Prévia do material em texto
17/08/2018 1 Professor: Fernando Braga AULA 5 � Às vezes, o projeto de um eixo depende de restrição quantidade de rotação ou torção que pode ocorrer quando o eixo é submetido a um torque. � Saber calcular o ângulo de torção para um eixo é importante quando analisamos as reações em eixos estaticamente indeterminados. 17/08/2018 2 � Vamos desenvolver uma fórmula para determinar o ângulo de torção � de uma extremidade de um eixo em relação à sua outra extremidade. � Consideraremos que o eixo tem seção transversal circular que pode variar gradativamente ao longo de seu comprimento e que o material é homogêneo e se comporta de maneira linear elástica quando o torque é aplicado. � Utilizando a fórmula da deformação: � E a lei de Hooke escrita para cisalhamento: � O ângulo de torção é dado por: 17/08/2018 3 � Eixo de seção transversal circular com variação gradativa: � Eixo de seção transversal circular constante 17/08/2018 4 � Se o eixo for submetido a vários torques diferentes ou se a área da seção transversal ou o módulo de cisalhamento mudar abruptamente de uma região do eixo para a seguinte. Como sugestão deve-se aplicar a regra da mão direita para determinar o torque e ângulo positivos. Exercício 1 As engrenagens acopladas à extremidade fixa do eixo de aço estão sujeitas aos torques mostrados na figura. Se o módulo de elasticidade ao cisalhamento for 80 GPa e o eixo tiver diâmetro de 14 mm, determine o deslocamento do dente P da engrenagem A. O eixo gira livremente dentro do mancal em B. 17/08/2018 5 Exercício 2 Um eixo escalonado ABCD consistindo de segmentos circulares sólidos está submetido a três torques, como ilustrado na figura. Considere o material aço com módulo de cisalhamento G=80GPa. Determine: a) A tensão de cisalhamento máxima no eixo b) O ângulo de torção em graus na extremidade D. � Eixos cujas seções transversais não são circulares não são simétricos em relação às respectivas linhas centrais e, como a tensão de cisalhamento é distribuída de um modo muito complexo nas seções transversais, elas ficarão abauladas ou entortarão quando o eixo sofrer torção. 17/08/2018 6 � Distribuição de tensão em um eixo quadrado Os resultados da análise para seções transversais quadradas, triangulares e elípticas, mostram que a tensão de cisalhamento máxima ocorre em um ponto na borda da seção transversal mais próxima da linha central do eixo. � Eixos com seções transversais triangulares, elípticas e quadradas 17/08/2018 7 Exercício 3 O eixo de alumínio 6061-T6 mostrado na figura tem área de seção transversal na forma de um triângulo equilátero. Determine o maior torque T que pode ser aplicado na extremidade do eixo se a tensão de cisalhamento admissível for 56 MPa e o ângulo de torção na extremidade = 0,02 rad. � Vamos considerar um tubo de com área de seção transversal constante, não circular. Para a análise, consideraremos que as paredes têm espessura variável t. � Como elas são finas, poderemos obter uma solução aproximada para a tensão de cisalhamento considerando que essa tensão é uniformemente distribuída pela espessura do tubo. 17/08/2018 8 � Esquema proposto Em outras palavras, poderemos determinar a tensão de cisalhamento média no tubo em qualquer ponto dado. � Antes de definirmos uma fórmula para a tensão de cisalhamento média vamos, entender o conceito de fluxo de cisalhamento. � Vamos considerar um pequeno elemento de tubo de comprimento finito s e largura diferencial dx. 17/08/2018 9 � Em uma extremidade, o elemento tem espessura ta e na outra extremidade, a espessura é tb. Devido ao torque aplicado T, uma tensão de cisalhamento é desenvolvida na face frontal do elemento. Especificamente, na extremidade A, a tensão de cisalhamento é �A, e na extremidade B, é �B . � Estas tensões de cisalhamento equivalentes �A e �B também devem agir sobre as laterais longitudinais do elemento. � Visto que essas laterais têm espessuras constantes, as forças que agem sobre elas são dFA = �A (tadx) e dFB = �B (tBdx) . � O equilíbrio de força exige que essas forças sejam de igual valor, mas em direções opostas, de modo que �A ta= �B tB 17/08/2018 10 � Esse importante resultado afirma que o produto entre a tensão de cisalhamento longitudinal média e a espessura do tubo é a mesma em cada ponto na área de seção transversal do tubo. Esse produto é denominado de fluxo de cisalhamento. � Uma vez que q é constante na seção transversal, a maior tensão de cisalhamento média ocorrerá no local em que a espessura do tubo for a menor. � Tensão de cisalhamento média A tensão de cisalhamento média, �MED que age sobre a área sombreada dA=tds do elemento diferencial, mostrado pode ser relacionada com o torque T considerando-se o torque produzido pela tensão de cisalhamento em tomo de um ponto selecionado O no interior do limite do tubo. 17/08/2018 11 � Tensão de cisalhamento média A tensão de cisalhamento desenvolve uma força sobre o elemento que é dada por: O torque é dado por: Integrando o torque temos: Resolvendo a integral temos que: 17/08/2018 12 Onde: � �MED = tensão de cisalhamento média que age sobre a espessura do tubo � T = torque interno resultante na seção transversal, � t = espessura do tubo no local onde �MED deve � ser determinada � A = área média contida no contorno da linha m central da espessura do tubo Ângulo de Torção Se o material se comportar de modo linear elástico e G for o módulo de cisalhamento, então esse ângulo pode ser expresso pela seguinte fórmula: Nessa expressão, a integração deve ser executada em todo o contorno da área de seção transversal do tubo. 17/08/2018 13 Exercício 4: O tubo é feito de bronze C86100 e tem seção transversal retangular, como mostrado na figura. Se for submetido aos dois torques, determine a tensão de cisalhamento média no tubo nos pontos A e B. O tubo é fixo em E.