,6) = 0,3785

Fator de amortecimento

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,3785/√(39,48 + 0,1433) = 0,06014

Resposta

ζ = 0,06014
12.Vibrações mecânicas

Resposta: fn = 9,189 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 em série compartilham a mesma força e somam suas deflexões, então se combinam pelos inversos: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/100 + 1/50 → keq = 100·50/(100 + 50) = 33,33 kN/m

Frequência natural

ωn = √(33333/10) = 57,74 rad/s
fn = 57,74/(2π) = 9,189 Hz

Resposta

fn = 9,189 Hz

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