Projeto de Engenharia Mecânica

Projeto de Engenharia Mecânica

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Joseph E. Shigley (falecido em maio de 1994) Professor Emérito na Universidade de Michigan e membro da American Society of Mechanical Engineers (ASME), Shigley recebeu a medalha Worcester Reed Warner em 1977 e o Machine Design Award em 1985. É autor de oito livros, incluindo Theory of Machines and Mechanisms (com John J. Uicker, Jr.) e Applied Mechanics of Materials, além de co-editor-chefe do Standard Handbook of Machine Design. Em 1956, deu início a Machine Design como único autor, obra que evoluiu até resultar em Mechanical Engineering Design, definindo o modelo para tais livros-texto.

Foi também agraciado com os diplomas de B.S.M.E. e B.S.E.E., na Purdue University, e com o de M.S., na Universidade de Michigan.

Charles R. Mischke ocupou posições acadêmicas na Universidade do Kansas,-no Pratt Institute, em Nova York, e na Universidade de Iowa. Recebeu muitos prêmios relativos a ensino e bolsas de estudo, incluindo o Machine Design Award e o Life Fellow da ASME. Além de várias publicações de pesquisa, é autor de Elements of Mechanical Analysis (1963), Intwduction to Computer-Aided Design (1968), Mathematical Model Building (1980); co-autor de Mechanical Engineering Design (1986 e 2001); e co-editor-chefe do premiado Standard Handbook of Machine Design (1986 e 1993).

Foi também agraciado com os diplomas de B.S.M.E. e M.M.E., na Cornell University, e com o de

Ph.D., na Universidade de Wisconsin. É engenheiro profissional licenciado em Iowa e no Kansas e faz conferências, em vários fóruns, sobre tópicos de interesse mútuo.

Richard G. Budynas é professor de Engenharia Mecânica no Rochester Institute of Technology. Tem mais de 30 anos de experiência em ensino e no exercício de projetos de engenharia mecânica. É autor de Advanced Strength and Applied Stress Analysis, livro-texto recentemente revisto e publicado em segunda edição, e co-autor de um livro de referência, também recentemente revisto, Roark's Formulas for Stress and Strain, em sétima edição.

Projeto de engenharia mecânica / Joseph E„ Shigley, Charles R.

Mischke, Richard G. Budynas : tradução João Batista de Aguiar, Jose' Manoel de Aguiar. - 7. ed. - Porto Alegre : Bookman, 2005. 960 p.; 28 cm.

ISBN 978-85-363-0562-2

1, Engenharia mecânica. 2. Máquina - Desenho técnico. 3. Desenho técnico mecânico. I. Mischke, Charles R. I. Budynas, Richard G. I. Título.

S555p Shigley, Joseph E.

CDU 621 Catalogação na publicação: Júlia Angst Coelho - CRB Provisório 05/05

Josepfi E. Shigley Professor da University of Michigan

Charles R. Mischke Professor Emérito de Engenharia Mecânica da lowa State University

Richard G. Budynas Rochester (nstitute of Technology

7â Edição o

Tradução:

João Batista de Aguiar

Ph. D. em Engenharia Mecânica pelo Massachusetts Institute of Technology Professor da Escola Politécnica da USP

José Manoel de Aguiar

Ph. D. em Engenharia Mecânica pela Stanford University Professor de Engenharia Mecânica da Faculdade de Tecnologia de São Paulo - FatecSP

Reimpressão 2008

Obra originalmente publicada sob o título Mechanical Engineering Design, 7/e

© 2004, The McGraw-Hill Companies, Inc., New York, NY, EUA ISBN 0-07-252036-1

Capa: Mário Rõhnelt

Preparação do original: André Luiz de Godoy Vieira Leitura final: Sandra Waldez Andretta Supervisão editorial: Arysinha Jacques Affonso e Denise Weber Nowaczyk Editoração eletrônica: Laser House

Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED® EDITORA S. A.

(BOOKMAN® COMPANHIA EDITORA é uma divisão da ARTMED® EDITORA S.A.) Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070

É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora,

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SAC 0800 703-3444

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA 120010043549

IMPRESSO NO BRASIL PR1NTED IN BRAZIL

Às muitas pessoas que me incentivaram a crescer profissional e espiritualmente ao longo da vida, especialmente minha esposa, Joanne, e minha falecida mãe, Inez. Incluídos aí estão também muitos companheiros educadores, estudantes e projetistas a quem sou grato.

Richard G. Budynas

A todos os meus mais de 3.500 alunos, os quais me fizeram muitas e excelentes perguntas, aprenderam a fazê-las a si mesmos, e então a respondê-las, seguindo adiante, para orgulho de suas alma maters.

Charles R. Mischke

Agradeci rnentos

Esta edição contou com a assistência e os comentários e sugestões de muitos colegas. Gostaríamos de agradecer às seguintes pessoas:

Leonard L. Bashford, University ofNebraska David Beale, Auburn University P. Thomas Blotter, Utah State University Stephen Boedo, Rochester Institute of Technology Lawrence Carison, University of Colorado, Boitlcler Robert Corey, United States Naval Academy Jerry Fuh, National University ofSingapore

Vladimir Glozman, Califórnia State Polyteclmic University, Pomona Itzak Green, Geórgia Tech. University A. Henry Hagedoorn, University of Central Florida K. R. Halliday, Ohio University Antony Hodgson, University ofBritish Columbia Cecil Huey, Jr., Clemson University E. William Jones, Mississippi State University Tim Lee, McGill University Robert LeMaster, University ofTennessee

Liwei Lin, University of California-Berkeley Noah D. Manring, University of Missouri-Columbia David M. McStravick, Rice University Alan H. Nye, Rochester Institute of Technology Keith Nisbitt, University of Missouri-Rolla Mareia 0'Malley, Rice University Gordon Pennock, Purclue University R. E. Rowlands, University ofWisconsin

Kazuhiro Saitou, University ofMichigan Albert J. Shih, North Carolina State University Brian S. Thompson, Michigan State University Ng Heong Wah, Nanyang Technological University, Singapore

Agradecemos especialmente a Om Prakash Agrawal, da Southern Illinois University, e Vladimir Glozman. da Califórnia State Polytechnic University, Pomona, por sua ajuda na precisão do texto, e a Robert West. Reginald Mitchiner. Charles Knight (in memoriam), Shih-Liang (Sid) Wang, Elizabeth Kenyon e Edward Anderson, por seu auxílio nos recursos de texto do Centro de Aprendizagem Online.

refácio

Objetivos

Esta obra destina-se a todos aqueles que estão iniciando seus estudos de projeto de engenharia mecânica, servindo também como um livro básico de referência para engenheiros no exercício da profissão. Seus objetivos são:

• Abarcar os fundamentos do projeto de máquinas, incluindo itens como processo do projeto, engenharia mecânica e de materiais, prevenção de falha sob carregamento estático e variável e características dos principais tipos de elementos mecânicos.

• Oferecer uma abordagem prática do assunto, mediante exemplos e aplicações práticas. ® Incentivar os leitores a associar projeto e análise.

Abordagem Geral: Retomada dos Fundamentos

Esta sétima edição mantém e realça as características mais populares das edições anteriores, ao mesmo tempo em que deixa de fora alguns elementos não-essenciais. O alcance desta obra enfoca as principais tendências do projeto de máquinas, apresentando somente uma discussão moderada dos métodos estatísticos.

O texto enfatiza uma abordagem prática de cada tópico, com problemas concisos de projeto e exemplos ilustrando o processo de tomada de decisão.

O texto é acessível e direto, com muitos capítulos contendo uma discussão reduzida de tópicos avançados.

O Que Há de Novo Nesta Edição

Nossa meta para a sétima edição deste livro foi torná-la mais acessível aos leitores, no que diz respeito a conceitos-chave e procedimentos no projeto de máquinas. O texto contém muitas características novas e realçadas. Entre os pontos de interesse, destacam-se os seguintes:

• Cobertura prática do projeto cie máquinas básico. Tal cobertura foi simplificada, enfocando os tópicos mais importantes e que melhor se ajustam ao currículo típico de engenharia. Os leitores poderão identificar com maior facilidade o desenvolvimento dos conceitos principais.

• Cobertura aprimorada da engenharia mecânica e da prevenção de falhas. Uma discussão acentuada de tópicos-chave como fratura e fadiga é fornecida. Todos os tópicos são apresentados em ordem lógica, e a cobertura é condensada.

® Cobertura realçada do projeto de componente de máquina. Esta edição aprimora ainda mais a já bastante prática e qualificada cobertura anterior das considerações de projeto para as principais componentes de máquina.

o Série de problemas revista e ampliada. Os problemas anteriores foram atualizados e novos problemas foram acrescentados. Todos estão organizados de modo que se progrida do básico ao desafiador de forma consistente. Os problemas orientados à estatística foram reduzidos drasticamente, enfatizando a solução determinística dos problemas fundamentais de projeto.

Mudanças de Conteúdo e Reorganização

Todos os capítulos-chave foram reescritos e os tópicos, reorganizados, de modo a fornecer maior clareza e progresso lógico. O estilo do texto é direto, objetivando uma fácil compreensão. Alguns pontos relevantes são mencionados a seguir.

Parte 1: Fundamentos

A Parte 1 fornece uma introdução lógica e unificada ao projeto de máquinas. Os capítulos foram encurtados e enfocam nitidamente conceitos-chave, permitindo aos estudantes obter rapidamente um fundamento básico sobre a essência do assunto.

• Capítulo 1, Introdução. Atualizado com exemplos contemporâneos, com cobertura de ferramentas de projeto e recursos e com informações novas sobre como utilizar a Internet.

o Capítulo 2, Considerações estatísticas. Uma revisão geral autocontida de estatística que remete à abordagem vista nas edições anteriores (os exemplos básicos de estatística e os problemas foram drasticamente reduzidos nos capítulos subseqüentes).

e Capítulo 3, Materiais. Tratado como tópico de revisão e deslocado para adiante. Os tópicos avançados estão agora dispostos em capítulos nos quais materiais específicos são aplicados em projeto. Foi acrescentada a cobertura de compósitos.

® Capítulo 4, Carga e análise de tensão. Texto reescrito, apresentando uma melhor fluência e clareza. Há cobertura extra sobre carregamento em geral, bem como sobre equilíbrio, diagramas de corpo livre, força de cisalhamento, momentos flexores, funções de singularidade e vigas curvas.

® Capitulo 5, Deflexão e rigidez• Simplificado com uma cobertura clara e incluindo exemplos práticos de sobreposição, funções de singularidade e método de Castigliano.

Parte 2: Prevenção de Falha

Algumas das mais significativas melhorias desta edição podem ser encontradas na Parte 2, que agora destaca uma cobertura condensada, clara e concisa.

® Capítulo 6, Falhas resultantes de carregamento estático. Melhor organização em todo o capítulo e uma discussão a respeito de mecânica de fraturas - um tópico-chave.

• Capítulo 7, Falha de fadiga resultante de carregamento variável. Melhorias significativas foram feitas neste capítulo crucial. Agora, ele se desenvolve de maneira lógica, empregando uma abordagem determinística, desde os conceitos gerais sobre falha de carregamento variável até a discussão de tópicos como vida sob tensão, vida sob deformação e métodos de mecânica de fratura. Novas ilustrações foram acrescentadas, e os métodos estatísticos foram movidos para o final do capítulo.

Parte 3: Projeto de Elementos Mecânicos

A Parte 3 abarca o projeto de componentes de máquina específicas. A apresentação do material foi realçada para uma melhor fluência. Exemplos e problemas, novos e mais apropriados, foram acrescentados. A cobertura foi organizada e simplificada integralmente, tendo sido removida a maioria dos exemplos e problemas estatisticamente fundamentados. Os tópicos abrangidos são os seguintes:

• Capítulo 8, Parafusos, fixadores e projeto de junções não-permanentes • Capítulo 9, Soldagem, união e projeto de junções permanentes

• Capítulo 10, Molas mecânicas

• Capítulo 1, Mancais de contato rolante

• Capítulo 12, Lubrificcição e mancais de munhão • Capítulo 13, Engrenagens - geral

• Capítulo 14, Engrenagens retas e helicoidais

• Capítulo 15, Engrenagens cênicas e sem-fim

• Capitulo 16, Embreagens, freios, acoplamentos e volante

• Capítulo 17, Elementos mecânicos flexíveis ® Capítulo 18, Eixos rotativos e eixos fixos

PREFÁCIO ix

Ferramentas de Aprendizagem

Esta edição destaca muitos elementos que podem ajudar os estudantes a rapidamente entender e utilizar os conceitos de projeto de máquinas. As ferrarnentas-chave de aprendizagem são delineadas a seguir.

Introduções de capítulo. Cada capítulo abre com uma introdução que explica seus objetivos e a importância dos tópicos abordados. Exemplos solucionados. Cada capítulo contém diversos exemplos solucionados que esclarecem o material e ilustram os conceitos básicos. Problemas de fim de capítulo. Cada capítulo termina com uma série de problemas práticos que ajudam a reforçar o entendimento do material pelos estudantes. Uso extenso de material gráfico. Desenhos e fotografias são usados extensivamente em todos os capítulos, para ilustrar o material e ajudar os estudantes a visualizar conceitos e problemas.

Suplementos

Ferramentas do Centro de Aprendizagem

Nosso novo Centro de Aprendizagem Online* oferece várias ferramentas computacionais práticas para ajudar estudantes e instrutores a explorar e dominar os conceitos do projeto de máquinas. Os elementos-chave incluem o seguinte:

Suplementos dos Estudantes

• Tutoriais — Apresentação dos 10 principais conceitos, com visualização. Entre os tópicos abordados estão os seguintes: projeto de vaso de pressão, ajuste prensado e de contração, tensões de contato e projeto para falha estática.

® MATLAB® para projeto de máquinas. Inclui simulações visuais e acompanhadas de código-fonte.

Tais simulações estão ligadas a exemplos e problemas no texto, bem como demonstram maneiras como programas computacionais podem ser utilizados em projeto mecânico e análise.

• FEPC. Um programa de análise de elemento finito, bidimensional, que fornece aos leitores uma ferramenta fácil de empregar para entender o uso de FEA no projeto mecânico. Uma apostila sobre elementos fmitos explica o uso do programa e sua aplicação a problemas de projeto mecânico. Tutoriais adicionais de FEM provêem um exame mais detalhado das aplicações de FEA a situações de projeto de máquinas.

• Questões de exame dos fundamentos da engenharia (FE) para projeto de máquinas. Testes de engenharia relacionados ao projeto mecânico, com problemas interativos e soluções. Essas questões de múltipla escolha servem como problemas efetivos, de auto-avaliação, bem como para a preparação do exame de FE.

Suplemento dos Instrutores (com Senha de Proteção)**

• Manual de soluções. Um manual do instrutor com soluções para a maioria dos problemas de fim de capítulo que não são de projeto.

* N de R. Material exclusivamente em inglês disponível no site da editora original (w.mhhe.com). **N de R. Material disponível exclusivamente para professores. Solicitações podem ser encaminhadas para secretariaeditorial@artmed.com.br

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