Fundamentos Para o Projeto de Componentes de Maquinas

Fundamentos Para o Projeto de Componentes de Maquinas

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Prof. Dr. Perrin Smith Neto

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Prof. Dr. Perrin Smith Neto

Departamento de Engenharia Mecânica Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Instituto Politécnico da Universidade Católica Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

PREFÁCIO DA 1A EDIÇÃO

Durante mais de 30 anos temos tido contato com os alunos do curso de engenharia mecânica de diferentes Universidades Brasileiras como Universidade Federal de Minas Gerais, Universidade Federal de Uberlândia, Universidade de São Paulo, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, do Paraná e de Minas Gerais. Atualmente estamos lecionando a disciplina Elementos de Máquinas para o curso de Engenharia Mecânica e Mecatrônica da PUC-Minas. Todos os alunos se queixam da falta de um bom livro texto nesta área em português. Também sentem dificuldades entre a ligação da teoria que aprendem na Universidade e a prática profissional. O impacto que a disciplina Elementos de Máquinas causa é muito grande, e, inúmeras vezes, vemos a necessidade de realizar um grande esforço para que a impressão de nulidade na disciplina não marque irremediavelmente o aluno que se inicia na matéria. Para o dimensionamento dos elementos de máquinas, que é uma aplicação contínua das teorias estudadas em Resistência dos Materiais, Mecânica dos Sólidos, Comportamento Mecânico dos Materiais, Mecânica Racional, sentem-se os alunos perdidos, dentro de um campo imenso de possibilidades, obrigados a tomar decisões, e a definir um campo imenso de possibilidades, uma situação particular, sem que se sintam com pleno domínio daquelas teorias. O clamor é geral, e por isso, marca realmente o ponto: falta para os estudantes de engenharia mecânica, a parte prática neste campo de engenharia. Alguns tópicos, por deficiência dos programas, são tratados superficialmente sem uma objetividade necessária, como a Fadiga e a Concentração de tensões. Dentro da técnica moderna é impossível diminuir a importância destes assuntos. São básicos, essenciais. O dimensionamento de uma peça de máquina exige em profundidade aquilo que foi dado superficialmente na sala de aula. E fica então o aluno, com aquele sentimento de frustração a que se referiu no inicio.

Incentivados por nossos ex-alunos e colegas das Universidades, com o intuito de melhor prepará-los para aplicações reais, estamos apresentando o resultado do trabalho que denominamos Fundamentos para o Projeto de Componentes de Máquinas. Neste livro pretendemos enfocar na primeira parte os fundamentos do projeto de engenharia mecânica, características mecânicas dos materiais, dimensionamento estático e dinâmico incluindo conceitos de fadiga e concentração de tensões. Na parte de aplicações nos deteremos na análise de parafusos de união, soldagem, molas, lubrificação e mancais de deslizamento, mancais de rolamentos, engrenagens cilíndricas, eixos e árvores de transmissão, freios e embreagens e elementos flexíveis de transmissão como correias, correntes e cabos de aço.

Durante estes anos de ensino superior, pudemos desenvolver junto com os alunos, vários exercícios com utilização de softwares utilizando linguagens conhecidas dos alunos tipo C++, Fortran, Pascal, etc. Com isto pretendemos neste volume apresentar não somente um resumo da teoria, mas também alguns exercícios sob a forma de aplicativos, desenvolvidos para utilização dos conceitos adquiridos no conteúdo da disciplina. Durante vários anos ministrando a disciplina Elementos de Máquinas, desenvolvemos, orientando os alunos, os seguintes softwares:

• Vigas-Diagramas de momentos fletores, diagramas de cargas cisalhantes.

• Resistência dos Materiais-cálculo de momentos de polar de inércia, centros de gravidade para várias seções.

• Círculo de Mohr - determinação numérica e gráfica no estado plano e tridimensional das tensões máximas normais e cisalhantes, conhecidas as tensões atuantes.

• Calculo da resistência à fadiga de elementos de máquinas em função do tamanho, acabamento, temperatura, concentração de tensões.

• Cálculo do dimensionamento de parafusos de potência, parafusos de união em vasos de pressão.

• Cálculo do dimensionamento do filete de solda para cargas de flexão ou torção.

• Dimensionamento de eixos e árvores para carregamento estático e dinâmico.

• Dimensionamento de mancais hidrodinâmicos.

• Dimensionamento de engrenagens cilíndricas retas e helicoidais.

• Seleção de Correias planas e trapezoidais utilizando catálogos de fabricantes.

• Seleção de correntes e cabos de aço.

O objetivo de acrescentar estes programas é de facilitar ao leitor uma visualização dos conceitos de forma mais prática e moderna. Portanto, a idéia do livro é a de um documento eletrônico para uma análise computacional dos projetos a serem desenvolvidos durante o aprendizado.

Agradecemos aos nossos alunos e ex-alunos pelo incentivo que nos deram e ainda nos dão, a eles dedicamos esta obra. Agradecimentos em especial à Pontifícia Universidade Católica pelo privilégio de como professor titular na graduação e no mestrado de engenharia mecânica ter recebido todo o apoio necessário à realização desta obra. As críticas e sugestões serão sempre bem aceitas, e de antemão, as agradecemos. Também não poderia de deixar de agradecer ao apoio recebido das Coordenações de Engenharia Mecânica e Mecatrônica e principalmente do Mestrado de Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Gostaria de poder receber de toda a comunidade acadêmica de engenharia , sugestões e críticas para aperfeiçoamento e melhoria desta primeira edição. Solo Dei Gloria.

Prof. Dr.Perrin Smith Neto Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Belo Horizonte, Fevereiro de 2005

Índice

ENERGIA DE DEFORMAÇÃO37

2.6 - LEIS DE TENSÃO - DEFORMAÇÃO LINEAR E

CAPÍTULO 03 - CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DOS

CAPÍTULO 04 - CARREGAMENTO DINÂMICO - FADIGA E

FLEXÃO E TORÇÃO133
DIVERSAS MASSAS152
6.2 - LUBRIFICANTES168
6.4 - CLASSIFICAÇÃO DOS MANCAIS170
6.8 - MECANISMOS DA LUBRIFICAÇÃO174
6.10 - SUPERFÍCIES DOS MANCAIS178
6.15 - RELAÇÕES GEOMÉTRICAS EM UM MANCAL COM FOLGA183
6.17 - MANCAL IDEAL186
6.18 - ESPESSURA MÍNIMA PERMISSÍVEL DO FILME DE ÓLEO187
6.19 - CÁLCULO DE MANCAIS PARA REGIME DE ATRITO FLUIDO187
6.23 - MANCAIS ÓTIMOS190
6.24 - TAXA DE FOLGA191
6.25 - RELAÇÃO ENTRE O COMPRIMENTO E O DIÂMETRO191
EM UM MANCAL E PERDA DEVIDA AO ATRITO192
6.27 - FLUXO DE LUBRIFICANTE ATRAVÉS DE UM MANCAL194
6.28 - CALOR LEVADO PELO ÓLEO195
6.29 - DISSIPAÇÃO DE CALOR DO MANCAL196
6.30 - MATERIAIS USADOS NOS MANCAIS199
6.31 - CONSTRUÇÃO DOS MANCAIS200
6.32 - MANCAIS DE ESCORA200

CAPÍTULO 10 - TIPOS DE ENGRENAGENS E RELAÇÕES CINEMÁTICAS _ 307

APÊNDICE432

CAPITULO 01 - INTRODUÇÃO

1.1 - INTRODUÇÃO

A essência da engenharia é a utilização dos recursos e leis da natureza para beneficiar a humanidade. Projetar uma residência com todos os detalhes é um exemplo desta utilização. A Engenharia é uma ciência aplicada, no sentido que está relacionada com entendimento de princípios científicos e sua aplicação para obtenção do alvo desejado.

máquinas de todos os tipos

O projeto de engenharia mecânica é um segmento maior da engenharia: ele se relaciona com o conceito, projeto, desenvolvimento, refinamento e aplicação de maquinas e elementos de

são capazes de desenvolver melhores soluções para os problemas práticos

Para muitos estudantes de engenharia a disciplina Elementos de Máquinas é a sua primeira disciplina profissionalizante, distinguindo-se das disciplinas básicas de ciência e matemática. As disciplinas profissionalizantes se relacionam com a obtenção de soluções para problemas práticos. Estas soluções devem refletir um entendimento das ciências mecânicas, mas somente o seu entendimento não é suficiente; conhecimento empírico e bom senso estão também envolvidos. Por exemplo, os cientistas não entendem a eletricidade completamente, mas isto não impedem de desenvolverem equipamentos e sistemas elétricos bastante úteis e práticos. De maneira análoga, os cientistas não entendem completamente os processos de combustão ou fadiga de metal, mas os engenheiros mecânicos e industriais utilizam o conhecimento disponível para desenvolverem máquinas de combustão bastante úteis e necessárias. Quanto maiores conhecimentos científicos estejam disponíveis, os engenheiros

Devido à natureza profissional do assunto, a maioria dos problemas elementos de máquinas não apresentam uma correta e única solução. Existe um número grande de soluções trabalháveis, nenhuma das quais poderiam ser chamadas de incorretas. Mas dentre as soluções corretas, algumas são obviamente melhores do que as outras porque elas refletem, por exemplo, um conhecimento mais sofisticado da tecnologia, a conceito de projeto básico mais engenhoso, uma utilização da tecnologia de produção mais econômica e efetiva, uma aparência mais estética.

Este livro se relaciona primariamente com o projeto de componentes específicos de máquinas ou sistemas mecânicos. Competência nesta área é básica para as considerações e sínteses de maquinas completas e sistemas nas disciplinas subseqüentes como Projeto de Máquinas, Máquinas de Elevação e Transportes, Projeto de Fim de Curso, Máquinas Hidráulicas, Sistemas Mecânicos, dentre outras.Todo projeto inicia-se pequeno, com boa uma

largamente utilizados e de certa forma são bastante familiares aos estudantes

fundamentação. A primeira parte do livro se relaciona com os fundamentos envolvidos, conceitos de tensão e deformação, propriedades mecânicas dos materiais, análise estática e dinâmica de peças, fadiga, aplicando em parafusos, molas e freios. Estes componentes são

No planejamento de uma cidade, além de residências, as praças e locais de acesso como rodoviárias, ferroviárias, aeroportos, são fundamentais. Da mesma forma, a considerar uma máquina completa, o engenheiro invariavelmente descobre que as condições e restrições dos vários componentes estão interrelacionados. O projeto de uma mola de válvula de um motor automotivo, por exemplo, depende do espaço disponível para a mola. Isto representará um compromisso com o espaço para as passagens refrigerantes, folgas para vários componentes, que irá adicionar uma nova dimensão para a imaginação e criatividade necessária do engenheiro para obter um projeto ótimo de combinação dos elementos relacionados. Além das considerações fundamentais tecnológicas e econômicas do projeto no desenvolvimento de componentes mecânicos e sistemas, o moderno engenheiro deve considerar a segurança, ecologia e acima de tudo a qualidade de vida.

1.2 PROJETO CONCEITO - CADEIRA DE RODAS DE FIBRA DE CARBONO

Esta proposta foi desenvolvida entre o autor e um aluno do curso de Mecatrônica da

PUC-Minas. Visando o desenvolvimento e construção de uma cadeira de rodas fabricada em fibra de carbono e projetada com tecnologia de ponta em engenharia de desenvolvimento de produto, na PUC Minas, figura 1. A motivação é de podemos fabricar, no Brasil, cadeiras de rodas esportivas mais eficientes para a prática de esportes e cadeiras motorizadas que consumam menos bateria. Cadeiras de rodas brasileiras no mesmo nível tecnológico das desenvolvidas na Europa e Estados Unidos, figuras 2 e 3.Podendo construir cadeiras mais “baratas” e acessíveis para os portadores de deficiência

Para mostrar a viabilidade desse projeto é apresentado um exemplo prático de desenvolvimento e construção de uma bicicleta esportiva de fibra de carbono. Foram utilizadas ferramentas digitais da concepção à fabricação final.

Figura 1 - Cadeira de fibra de carbono conceito idealizada na PUC-Minas.

Figura 2 - Vista explodida da cadeira conceito Após as pesquisas realizadas, constatou-se que a fabricação de uma cadeira de rodas esportiva, utilizando fibra de carbono na sua estrutura, a torna super leve e resistente. Com o uso dos melhores computadores e programas disponíveis na Engenharia Mecatrônica PUC Minas, foi idealizada uma cadeira escamoteável, High-Tech.

Esta cadeira conceito, além de se destacar pelas suas qualidades mecânicas, ela inova com seu estilo moderno e arrojado.Seu design foi concebido para que suas curvas façam a cadeira parecer tão rápida quanto ela é, proporcionando prazer e atisfação às pessoas que a utilizarem, figura 3.

Como “cadeira conceito” sua função é mostrar tendências e possibilidades de projeto.Nos esboços 3D, vários detalhes como freios, encaixes e faixas não foram mostrados, para que se pudesse focalizar a atenção apenas na geometria da cadeira, figura 4.

Figura 3 - Vista lateral da estrutura da cadeira de rodas. Figura 4 - Vista da cadeira desmontada.

Neste projeto, as três características principais são: leveza,design e resistência.

LEVEZA: a cadeira de rodas, para ser mais rápida e ágil precisa ter o mínimo de peso possível a fim de diminuir os atritos e inércias do movimento. DESIGN: sendo uma cadeira esportiva suas curvas devem invocar o sentimento de velocidade, modernidade, agilidade e liberdade de movimento da pessoa que a utiliza. RESISTÊNCIA: usando a fibra de carbono na fabricação da estrutura, a cadeira de rodas será mais forte e mais resistente aos impactos e às condições ambientais adversas.

1.2.1 - CICLO DE DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO

idealização e esboçosdesenhos detalhados fabricação
pesquisalista de materiais produto final
estudo de viabilidadecálculos e testes

Da concepção até à fabricação de um produto final é necessária a execução de várias etapas. Esse conjunto de etapas é denominado Ciclo de Desenvolvimento de Produto, figura 5. É adotada toda uma metodologia científica para que o trabalho seja bem sucedido, do início ao fim, com o produto final testado e livre de eventuais falhas de projeto. do

Figura 5 - Fases do Ciclo de Desenvolvimento de Produto. Na Era da Informação,o computador vem sendo usado como uma ferramenta valiosa e indispensável para todas as áreas do conhecimento. Na engenharia, o computador realiza cálculos e simulações impossíveis de serem feitos por um engenheiro com uso de apenas um lápis e papel. Para os desenhistas e projetistas é mostrada na tela do computador, geometrias tridimensionais que podem ser movimentadas e giradas em todas as direções criando a sensação de estarem manipulando um objeto virtual, figura 6. Na fabricação os computadores controlam as máquinas. Essas máquinas automatizadas realizam a fabricação das peças mecânicas com precisão e velocidade sem a intervenção do homem diminuindo assim erros e custos.

de custo e tempo, e um aumento significativo na qualidade final do produto

Com toda essa informatização, o ciclo de desenvolvimento de produto teve uma redução

Figura 5 - Computador de ultima geração utilizado do projeto de uma moto de corrida. 1.2.2 - CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS DE UMA CADEIRA DE RODAS DE LAZER

LEVEZA & RESISTÊNCIA LEVEZA A cadeira de rodas, para ser mais rápida e ágil precisa ter o mínimo de peso possível a fim de diminuir os atritos e inércias do movimento

Figura 6 - Vista lateral do quadro da cadeira de rodas.

Após pesquisas realizadas, os autores constataram que a fabricação de uma cadeira de rodas esportiva, utilizando fibra de carbono na sua estrutura, a tornaria super leve e resistente,em comparação ao aço e o alumínio. A fibra de carbono é utilizada na indústria esportiva para fabricação de raquetes de tênis e bicicletas . Na indústria aeroespacial para construção de foguetes e aviões.

Para a prática de esportes,uma cadeira de rodas precisa ter características especiais sofrendo alguns ajustes em sua configuração .Abaixo são listadas algumas recomendações:

• A ajustagem do assento para baixo a fim de obter maior estabilidade , mais firmeza e um maior raio de roda disponível para impulsão. O encosto das costas precisa estar o mais próximo possível do corpo (aproximadamente perpendicular ao piso) para maior conforto e melhor resistência ao impacto.

• A posição do centro de gravidade de seu corpo em relação aos eixos das rodas afeta a mobilidade. Os eixos das rodas e a cadeira colocados mais a frente, proporcionará maior mobilidade e giro mais rápido. Devem ser levadas em conta nestes ajustes as preferências e características pessoais de cada praticante.

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