(Parte 2 de 8)

Os estudos de caso oferecem uma série de projetos de máquinas ao longo do livro, contendo várias combinações dos elementos de máquinas normalmente tratados neste tipo de texto. As montagens contêm alguns conjuntos de elementos, tais como conexões sujeitas a esforços axial e de flexão combinados, colunas sujeitas a flambagem, eixos em flexão e torção combinados, engrenagens sob carregamento alternado, molas de retorno, junções sob carga de fadiga, rolamentos, etc. Essa abordagem integrada apresenta várias vantagens. Ela oferece ao estudante um problema de projeto genérico inserido em um contexto em vez de uma série de entidades discrepantes e não relacionadas. O aluno consegue, então, ver as inter-relações e a racionalidade das decisões de projeto que afetam cada um dos elementos. Esses estudos de caso mais abrangentes estão na Parte I do texto. Os estudos de caso da Parte I são de alcance mais limitados e dirigidos aos tópicos de engenharia mecânica do capítulo. Além dos estudos de caso, cada capítulo tem uma seleção de exemplos resolvidos para reforçar tópicos específicos.

O Capítulo 9, Estudos de Caso de Projeto, dedica-se à organização de três estudos de caso de projetos que são usados nos capítulos seguintes para reforçar os conceitos por trás do projeto e da análise de eixos, molas, engrenagens, fixadores, etc. Nem todos os aspectos desses estudos de caso de projeto são apresentados como exemplos resolvidos, visto que uma outra finalidade é oferecer ao aluno material para trabalhos de projeto. O autor usou esses tópicos do estudo de casos como trabalhos de projeto com duração de várias semanas ou do curso todo xii PREFÁCIO para alunos individuais ou em grupos com razoável sucesso. Utilizar trabalhos de projeto com definição incompleta serve para reforçar muito mais os aspectos de projeto e análise da disciplina do que solicitar a resolução de listas de exercícios completamente definidos.

Conjuntos de problemas

A maior parte dos 790 conjuntos de problemas (590 deles, ou 75%) é independente dentro do capítulo, atendendo a sugestões de leitores. Os 25% restantes são retomados em capítulos posteriores. Esses problemas que se repetem são claramente identificados em cada capítulo. Por exemplo, o Problema 3-4 pede uma força estática em um engate de reboque (trailer); o Problema 4-4 pede uma análise de tensão do mesmo engate baseado nas forças calculadas no Problema 3-4.; o Problema 5-4 pede o fator de segurança estática do engate usando a tensão calculada no Problema 4-4.; o Problema 6-4 pede a análise de falha por fadiga do mesmo engate, e o Problema 7-4 pede a análise de tensão superficial, etc. O mesmo engate de reboque (trailer) é usado como um estudo de caso FEA no Capítulo 8. Assim, a complexidade subjacente ao problema de design é desdobrada à medida que novos tópicos são introduzidos. Um professor que deseja usar essa abordagem pode usar o mesmo problema em capítulos subsequentes. Os professores que não desejam usar problemas interligados podem evitá-los recorrendo apenas aos problemas cuja numeração não está em negrito.

Organização do texto

O Capítulo 1 oferece uma introdução à metodologia de projetos, formulação de problemas, coeficientes de segurança e unidades. As propriedades dos materiais são revisadas no Capítulo 2, pois até mesmo o estudante que teve a primeira disciplina sobre ciência dos materiais ou metalurgia normalmente tem uma compreensão apenas superficial do amplo espectro das propriedades dos materiais de engenharia necessários para o projeto de máquinas. O Capítulo 3 apresenta uma revisão de análises de solicitações estáticas e dinâmicas, incluindo vigas, vibrações e solicitações de impacto, e constitui a base para uma série de estudos de casos usados nos capítulos posteriores para ilustrar os tópicos de análise de tensão e de deflexão com alguma continuidade.

A disciplina de Projeto de Elementos de Máquinas, em sua essência, é realmente uma disciplina de nível intermediário de análise aplicada de tensões. Consequentemente, o Capítulo 4 apresenta uma revisão dos fundamentos da análise de tensão e de deflexão. As teorias de falha estática são apresentadas em detalhes no Capítulo 5, visto que os alunos em geral ainda não digeriram completamente esses conceitos em sua primeira disciplina de análise de tensão. A análise de fratura mecânica sob solicitações estáticas também é introduzida.

A disciplina de Elementos de Máquinas normalmente é a primeira exposição do aluno à análise de fadiga, pois a maior parte das disciplinas introdutórias de análise de tensão lida somente com problemas de solicitação estática. Assim sendo, a teoria de falha por fadiga é apresentada amplamente no Capítulo 6 com ênfase na abordagem tensão versus vida para o dimensionamento à fadiga de alto ciclo, que é comumente utilizada no projeto de máquinas com partes girantes. A teoria da fratura mecânica é discutida posteriormente com relação à propagação da trinca sob solicitação cíclica. Os métodos baseados na deformação específica para análise de fadiga de baixo ciclo não são apresentados, mas suas aplicações e finalidades são introduzidas ao leitor e são fornecidas referências bibliográficas

PREFÁCIO xiii para estudo posterior. As tensões residuais também são abordadas. O Capítulo 7 apresenta uma discussão completa dos fenômenos dos mecanismos de desgaste, tensões de contato e fadiga de superfície.

O Capítulo 8 é uma introdução à análise por elementos finitos (FEA). Muitos professores usam a disciplina de elementos de máquinas para apresentar aos alunos a FEA e a técnicas de projeto de máquinas. O material apresentado no Capítulo 8 não pretende substituir a parte teórica da FEA. Esse material existe em muitos livros-texto voltados para o assunto, e o aluno é estimulado a procurar conhecer a teoria da FEA. Em lugar disso, o Capítulo 8 apresenta técnicas adequadas à aplicação da FEA a problemas de projeto de máquinas. Questões sobre seleção de elementos, refino da malha e a definição das condições de limite adequados são desenvolvidas em detalhes. Esses temas não são habitualmente tratados em livros sobre a teoria de FEA. Muitos futuros engenheiros vão usar, em sua prática profissional, software CAD de modelagem sólida e código de análise de elemento finito. É importante que eles tenham conhecimento das limitações e do uso adequado dessas ferramentas. Esse capítulo pode ser estudado mais no começo do curso, se desejado, especialmente se os alunos tiverem de usar FEA para resolver problemas, e é relativamente independente de outros capítulos. Muitos dos vários problemas nos capítulos têm a geometria dos modelos Solidworks no CD-ROM.

Esses oito capítulos compreendem a Parte I do texto e deitam a fundação analítica necessária para os elementos de projeto de máquinas. Eles estão organizados para estudo na forma apresentada e com uma sequência lógica, exceção feita ao Capítulo 8, sobre FEA.

A Parte I do texto apresenta os elementos de projeto de máquinas como parte de um todo. Os capítulos da Parte I são essencialmente independentes e podem ser estudados (ou saltados) em qualquer ordem (com exceção do Capítulo 12, sobre engrenagem cilíndricas retas, que deve ser estudado antes do Capítulo 13, sobre engrenagens helicoidais, cônicas e sem-fim). Dificilmente todos os temas do livro serão estudados em um semestre. Capítulos não estudados servirão de referência para os futuros engenheiros em sua vida profissional.

O Capítulo 9 apresenta um conjunto de casos de projetos para serem usados como tarefas e exemplos de estudo de caso de capítulos posteriores, além de fornecer sugestões para tarefas de projetos em complemento aos detalhados estudos de caso descritos anteriormente. O Capítulo 10 investiga o projeto de eixos usando as técnicas de análise de fadiga desenvolvidas no Capítulo 6. O Capítulo 1 discute a teoria e a aplicação de mancais de deslizamento e de rolamento usando a teoria desenvolvida no Capítulo 7. O Capítulo 12 apresenta uma introdução minuciosa à cinemática, à análise de projeto e tensões das engrenagens cilíndricas de dentes retos usando os últimos procedimentos recomendados pela AGMA§. O Capítulo 13 estende o projeto de engrenagens para engrenagens helicoidais, cônicas e sem-fim. O capítulo 14 abrange o projeto de molas, incluindo molas helicoidais de compressão, tração e torção, bem como um tratamento minucioso das molas Belleville. O Capítulo 15 trata de parafusos e junções, incluindo parafusos de potência e de fixação com pré-carga. O Capítulo 16 apresenta um tratamento atualizado do projeto de soldagem para cargas estáticas e dinâmicas. O Capítulo 17 apresenta uma introdução ao projeto e à especificação dos freios e embreagens a disco e a tambor. Os apêndices contêm grande quantidade de dados de resistência de materiais, tabelas de perfis industriais e fatores de concentração de tensões, bem como as respostas para os problemas selecionados.

§ N. de T.: AGMA (American Gear Manu- facturers Association) – Associação Americana de Fabricantes de Engrenagens.

xiv PREFÁCIO

Agradecimentos

O autor expressa sua sincera gratidão a todos que revisaram a primeira edição deste texto em diversos estágios do desenvolvimento, incluindo os professores J. E. Beard, Michigan Tech; J. M. Henderson, U. California, Davis; L. R. Koval, U. Missouri, Rolla; S. N. Kramer, U. Toledo; L. D. Mitchell, Virginia Polytechnic; G. R. Pennock, Purdue; D. A. Wilson, Tennessee Tech; Mr. John Lothrop e Professor J. Ari-Gur, Western Michigan Univeristy, que inclusive lecionou com uma versão de teste do livro. Roberto Herrmann (WPI-ME ‘94) cedeu alguns problemas, e Charles Gillis (WPI-ME ‘96) resolveu a maior parte dos grupos de problemas na primeira edição.

Os professores John R. Steffen, da Valparaiso University, R. Jay Conant, da

Montana State, Norman E. Dowling, da Virginia Polytechnic, e Francis E. Kennedy, da Dartmouth, fizeram muitas sugestões úteis para o aprimoramento e detectaram muitos erros. Agradecimentos especiais vão para o professor Hartley T. Grandin, do WPI, que ofereceu muito incentivo e muitas sugestões e boas ideias ao longo da elaboração do livro e também lecionou usando várias versões de teste em aula.

Três ex-editores e o atual editor da Prentice-Hall merecem menção especial pelos esforços no desenvolvimento deste livro: Doug Humphrey, que não aceitou um não como resposta ao me persuadir a escrevê-lo, Bill Stenquist, que frequentemente disse sim às minhas solicitações e zelou habilmente pelo livro até a conclusão na primeira edição, e Eric Svendsen, que ajudou a concluir a terceira edição e agregou valor ao livro. O apoio de Tacy Quinn foi muito importante na quarta edição.

Desde a primeira impressão do livro, em 1995, vários usuários gentilmente apontaram erros e sugeriram melhorias. Meus agradecimentos aos professores R. Bourdreau, da U. Moncton, Canadá, V. Glozman, da Cal Poly Pomona, John Steele, da Colorado School of Mines, Burford J. Furman, da San Jose State University, e Michael Ward, da California State University, Chico.

Vários outros professores gentilmente apontaram erros e fizeram críticas construtivas e sugestões de melhorais nas edições mais recentes. Entre eles, os professores Cosme Furlong, do Worcester Polytechnic Institute, Joseph Rencis, da University of Arkansas, Annie Ross, da University de Moncton, Andrew Ruina, da Cornell University, Douglas Walcerz, da York College, e Thomas Dresner, de Mountain City, CA.

O Dr. Duane Miller, da Lincoln Electric Company, foi de grande ajuda no

Capítulo 16 sobre soldagem e revisou diversos rascunhos. O professor Stephen Covey, da St. Cloud State University, e os engenheiros Gregory Aviza e Charles Gillis, da P&G Gillette, também ofereceram importante feedback sobre esse capítulo. O professor Robert Cornwell, da Seattle University, revisou a discussão no Capítulo 15 sobre seu novo método de recálculo de rigidez de parafuso e junta e seu método de calcular a concentração de tensão em molas de fio retangular, discutido no Capítulo 14.

Os professores Fabio Marcelo Peña Bustos, da Universidad Autónoma de

Manizales, Caldas, Colômbia, e Juan L. Balsevich-Prieto, da Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción, Asunción, Paraguai, foram muito gentis em apontar melhorias na tradução para o espanhol.

Agradecimentos especiais para William Jolley, da The Gillette Company, que criou os modelos FEA para os exemplos e revisou o Capítulo 8, e a Edwin Ryan, vice-presidente de engenharia aposentado da Gillette, que garantiu um valioso apoio. Donald A. Jacques, da divisão UTC Fuel Cells da United Technologies Company, também revisou o Capítulo 8, sobre análise por elementos finitos, e fez muitas sugestões importantes. O professor Eben C. Cobb, do Wor-

PREFÁCIO xv cester Polytechnic Institute, e seu aluno Thomas Watson criaram os modelos Solidworks para muitos problemas e estudos de caso e resolveram os FEA nos estudos de caso do CD-ROM.

Agradeço às muitas pessoas que responderam às pesquisas desta quarta edição e fizeram muitas boas sugestões: Kenneth R. Halliday, da Ohio State University, Mohamed B. Trabia, da University of Nevada Las Vegas, H. J. Summer I, da Penn State University, Rajeev Madhavan Nair, da Iowa State University, Ali P. Gordon, da University of Central Florida, Robert Jackson, da Auburn University, Cara Coad, da Colorado School of Mines, Burford J. Furman, da San Jose State University, Steven J. Covey, da St. Cloud State University, Nathan Crane, da University of Central Florida, César Augusto Álvarez Vargas, da Universidad Autonoma de Manizales, Caldas, Colômbia, Naser Nawayseh, da Dhofar University, Oman, Hodge E. Jenkins, da Mercer University, John Lee, da San Jose State University, Mahmoud Kadkhodaei, da Isfahan University of Technology, Steve Searcy, da Texas A&M University, Yesh P. Singh, da University of Texas em San Antonio, e Osornio C. Cuitláhuac, da Universidad Iberoamericana Santa Fé, México.

Este autor é muito grato a Thomas A. Cook, professor emérito da Mercer

University, que elaborou o manual de soluções do livro, atualizou os exemplos de Mathcad e contribuiu com a maior parte dos novos conjuntos de problemas para esta edição. Agradeço também à Dra. Adriana Hera, do Worcester Polytechnic Institute, que atualizou os modelos em MATLAB e Excel de todos os exemplos e estudos de caso e minuciosamente atentou à correção dos mesmos.

Por fim, Nancy Norton, minha infinitamente paciente esposa nestes últimos 50 anos, merece renovado crédito por seus infalíveis apoio e estímulo durante muitos verões de “viuvez temporária”. Eu não teria conseguido sem ela.

Todos os esforços foram feitos para eliminar erros deste texto. Quaisquer que permaneçam são de responsabilidade do autor. Ele apreciará muito ser informado sobre eventuais erros, para que esses possam ser corrigidos em futuras reimpressões. Um e-mail para norton@wpi.edu será o suficiente.

Robert L. Norton Mattapoisett, Mass.

PARTE I FUNDAMENTOS1
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO3
1.1 Projeto3

Projeto de máquinas 3 Máquina 3 Iteração 5

1.2 Metodologia de projetos5
1.3 Formulação e cálculo do problema8

Estágio de definição 8 Estágio do projeto preliminar 8 Estágio do projeto detalhado 9 Estágio da documentação 9

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