SUMÁRIO PARTE I FUNDAMENTOS ....................................................... 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO ..................................................... 3 1.1 Projeto ................................................................................................ 3 Projeto de máquinas 3 Máquina 3 Iteração 5 1.2 Metodologia de projetos ..................................................................... 5 1.3 Formulação e cálculo do problema ...................................................... 8 Estágio de definição 8 Estágio do projeto preliminar 8 Estágio do projeto detalhado 9 Estágio da documentação 9 1.4 O modelo de engenharia ..................................................................... 9 Estimativa e análise de primeira ordem 9 Croqui de engenharia 10 1.5 Projeto e engenharia auxiliados por computador .............................. 11 Projeto auxiliado por computador (CAD) 11 Engenharia auxiliada por computador (CAE) 13 Precisão computacional 15 1.6 O relatório de engenharia ................................................................. 16 1.7 Coeficientes de segurança e normas do projeto ................................ 16 Coeficiente de segurança 16 A escolha de um coeficiente de segurança 17 Normas de projetos e de segurança 19 1.8 Considerações estatísticas ................................................................ 20 1.9 Unidades ........................................................................................... 21 1.10 Resumo ............................................................................................. 25 1.11 Referências.........................................................................................26 1.12 Referências na Web............................................................................27 1.13 Bibliografia ........................................................................................27 1.14 Problemas ..........................................................................................28 CAPÍTULO 2 MATERIAIS E PROCESSOS ........................................................ 29 2.0 Introdução ......................................................................................... 29 2.1 Definições de propriedades dos materiais ......................................... 29 Ensaio de tração 31 Ductilidade e fragilidade 33 Ensaio de compressão 34 Ensaio de flexão 35 Ensaio de torção 35 Resistência à fadiga e limite de resistência à fadiga 37 Resistência ao impacto 38
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SUMÁRIO - Soluções educacionais · PDF fileDiagrama de Goodman modificado 362 Aplicação dos efeitos de concentração de tensão às...
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SUMÁRIO
PARTE I FUNDAMENTOS ....................................................... 1
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO ..................................................... 3
1.1 Projeto ................................................................................................ 3
Projeto de máquinas 3Máquina 3Iteração 5
1.2 Metodologia de projetos ..................................................................... 5
1.3 Formulação e cálculo do problema ...................................................... 8
Estágio de definição 8Estágio do projeto preliminar 8Estágio do projeto detalhado 9Estágio da documentação 9
1.4 O modelo de engenharia ..................................................................... 9
Estimativa e análise de primeira ordem 9Croqui de engenharia 10
1.5 Projeto e engenharia auxiliados por computador .............................. 11
Projeto auxiliado por computador (CAD) 11Engenharia auxiliada por computador (CAE) 13Precisão computacional 15
1.6 O relatório de engenharia ................................................................. 16
1.7 Coeficientes de segurança e normas do projeto ................................ 16
Coeficiente de segurança 16A escolha de um coeficiente de segurança 17Normas de projetos e de segurança 19
2.1 Definições de propriedades dos materiais ......................................... 29
Ensaio de tração 31Ductilidade e fragilidade 33Ensaio de compressão 34Ensaio de flexão 35Ensaio de torção 35Resistência à fadiga e limite de resistência à fadiga 37Resistência ao impacto 38
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xviii SUMÁRIO
Tenacidade à fratura 39Efeitos da fluência e da temperatura 40
2.2 A natureza estatística das propriedades dos materiais....................... 40
2.3 Homogeneidade e isotropia .............................................................. 42
3.1 Classes de solicitações ...................................................................... 73
3.2 Diagramas de corpo livre................................................................... 75
3.3 Análise do carregamento ................................................................... 76
Análise tridimensional 76Análise bidimensional 77Análise estática do carregamento 78
3.4 Estudos de caso de carregamentos estáticos bidimensionais ............. 78
Estudo de Caso 1A: Análise do carregamento em uma alavanca de freio de bicicleta 78Estudo de Caso 2A: Análise de forças de uma ferramenta manual de dobramento 84
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SUMÁRIO xix
Estudo de Caso 3A: Análise das solicitações em um macaco tipo sanfona de automóvel 88
3.5 Estudo de caso de carregamento estático tridimensional................... 93
Estudo de Caso 4A: Análise das solicitações do braço do freio de uma bicicleta 94
3.6 Estudo de caso de solicitação dinâmica ............................................. 98
Estudo de Caso 5A: Análise das solicitações em um mecanismo de quatro barras 98
4.14 Constante de mola .......................................................................... 185
4.15 Concentração de tensão .................................................................. 186
Concentrações de tensões na solicitação estática 187Concentrações de tensões sob solicitações dinâmicas 188Determinação dos fatores geométricos de concentração de tensões 188Projeto para evitar concentração de tensões 191
Índice de esbeltez 193Colunas curtas 193Colunas longas 193Condições de contorno 195Colunas intermediárias 197Colunas excêntricas 201
4.17 Tensões em cilindros ....................................................................... 203
Cilindros de parede espessa 204Cilindros de parede fina 205
4.18 Estudos de caso de análise de deformação e tensão estáticas ......... 205
Estudo de Caso 1B: Análise de tensão e deformação em uma alavanca para freio de bicicleta 206Estudo de Caso 2B: Análise de deflexão e tensão em alicate de pressão 209Estudo de Caso 3B: Análise de deflexão e tensão em macaco tipo sanfona para automóvel 214Estudo de Caso 4B: Análise de tensões no braço de um freio de bicicleta 217
5.1 Falha de materiais dúcteis sob carregamento estático ..................... 245
A teoria da energia de distorção de von Mises-Hencky 246A teoria da tensão máxima de cisalhamento 252Teoria da máxima tensão normal 254Comparação dos dados experimentais com as teorias de falha 254
5.2 Falha de materiais frágeis sob carregamento estático...................... 258
Materiais uniformes e não uniformes 258A teoria de Coulomb-Mohr 259A teoria de Mohr modificada 260
5.3 Mecânica da fratura ........................................................................ 265
Teorias da mecânica da fratura 266Tenacidade à fratura Kc 269
5.4 Usando as teorias de falha para carregamento estático ................... 273
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SUMÁRIO xxi
5.5 Estudos de caso na análise de falha estática .................................... 274
Estudo de Caso 1C: Análise de falha da alavanca de freio de bicicleta 274Estudo de Caso 2C: Análise de falha do alicate de pressão 277Estudo de Caso 3C: Análise de falha de macaco tipo sanfona de automóvel 280Estudo de Caso 4C: Coeficientes de segurança do braço de freio de bicicleta 282
6.1 Mecanismo da falha por fadiga ....................................................... 306
Estágio de início da trinca 307Estágio de propagação da trinca 307Fratura 308
6.2 Modelos de falha por fadiga ........................................................... 309
Regimes de fadiga 309A abordagem tensão-número de ciclos 310A abordagem deformação-número de ciclos 311A abordagem da MFLE 311
6.3 Considerações relativas ao projeto de máquinas ............................. 312
6.4 Cargas de fadiga ............................................................................. 313
Carregamento em máquinas rotativas 313Carregamento em equipamentos de serviço 314
6.5 Critérios de medição da falha por fadiga ......................................... 314
Tensões alternadas 315Tensões média e alternada combinadas 322Critério da mecânica da fratura 323Ensaios de conjuntos reais 326
6.6 Critérios para estimar a falha por fadiga ......................................... 327
Resistência à fadiga teórica Sf ' ou limite de fadiga Se' estimados 328Fatores de correção para a resistência à fadiga ou limite de fadiga teóricos 330Cálculo da resistência à fadiga corrigida Sf ou do limite de fadiga corrigido Se 337Desenho do diagrama S-N estimado 337
6.7 Entalhes e concentração de tensões ................................................ 342
6.9 Projeto para fadiga de alto-ciclo ...................................................... 352
6.10 Projeto para tensões uniaxiais alternadas ........................................ 353
Etapas de projeto para tensões alternadas com carregamento uniaxial 353
6.11 Projeto para tensões uniaxias repetidas .......................................... 361
Diagrama de Goodman modificado 362Aplicação dos efeitos de concentração de tensão às tensões variadas 364
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xxii SUMÁRIO
Determinação do coeficiente de segurança com tensões variadas 366Etapas de projeto para tensões variadas 369
6.12 Projeto para tensões multiaxiais em fadiga ..................................... 376
Relações de frequência e de fase 377Tensões alternadas multiaxiais simples 377Tensões variadas multiaxiais simples 378Tensões multiaxiais complexas 379
6.13 Uma abordagem geral para projeto de fadiga de alto-ciclo ............. 381
6.14 Um estudo de caso em projeto para fadiga ..................................... 386
Estudo de Caso 6: Reprojeto de uma viga de tear que falhou para um tear automático a jato de água 387
7.8 Contato entre esferas ...................................................................... 438
Pressões de contato e região de contato no contato entre esferas 438Distribuições de tensões estáticas no contato entre esferas 440
7.9 Contato entre cilindros .................................................................... 444
Pressões de contato e região de contato no contato entre cilindros paralelos 444Distribuição de tensão estática no contato paralelo entre cilindros 445
8.1 O método dos elementos finitos ..................................................... 483
8.2 Tipos de elementos ......................................................................... 485
Dimensão do elemento e grau de liberdade (GDL) 485Ordem dos elementos 486Refinamento h-adaptativo versus p-adaptativo 487Razão de aspecto do elemento 487
8.8 Estudos de caso ............................................................................... 508
Estudo de Caso 1D: Análise pelo FEA para o manete de freio de uma bicicleta 508Estudo de Caso 2D: Análise pelo FEA para alicate de pressão 511Estudo de Caso 4D: Análise pelo FEA do braço do freio de uma bicicleta 513Estudo de Caso 7: Análise pelo FEA para o engate de reboque 516
10.1 Carga em eixos ............................................................................... 549
10.2 Conexões e concentração de tensões .............................................. 551
10.3 Materiais para eixo ......................................................................... 553
10.4 Potência no eixo .............................................................................. 553
10.5 Cargas no eixo ................................................................................ 554
10.6 Tensões no eixo ............................................................................... 554
10.7 Falha do eixo em carregamento combinado .................................... 555
10.8 Projeto do eixo ................................................................................ 556
Considerações gerais 556Projeto para flexão alternada e torção fixa 557Projeto para flexão variada e torção variada 559
10.9 Deflexão do eixo ............................................................................. 566
Eixos modelados como vigas 567Eixos modelados como barras de torção 567
10.10 Chavetas e rasgos de chaveta .......................................................... 570
Chavetas paralelas 570Chavetas cônicas 571Chaveta Woodruff 572Tensões em chavetas 572Materiais para chavetas 573Projeto de chavetas 573Concentração de tensões em rasgos de chaveta 574
10.12 Ajustes por interferência ................................................................. 580
Tensões nos ajustes por interferência 580Concentração de tensão nos ajustes por interferência 581Corrosão por microabrasão 582
10.13 Projeto de volante ........................................................................... 585
Variação de energia em um sistema em rotação 586Determinação da inércia do volante 588Tensões nos volantes 590Critério de falha 591
10.14 Velocidades críticas de eixos ........................................................... 593
Vibração lateral dos eixos e vigas – método de Rayleigh 596Rodopio de eixo 597Vibração torcional 599Dois discos em um mesmo eixo 600Discos múltiplos em um eixo comum 601Controle das vibrações torcionais 602
11.3 Tipos de lubrificação ....................................................................... 628
Lubrificação de filme completo 629Lubrificação de contorno 630
11.4 Combinações de materiais em mancais de deslizamento ................ 631
11.5 Teoria da lubrificação hidrodinâmica ............................................... 632
Equação de Petroff para torque sem carga 633Equação de Reynolds para mancais radiais 634Perdas de torque e potência em mancais de deslizamento 639
11.6 Projeto de mancais hidrodinâmicos ................................................. 640
Projeto do fator de carga – o número de Ocvirk 640Procedimentos de projeto 642
11.7 Contatos não conformantes ............................................................ 646
11.8 Mancal de elementos rolantes......................................................... 653
Comparação de mancais de rolamento e deslizamento 653Tipos de mancais de elementos rolantes 654
11.9 Falha dos mancais de elementos rolantes ....................................... 658
11.10 Seleção de mancais de elementos rolantes ...................................... 659
Carga dinâmica básica de classificação C 659Classificação da vida modificada do mancal 661Carga estática básica de classificação C0 661Cargas radial e axial combinadas 662Procedimentos de cálculo 664
11.11 Detalhes da montagem dos mancais ............................................... 665
Ângulo de pressão 685Geometria do engrenamento 686Cremalheira e pinhão 687Mudança da distância entre centros 687Folga de engrenamento 689Movimento relativo do dente 689
12.2 Nomenclatura do dente de engrenagem .......................................... 689
12.3 Interferência e adelgaçamento ........................................................ 692
Formas de dentes com adendos desiguais 693
12.4 Razão de contato ............................................................................. 694
12.5 Trem de engrenagens ...................................................................... 696
Trens de engrenagens simples 696Trem de engrenagens composto 697Trens compostos revertidos 698Trens de engrenagens epicíclicos ou planetários 699
12.6 Fabricação de engrenagens ............................................................. 702
Dentes de engrenagem por conformação 702Usinagem 703Processos grosseiros 703Processos de acabamento 704Qualidade da engrenagem 705
12.7 Carregamento em engrenagens cilíndricas retas ............................. 706
12.8 Tensões em engrenagens cilíndricas retas ....................................... 708
Tensões de flexão 709Tensões superficiais 718
12.9 Materiais para engrenagem ............................................................. 722
Resistências dos materiais 723Resistências à fadiga de flexão da AGMA para materiais de engrenagem 724Resistências à fadiga de superfície da AGMA para materiais de engrenagem 725
12.10 Lubrificação de engrenamento ........................................................ 732
12.11 Projeto de engrenagens retas .......................................................... 732
12.12 Estudo de caso ................................................................................ 734
Estudo de Caso 8C: Projeto de engrenagens retas para o trem motor de um compressor 734
Geometria da engrenagem helicoidal 749Forças em engrenagens helicoidais 750Número virtual de dentes 751Razões de contato 752Tensões em engrenagens helicoidais 752
Geometria das engrenagens cônicas e nomenclatura 761Montagem de engrenagens cônicas 762Forças em engrenagens cônicas 762Tensões em engrenagens cônicas 763
Materiais para engrenagens sem-fim 770Lubrificação de sem-fim 770Forças em engrenamentos sem-fim 770Geometria do engrenamento de sem-fins 771Métodos de classificação 771Um procedimento de projeto para engrenamento de sem-fim 773
13.4 Estudo de caso ................................................................................ 773
Estudo de Caso 9B: Projeto de um redutor de velocidade de engrenamento de sem-fim para um guincho de elevação 774
14.1 Constante de mola .......................................................................... 785
14.2 Configurações de mola ................................................................... 788
14.3 Materiais para molas ....................................................................... 790
Arame de mola 790Material para molas planas 793
14.4 Molas helicoidais de compressão .................................................... 795
Comprimento de molas 796Detalhes de extremidade 796Espiras ativas 797Índice de mola 797Deflexão de mola 797Constante de mola 797Tensões em espiras de molas helicoidais de compressão 798Molas de espira helicoidal de fio não redondo 799Tensões residuais 800Flambagem de molas de compressão 802Ressonância de molas de compressão 802Resistências permissíveis de molas de compressão 803O diagrama S-N de cisalhamento torcional para fios de molas 804O diagrama de Goodman modificado para fio de mola 806
14.5 Dimensionamento de molas helicoidais de compressão a cargas estáticas ............................................................................... 808
14.6 Dimensionamento de molas helicoidais de compressão à fadiga .... 812
14.7 Molas helicoidais de extensão ........................................................ 820
Espiras ativas em molas de extensão 821Constante de mola para molas de extensão 821Índice de mola para molas de extensão 821Pré-carga de espiras em molas de extensão 821
Deflexão de molas de extensão 822Tensões nas espiras de molas de extensão 822Tensões de extremidade em molas de extensão 822Ressonância em molas de extensão 823Resistência de materiais para molas de extensão 823Dimensionamento de molas helicoidais de extensão 824
14.8 Molas helicoidais de torção............................................................. 831
Terminologia para molas de torção 832Número de espiras em molas de torção 832Deflexão de molas de torção 832Constante de mola para molas de torção 833Fechamento de espiras 833Tensões em espiras de molas à torção 833Parâmetros materiais para molas de torção 834Coeficientes de segurança para molas à torção 835Dimensionamento de molas helicoidais de torção 836
Função carga-deflexão de molas Belleville 840Tensões em molas Belleville 841Carregamento estático de molas Belleville 842Carregamento dinâmico 842Empilhamento de molas 842Dimensionamento de molas Belleville 843
14.10 Estudo de caso ................................................................................ 845
Estudo de Caso 10C: Projeto de uma mola de retorno para um braço de camo-seguidor 846
15.1 Formas padronizadas de rosca ......................................................... 862
Área sob tração 863Dimensões padronizadas de roscas 864
15.2 Parafusos de potência ..................................................................... 865
Roscas quadrada, Acme e de botaréu 865Aplicação de parafusos de potência 866Análise de força e torque em parafusos de potência 866Coeficientes de atrito 869Autotravamento e retroacionamento de parafusos de potência 869Eficiência de parafusos 870Parafusos de esferas 871
15.3 Tensões em roscas ........................................................................... 874
Tensão axial 874Tensão de cisalhamento 875Tensões torcionais 876
15.4 Tipos de parafusos de fixação ......................................................... 876
Classificação pelo uso pretendido 876Classificação pelo tipo de rosca 877
16.1 Processos de soldagem ................................................................... 929
Tipos de soldas de uso comum 930Por que um projetista deve preocupar-se com processos de soldagem? 931
16.2 Tipos de juntas e soldas .................................................................. 931
Preparação da junta 933Especificação da solda 933
16.3 Princípios do projeto de soldas ....................................................... 934
16.4 Carregamento estático de soldas ..................................................... 936
Resistência estática de soldas 936Tensões residuais em soldas 937Direção do carregamento 937Tensão de cisalhamento admissível para cordões e juntas JPP 937
16.6 Carregamento dinâmico de soldas .................................................. 940
Efeito da tensão média na resistência à fadiga de uma solda 940Os fatores de correção são necessários para o cálculo da resistência à fadiga? 940Efeito da configuração da solda na resistência à fadiga 941