Projeto de Engenharia Mecânica

Projeto de Engenharia Mecânica

(Parte 2 de 9)

Sumário Resumido

Parte I Fundamentos 23

1 Introdução 25 2 Considerações Estatísticas 53 3 Materiais 85 4 Carga e Análise de Tensão 115 5 Deflexão e Rigidez 191

Parte I Prevenção de Falha 249

6 Falhas Resultantes de Carregamento Estático 251 7 Falha por Fadiga Resultante de Carregamento Variável 301

Parte I Projetos de elementos mecânicos 383

8 Parafusos, Fixadores e Projeto de Junções Não-Perrrianentes 385 9 Soldagem, União e Projeto de Junções Permanentes 447 10 Molas Mecânicas 489 1 Mancais de Contato Rolante 535 12 Lubrificação e Mancais de Munhão 577

13 Engrenagens - Geral 627

14 Engrenagens Cilíndricas de Dentes Retos e Engrenagens Cilíndricas Helicoidais 681

15 Engrenagens Cônicas e Sem-Fim 727 16 Embreagens, Freios, Acoplamentos e Volantes 765 1 7 Elementos Mecânicos Flexíveis 815 18 Eixos Rotativos e Eixos Fixos 863

Apêndice A Tabelas Úteis 899

B Respostas de Problemas Selecionados 949 índice 953

Sumário

Parte! Fundamentos 23

1 Introdução 25

1-1 Projeto 26

1-2 Projeto de Engenharia Mecânica 28 1-3 Interação entre os Elementos do Processo de

Projeto 31 1 -4 Ferramentas de Projeto e Recursos 34 1-5 Responsabilidades Profissionais do

Engenheiro de Projeto 35 1 -6 Códigos e Padronizações 37 1 -7 Economia 37 1 -8 Segurança e Responsabilidade do Produto 39

1-9 Avaliação de Adequação 39 1-10 Incerteza 40 1-1 Tensão e Resistência 41 1-12 Fator de Projeto e Fator de Segurança 4 1-13 Confiabilidade 45 1-14 Unidades e Unidades Preferenciais 46 1-15 Cálculos e Algarismos Significativos 48 PROBLEMAS 49

2 Considerações Estatísticas 53

2-1 Variáveis Aleatórias 54 2-2 Média Aritmética, Variância e Desvio-Padrão 56 2-3 Distribuições de Probabilidade 60 2-4 Propagação do Erro 67 2-5 Regressão Linear 69 2-6 Limites e Ajustes 71 2-7 Dimensões e Tolerâncias 75 PROBLEAAAS 78

3 Materiais 85

3-1 Resistência e Rigidez dos Materiais 86 3-2 Significado Estatístico das Propriedades dos

Materiais 89 3-3 Resistência e Trabalho a Frio 90 3-4 Dureza 93 3-5 Propriedades de Impacto 95 3-6 Efeitos da Temperatura 96 3-7 Sistemas de Numeração 97 3-8 Fundição em Areia 98 3-9 Moldagem em Casca 98 3-10 Fundição em Revestimento 9 3-1 1 Processo de Metalurgia do Pó 9 3-12 Processos de Trabalho a Quente 9 3-13 Processos de Trabalho a Frio 100 3-14 Tratamento Térmico do Aço 101 3-15 Aços de Liga 103

3-16 Aços Resistentes à Corrosão 104 3-17 Materiais de Fundição 105 3-18 Metais Não-Ferrosos 106 3-19 Plásticos 109 3-20 Materiais Compósitos 1 10 PROBLEMAS 1

4 Carga e Análise de Tensão 115

4-1 Equilíbrio e Diagramas de Corpo Livre 116 4-2 Força de Cisalhamento e Momentos Flexores em Vigas 1 19 4-3 Funções de Singularidade 1 20 4-4 Tensão 123 4-5 Componentes Cartesianas de Tensão 1 24 4-6 Círculo de Mohr para Tensão Plana 125 4-7 Tensão Tridimensional Geral 1 30 4-8 Deformação Elástica 1 31 4-9 Tensões Uniformemente Distribuídas 132

1 6 SUMÁRIO

4-10 Tensões Normais para Vigas em Flexão 133 4-1 Vigas com Secções Assimétricas 138 4-12 Tensões de Cisalhamento para Vigas em

Flexão 138 4-13 Torção 144 4-14 Concentração de Tensão 153 4-15 Tensões em Cilindros Pressurizados 155 4-16 Tensões em Anéis Rotativos 158 4-17 Ajustes por Pressão e por Contração 158 4-18 Efeitos da Temperatura 160 4-19 Vigas Curvas em Flexão 161 4-20 Tensões de Contato 168

4-21 Resumo 172 PROBLEMAS 172

5 Deflexão e Rigidez 191

5-1 Razões de Mola 192 5-2 Tração, Compressão e Torção 193 5-3 Deflexão por Flexão 193 5-4 Métodos de Deflexão de Viga 196 5-5 Determinação das Deflexões de Viga por

Superposição 197 5-6 Deflexões de Viga por Funções de

Singularidade 199 5-7 Energia de Deformação 203 5-8 Teorema de Castigliano 206 5-9 Deflexão de Membros Curvos 210 5-10 Problemas Estaticamente Indeterminados 214 5-1 Membros de Compressão - Geral 219 5-12 Colunas Longas com Carregamento

Central 221 5-13 Colunas de Comprimento Intermediário com

Carregamento Central 224 5-14 Colunas com Carregamento Excêntrico 224 5-15 Pilarete, ou Membros Curtos de Compressão 228 5-16 Choque e Impacto 230 5-17 Carregamento Aplicado Subitamente 231 PROBLEMAS 233

Parte I Prevenção de Falha 249

6 Falhas Resultantes de Carregamento Estático 251

6-1 Resistência Estática 252 6-2 Concentração de Tensão 258 6-3 Teorias de Falha 259

6-4 Teoria da Tensão Máxima de Cisalhamento para Materiais Dúcteis 260

6-5 Teoria da Energia de Distorção para

Materiais Dúcteis 261

6-6 Teoria de Coulomb-Mohr para Materiais

Dúcteis 267 6-7 Resumo das Falhas de Materiais Dúcteis 269 6-8 Teoria da Tensão Normal Máxima para

Materiais Frágeis 272 6-9 Modificações da Teoria de Mohr para

Materiais Frágeis 274 6-10 Resumo da Falha de Materiais Frágeis 276 6-1 Seleção de Critérios de Falha 277 6-12 Carregamento Estático ou Quase Estático em um Eixo 278 6-13 Introdução à Mecânica de Fratura 280

6-14 Análise Estocástica 289 PROBLEMAS 295

7 Falha por Fadiga Resultante de Carregamento Variável 301

7-1 Introdução à Fadiga em Metais 302

7-2 Abordagem da Falha por Fadiga em Análise e Projeto 303

7-3 Métodos da Vida sob Fadiga 309 7-4 Método da Vida sob Tensão 309 7-5 Método da Vida sob Deformação 311

7-6 Método da Mecânica de Fraturas Linear

Elástica 314 7-7 Limite de Resistência 31 7 7-8 Resistência à Fadiga 319 7-9 Fatores Modificadores do Limite de

Resistência 321

7-10 Concentração de Tensão e Sensibilidade a Entalhe 328

7-1 Caracterização de Tensões Flutuantes 336 7-12 Critérios de Falha por Fadiga sob Tensões

Flutuantes 338

7-13 Resistência à Fadiga Torcional sob Tensões

Flutuantes 352 7-14 Combinações de Modos de Carregamento 352 7-15 Tensões Flutuantes e Variáveis; Dano

Cumulativo de Fadiga 355 7-16 Resistência à Fadiga de Superfície 360 7-17 Análise Estocástica 363 PROBLEMAS 376 RESUMO DAS PARTES 1 E 2 382

SUMÁRIO 15

Parte I Projetos de elementos mecânicos 383

8 Parafusos, Fixadores e Projeto de Junções Não-Permanentes 385

8-1 Padrões de Rosca e Definições 386 8-2 Mecânica dos Parafusos de Potência 387 8-3 Fixadores Rosqueados 397 8-4 Junções - Rigidez de Fixadores 398 8-5 Junções - Rigidez de Membro 402 8-6 Resistência de Parafuso de Porca 405 8-7 Junções de Tração - Carga Externa 407 8-8 Relacionando o Torque à Tração de Parafuso de Porca 409

8-9 Junção de Tração Carregada Estaticamente com Pré-Carga 412

8-10 Junções de Gaxeta 415

8-1 Carregamento de Fadiga de Junções de Tração 415

8-12 Junções de Cisalhamento 421 8-13 Parafusos de Retenção 426 8-14 Chavetas e Pinos 427

8-15 Considerações Estocásticas 433 PROBLEMAS 434

9 Soldagem, União e Projeto de Junções Permanentes 447

9-1 Símbolos de Soldagem 448 9-2 Soldas de Topo e Filete 450 9-3 Tensões em Junções Soldadas sob Torção 453 9-4 Tensões em Junções Soldadas sob Flexão 458 9-5 Resistência de Junções Soldadas 460 9-6 Carregamento Estático 463 9-7 Carregamento de Fadiga 466 9-8 Soldagem de Resistência 468 9-9 Junções Rebitadas e Parafusadas com Porcas Carregadas em Cisalhamentoó 469

9-10 União por Adesivos 473 PROBLEMAS 480

10 Molas Mecânicas 489

10-1 Tensões em Molas Helicoidais 490 10-2 Efeito de Curvatura 491 10-3 Deflexão de Molas Helicoidais 492

10-4 Molas de Compressão 492 10-5 Estabilidade 493 10-6 Materiais de Mola 494 10-7 Projeto de Molas Helicoidais de Compressão para Serviço Estático 499

10-8 Freqüência Crítica de Molas Helicoidais 504

10-9 Carregamento de Fadiga de Molas Helicoidais de Compressão 506

10-10 Projeto de Molas Helicoidais de Compressão para Carregamento de Fadiga 509

10-1 Molas de Extensão 512 10-12 Molas de Torção de Espiras Helicoidais 519 10-13 Molas Belleville 526 10-14 Molas Diversas 526

10-15 Resumo 528 PROBLEMAS 528

1 Mancais de Contato Rolante 535

1-1 Tipos de Mancais 536 1-2 Vida do Mancai 538

1-3 Carga e Vida do Mancai na Confiabilidade

Especificada 539 1-4 Sobrevivência do Mancai: Confiabilidade versus Vida 541 1-5 Relacionando Carga, Vida e Confiabilidade 542 1-6 Carregamento Combinado Radial e Axial 544 1-7 Carregamento Variável 548 1-8 Seleção de Mancais de Esferas e Rolos

Cilíndricos 552 1-9 Seleção de Mancais de Rolos Cônicos 554

1-10 Avaliação do Projeto para Mancais Selecionados de Contato Rolante 565

1-1 Lubrificação 569

1-12 Montagem e Recinto 569 PROBLEMAS 573

12 Lubrificação e Mancais de Munhão 577

12-1 Tipos de Lubrificação 578 12-2 Viscosidade 579

12-3 Equação de Petroff 580 12-4 Lubrificação Estável 582 12-5 Lubrificação de Filme Espesso 583 12-6 Teoria Hidrodinâmica 583

1 6 SUMÁRIO

12-7 Considerações de Projeto 588

12-8 As Relações das Variáveis 589

12-9 Condições de Estado Permanente em Mancais Autocontidos 602

12-10 Folga Ó05 12-1 Mancais de Alimentação por Pressão óOó 12-12 Cargas e Materiais 612 12-13 Tipos de Mancai 614 12-14 Mancais de Empuxo ó 15

12-15 Mancais de Contorno Lubrificado 61 ó PROBLEMAS 623

13 Engrenagens - Geral 627

13-1 Tipos de Engrenagens 628 13-2 Nomenclatura Ó29 13-3 Ação Conjugada 630 13-4 Propriedades da Evolvente 631 13-5 Fundamentos 632 13-6 Razão de Contato 637 13-7 Interferência <538

13-8 Fabricação de Dentes de Engrenagens 640 13-9 Engrenagens Cônicas de Dentes Retos 643

13-10 Engrenagens Helicoidais de Eixos Paralelos 643

13-1 Engrenagens Sem-Fim 647 13-12 Sistemas de Dentes3 648 13-13 Trens de Engrenagens 650

13-14 Análise de Força - Engrenagens Cilíndricas de Dentes Retos 655 13-15 Análise de Força - Engrenagens

Cônicas 658 13-16 Análise de Força - Engrenagens

Helicoidais 661 13-17 Análise de Força - Engrenagens Sem-Fim 663

PROBLEMAS 668

14 Engrenagens Cilíndricas de

Dentes Retos e Engrenagens Cilíndricas Helicoidais 681

14-1 Equação de Flexão de Lewis 682 14-2 Durabilidade Superficial 690 14-3 Equações de Tensão AGMA 692 14-4 Equações de Resistência AGMA 693

14-5 Fatores Geométricos I e J (Zl e YJ) 697 14-6 Coeficiente Elástico Cp (ZE) 701

14-7 Fator Dinâmico Kv 701 14-8 Fator de Sobrecarga Ko 703 14-9 Fator de Condição de Superfície Cf (ZR) 703 14-10 Fator de Tamanho Ks 704 14-1 Fator de Distribuição de Carga Km (KH) 705 14-12 Fator de Razão de Dureza CH 706 14-13 Fatores de Vida para Ciclagem de Tensão YN e ZN 707 14-14 Fator de Confiabilidade KR (YZ) 708 14-15 Fator de Temperatura KT (Yq) 709 14-16 Fator de Espessura de Borda KB 709 14-17 Fatores de Segurança SF e SH 709 14-18 Análise 710

14-19 Projeto de um Par de Engrenagens 719 PROBLEMAS 724

15 Engrenagens Cônicas e Sem-Fim 727

15-1 Engrenagens Cônicas - Geral 728

15-2 Tensões e Resistências em Engrenagens Cônicas 729

15-3 Fatores para Equação AGMA 733 15-4 Análise de Engrenagens Cônicas de Dentes

Retos 744 15-5 Projeto de um Conjunto de Engrenagens

Cônicas de Dentes Retos 747 15-6 Engrenagens Sem-Fim - Equação AGMA 750 15-7 Análise de Engrenagens Sem-Fim 753 15-8 Projeto de um Par Sem-Fim 757

15-9 Carga de Desgaste de Buckingham 760 PROBLEMAS 761

16 Embreagens, Freios, Acoplamentos e Volantes 765

16-1 Análise Estática de Embreagens e Freios 766

16-2 Embreagens e Freios de Aro Interno Expansível 771

16-3 Embreagens e Freios de Aro Externo

Contrátil 779 16-4 Embreagens e Freios de Cinta 783 16-5 Embreagens Axiais de Contato

Friccional 784 16-6 Freios de Disco 787 16-7 Embreagens de Cone e Freios 791

16-8 Considerações de Energia 793

16-9 Elevação de Temperatura 795 16-10 Materiais de Fricção 798

16-1 Embreagens e Acoplamentos Diversos 800 16-12 Volantes 802 PROBLEMAS 807

17 Elementos Mecânicos Flexíveis 815

17-1 Correias 816

17-2 Transmissões de Correias Planas eRedondas 819

17-3 Correias em V 834 17-4 Correias de Tempo 841 17-5 Corrente de Rolos 842 17-6 Corda de Fio 849 17-7 Eixos Flexíveis 856 PROBLEMAS 857

SUMÁRIO 17

18 Eixos Rotativos e Eixos Fixos 863

18-1 Visão Geral 864 18-2 Restrições Geométricas 869 18-3 Restrições de Resistência 874 18-4 Restrições de Resistência - Métodos

Adicionais 881 18-5 Materiais de Eixo 884 18-6 Eixos Vazados 885 18-7 Velocidades Críticas 885 18-8 Projeto de Eixo 891 PROBLEMAS 892

Apêndice

A Tabelas Úteis 899

B Respostas de Problemas Selecionados 949 índice 953

Lista de Símbolos

Esta é urna lista dos símbolos comuns utilizados em projeto de máquinas e também neste livro. Sua utilização em situações mais específicas pode exigir o uso de sobrescritos e subscritos, porém apresentaremos apenas a parte essencial de cada símbolo, visando a facilitar a consulta. Veja a Tabela 14-1 (p. 683-684) para os símbolos de engrenagem reta e helicoidal, e a Tabela 15-1 (p. 731-733) para os símbolos de engrenagem cênica.

A Área, coeficiente A Variante de área a Distância, constante de regressão â Estimativa de constante de regressão a Variante de distância B Coeficiente Bhn Dureza Brinell B Variante b Distância, parâmetro de forma de Weibull, número de intervalo, constante de regressão, largura $ Estimativa de constante de regressão b Variante de distância C Classificação básica de carga, constante de junção parafusada, distância de centro, coeficiente de variação, condição de extremidade de coluna, fator de correção, capacidade específica de calor, índice de mola c Distância, amortecimento viscoso, coeficiente de velocidade CDF Função cumulativa de distribuição COV Coeficiente de variação c Variante de distância

D Diâmetro de hélice d Diâmetro, distância E Módulo de elasticidade, energia, erro e Distância, excentricidade, eficiência, base de logaritmo neperiano F Força, dimensão fundamental de força / Coeficiente de fricção, freqüência, função fom Figura de mérito G Módulo elástico de torção g Aceleração decorrente da gravidade, função H Calor, potência

HB Dureza Brinell HRC Escala C de dureza Rockwell h Distância, espessura de filme fiCR Coeficiente combinado global de transferência de calor de convecção e radiação I Integral, impulso linear, momento de massa de inércia, segundo momento de área i índice i Vetor unitário na direção x J Equivalente mecânico de calor, segundo momento polar de área, fator de geometria j Vetor unitário na direção y K Fator de serviço, fator de concentração de tensão, fator aumentador de tensão, coeficiente de torque k Fator modificante do limite de resistência de Marin, razão de mola

20 LISTA DE SÍMBOLOS k Variante de k, vetor unitário na direção z L Comprimento, vida, dimensão fundamental de comprimento LN Distribuição lognormal / Comprimento

M Dimensão fundamental de massa, momento M Vetor de momento, variante de momento m Massa, inclinação, expoente de enrijecimento por deformação N Força normal, número, velocidade rotacional N Distribuição normal n Fator de carga, velocidade rotacional, fator de segurança nd Fator de projeto P Força, pressão, passo diametral

PDF Função de densidade de probabilidade

P Passo, pressão, probabilidade Q Primeiro momento de área, força imaginária, volume q Carga distribuída, sensibilidade a entalhe R Raio, força de reação, confiabilidade, dureza Rockwell, razão de tensão

R Vetor de força de reação r Coeficiente de correlação, raio r Vetor de distância

S Número de Sommerfeld, resistência S Variante de S s Distância, desvio-padrão de amostra, tensão T Temperatura, tolerância, torque, dimensão fundamental de tempo

T Vetor de torque, variante de torque t Distância, estatística da distribuição t-student, tempo, tolerância U Energia de deformação u Distribuição uniforme u Energia de deformação por unidade de volume V Velocidade linear, força de cisalhamento V Velocidade linear

W Fator de trabalho a frio, carga, peso w Distribuição de Weibull w Distância, lacuna, intensidade de carga w Vetor de distância X Coordenada, número trancado X Coordenada, valor verdadeiro de um número, parâmetro de Weibull X Variante de x Y Coordenada y Coordenada, deflexão y Variante de y z Coordenada, módulo de secção, viscosidade z Desvio-padrão da distribuição normal unitária z Variante de z

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