Projeto de Máquinas - Norton

Projeto de Máquinas - Norton

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Projeto de Máquinas

Projeto de Máquinas

Projeto de

Máquinas robert L. norton robert L. norton uMa abordageM integrada uMa abordageM integrada

4ª edição

4ª edição robert L. n orton

Planejado para atender aos alunos da disciplina de elementos de máquinas nos cursos de engenharia mecânica, este livro vale-se da longa experiência do autor em sala de aula e na prática de projeto. O principal objetivo ao longo de várias edições foi o de oferecer um material de leitura fácil e agradável, apesar da aridez inerente à disciplina.

Dividido em duas partes, o texto aborda inicialmente os fundamentos de tensão, deformação, deflexão, propriedades de materiais, teorias de falhas, fenômeno de fadiga, mecânica de fratura, FEA e assuntos similares para, em um segundo momento, conectar os vários tópicos por meio de estudos de caso, de forma a facilitar o entendimento do aluno.

O livro pode ser usado com diferentes programas de computador. O CD-ROM oferecido em conjunto com esta edição conta com arquivos em MATLAB, Mathcad, Excel e TKSolver, e de programas escritos pelo próprio autor. Um índice desse conteúdo encontra-se dentro do CD, que está disponível apenas em língua inglesa.

área do ProFessorCd-roM

ENGENHARIA MECÂNICA w.grupoa.com.br

Visite a Área do Professor no site da Bookman e tenha acesso aos PPTs e ao manual de soluções (em inglês)

CD-ROM (em inglês) encartado nesta edição oferece modelos em MATLAB, Mathcad, Excel e TK Solver

Tradução da 2a Edição:

Parte I:

Konstantinos Dimitriou Stavropoulos Ph. D. em Engenharia Mecânica pela Stanford University

Professor Titular da Escola de Engenharia Mauá, IMT, São Paulo

Parte I:

João Batista de Aguiar

Ph. D. em Engenharia Mecânica pelo Massachusetts Institute of Technology Professor de Engenharia Aeroespacial da UFABC

José Manoel de Aguiar

Ph. D. em Engenharia Mecânica pela Stanford University Professor de Engenharia Mecânica na Fatec-SP

Tradução da 4a Edição: Capítulos 8 e 16

Renato Machnievscz

Mestre em Engenharia Mecânica pela PUCPR Professor da PUCPR

Outros trechos: Jéssica Fraga de Castro e Equipe Bookman

N882p Norton, Robert L.

Konstantinos Dimitriou Stavropouloset al.]. – 4. ed. –

Projeto de máquinas [recurso eletrônico] : uma abordagem integrada / Robert L. Norton ; [tradução: Dados eletrônicos. – Porto Alegre : Bookman, 2013.

Tradução dos capítulos 8 e 16 da 4. ed. por Renato

Machnievscz

Tradução de outros trechos da 4. ed. por Jéssica Fraga de Castro e Equipe Bookman.

Editado também como livro impresso em 2013. ISBN 978-85-8260-023-8

1. Engenharia mecânica. 2. Máquinas. 3. Mecanismos – Projeto. I. Título.

CDU 621

Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus – CRB 10/2052

Versão impressa desta obra: 2013

Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à BOOKMAN EDITORA LTDA., uma empresa do GRUPO A EDUCAÇÃO 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.

Unidade São Paulo Av. Embaixador Macedo Soares, 10.735 – Pavilhão 5 – Cond. Espace Center Vila Anastácio – 05095-035 – São Paulo – SP Fone: (1) 3665-100 Fax: (1) 3667-1333

SAC 0800 703-3444 – w.grupoa.com.br

Obra originalmente publicada sob o título Machine Design,4th Edition

ISBN 9780136123705

Copyright © 2011 Tradução autorizada a partir do original em língua inglesa publicado por Pearson Education, Inc., sob o selo Prentice Hall.

Gerente editorial – CESA: Arysinha Jacques Affonso Colaboraram nesta edição: Revisão: Maria Eduarda Fett Tabajara Capa: Maurício Pamplona Editoração: Techbooks

Robert L. Norton graduou-se em Engenharia Mecânica e Tecnologia Industrial na Northeastern University e possui mestrado em Projeto de Engenharia pela Tufts University. É engenheiro profissional registrado em Massachusetts e possui uma ampla experiência industrial nas áreas de engenharia de projeto e produção, além de muitos anos de experiência lecionando engenharia mecânica, engenharia de projeto, ciência da computação e outras disciplinas relacionadas na Northeastern University, na Tufts University e no Worcester Polytechnic Institute.

Na Polaroid Corporation, por 10 anos, projetou câmeras, mecanismos relacionados e máquinas automáticas de alta velocidade. Trabalhou por três anos na Jet Spray Cooler Inc. Por cinco anos, auxiliou no desenvolvimento de dispositivos de coração artificial e circulação não invasiva assistida no Tufts New England Medical Center e no Boston City Hospital. Desde que deixou a indústria pra juntar-se ao meio acadêmico, prosseguiu como consultor independente para projetos de engenharia, que variam de produtos médicos a máquinas de produção a alta velocidade. Ele possui 13 patentes norte-americanas.

Norton está no Worcester Polytechnic Institute desde 1981 e atualmente possui os títulos Milton P. Higgins I de Professor Emérito de Engenharia Mecânica, Russell P. Searle de Professor Emérito, Chefe do Grupo de Projetos em seu departamento e Diretor do Gillette Project Center no Worcester Polytechnic Institute. Ele leciona nos cursos de graduação e pós-graduação em Engenharia Mecânica com ênfase em projeto, cinemática, vibrações e dinâmica de máquinas.

Norton é autor de diversos artigos técnicos e de periódicos acerca de cinemática, dinâmica de máquinas, projeto e produção de camos, informática no ensino e ensino de engenharia, além dos livros Design of Machinery, Machine Design: An Integrated Approach (Projeto de Máquinas: Uma Abordagem Integrada) e Cam Design and Manufacturing Handbook. Ele é sócio da American Society of Mechanical Engineers (Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos) e membro da Society of Automotive Engineers (Sociedade de Engenheiros Automotivos). Contudo, devido ao seu grande interesse por ensino, orgulha-se sobretudo por ter sido escolhido, em 2007, Professor do Ano no Estado de Massachusetts pelo Conselho de Promoção e Apoio à Educação e pela Fundação Carnegie de Promoção à Educação, que juntos promovem os únicos prêmios de excelência em ensino dos Estados Unidos.

Dedico este livro a: Donald N. Zwiep

Chefe de Departamento e Professor Emérito Worcester Polytechnic Institute

Um cavalheiro e um líder, sem cuja fé e visão este livro nunca teria sido escrito.

Introdução

Este texto foi planejado para as disciplinas de Dimensionamento (Projeto) de Elementos de Máquinas§. A proposta deste livro é apresentar a matéria de forma atualizada com uma forte ênfase no projeto para estudantes de engenharia mecânica. O objetivo básico foi escrever um texto de leitura fácil e que os alunos apreciem, apesar da aridez inerente à disciplina.

Este livro foi criado com a intenção de ser um aperfeiçoamento sobre outros que se encontram disponíveis e proporcionar métodos e técnicas que utilizam a capacidade analítica dos microcomputadores. Ele enfatiza projeto e síntese, bem como análise. Exemplos de problemas, estudos de caso e técnicas de solução são explicados detalhadamente. As ilustrações estão em duas cores. Pequenos problemas são fornecidos em cada capítulo e, quando apropriado, são propostos exercícios mais longos de projetos não estruturados.

Este livro pode ser usado com qualquer programa de computador. Os arquivos para solucionar todos os exemplos e estudos de caso em diferentes linguagens (Mathcad, MATLAB, Excel e TK Solver) encontram-se no CD-ROM. Diversos outros programas escritos pelo autor também estão no CD como arquivos executáveis. Entre eles, o gerador de círculos Mohr (MOHR.exe), calculadoras de tensão dinâmica superficial (CONTACT.exe), solucionador de matrizes (MATRIX.exe) e outros programas de projeto de elos e camos. Um índice do conteúdo do CD encontra-se no próprio CD.

Ao mesmo tempo em que este livro procura ser minucioso e completo quanto aos tópicos da engenharia mecânica de análise e teorias de falha, ele também enfatiza os aspectos da síntese e do projeto em um grau mais elevado do que a maioria dos outros textos impressos sobre o assunto. Ele aponta os métodos analíticos em comum necessários para projetar uma grande variedade de elementos e enfatiza o uso da engenharia auxiliada por computador como uma abordagem de projeto e análise dessas classes de problemas. A abordagem do autor para esta disciplina baseia-se em mais de 50 anos de experiência prática em projeto de engenharia mecânica, na indústria e como consultor. Ele também ensinou engenharia mecânica em nível universitário por mais de 30 anos.

O que há de novo na quarta edição?

• Um novo capítulo sobre o projeto de soldagens traz o que há de mais recente no tema.

• O tema da análise por elementos finitos (FEA) está agora no Capítulo 8 e recebeu soluções FEA adicionais desenvolvidas nos capítulos predecessores.

• Modelos Solidworks com soluções FEA para diversos estudos de caso estão no CD-ROM.

• Modelos Solidworks de diversos problemas de geometria estão no CD-ROM para agilizar soluções FEA para esses problemas, se o professore assim desejar.

• Uma nova técnica de cálculo para rigidez de parafuso e junta é apresentada no Capítulo 15 sobre fixadores.

• Mais de 150 problemas foram acrescentados e revisados com ênfase em unidades do sistema SI.

§ N. de R. T.: No Brasil, essas disciplinas são comumente chamadas de Dimensionamento de Elementos de Máquinas, Elementos de Construção de Máquinas ou simplesmente Elementos de Máquinas.

x PREFÁCIO

Filosofia

Geralmente é a primeira disciplina de engenharia mecânica que apresenta aos alunos problemas definidos de forma incompleta em vez de problemas circunscritos. Contudo, o tipo de projeto tratado nesta disciplina é o projeto detalhado, que é apenas uma parte do espectro total da metodologia de projeto. No projeto detalhado, o conceito geral, a aplicação e até o formato geral do dispositivo desejado são geralmente conhecidos no início. Não estamos tentando inventar uma nova máquina, mas sim definir forma, dimensões e materiais de um elemento específico da máquina, de modo que ela não falhe em virtude do carregamento e das condições ambientais esperadas em operação.

A abordagem tradicional de ensino da disciplina de Elementos de Máquinas tem sido a de enfatizar o projeto das peças individuais da máquina, ou elementos, tais como engrenagens, molas, eixos, etc. Isso, por vezes, é criticado porque existe o risco de tais disciplinas (ou livros) tornarem-se uma coleção de “livros de receitas” de temas discrepantes que não preparam o aluno para resolver outros tipos de problemas não encontrados nas receitas apresentadas. É relativamente fácil para o professor (ou autor) permitir que a disciplina (ou texto) se degenere para o modo “Bem, é terça-feira, vamos projetar molas. Na sexta-feira projetaremos engrenagens”. Se isso acontecer, poderá ser um desserviço ao aluno, porque não desenvolve necessariamente a compreensão fundamental da aplicação prática das teorias em que se baseiam os problemas de projeto.

Entretanto, muitos dos elementos de máquinas tipicamente descritos neste curso oferecem exemplos soberbos da teoria fundamental. Vistos por esse aspecto, e se forem apresentados em um contexto geral, eles podem ser um excelente veículo de desenvolvimento da compreensão do aluno sobre as complexas e importantes teorias da engenharia. Por exemplo, o tema parafusos com pré-carga é um modo perfeito para introduzir o conceito de pré-tensão usada como proteção contra fadiga. Na prática, o aluno talvez nunca seja solicitado a projetar um parafuso com pré-carga, mas ele poderá muito bem utilizar a compreensão de pré-tensão adquirida dessa experiência. O projeto de engrenagens helicoidais resistentes a solicitações variáveis oferece uma excelente maneira para desenvolver a compreensão do aluno sobre as tensões combinadas, tensões Hertzianas e falha por fadiga. Desse modo, a abordagem dos elementos de máquinas é válida e defensável, contanto que a abordagem do texto seja suficientemente geral – isto é, não se deve permitir que ela se degenere em uma coleção de exercícios aparentemente não relacionados, e sim proporcionar uma abordagem integrada.

Uma outra área na qual o autor acha que os textos (e disciplinas de Elementos de Máquinas) são deficientes é na falta de conexão entre a dinâmica de um sistema e a análise de tensão desse sistema. Tipicamente, esses textos apresentam seus elementos de máquina com (como em um passe de mágica) forças predefinidas neles. Mostra-se ao estudante como determinar as tensões e deflexões causadas por essas forças. No projeto de máquina real, as forças nem sempre são predefinidas, podendo, em grande parte, dever-se às acelerações das massas das peças móveis. Entretanto, as massas não podem ser determinadas com precisão até que a geometria seja definida e uma análise de tensão determine a resistência da suposta peça. Existe, assim, um impasse que se quebra apenas por meio da iteração, isto é, supor a geometria de uma peça e definir suas propriedades geométricas e de massa, calcular as forças dinâmicas devidas, em parte, ao material e à geometria da peça. Calcular, então, as tensões e deflexões resultantes dessas forças, descobrir sua falha, reprojetar e repetir.

PREFÁCIO xi

Abordagem integrada

O texto está dividido em duas partes. A primeira apresenta os fundamentos de tensão, deformação, deflexão, propriedades de materiais, teorias de falhas, fenômeno da fadiga, mecânica da fratura, FEA, etc. Esses aspectos teóricos são apresentados de modo semelhante ao de outros textos. A segunda parte apresenta o estudo dos elementos de máquinas específicos e típicos utilizados como exemplos de aplicações da teoria, mas também tenta evitar apresentar uma sequência de tópicos discrepantes em favor de uma abordagem integrada que conecte os vários tópicos por meio de Estudos de Caso.

A maioria dos livros sobre Elementos de Máquinas contém muito mais tópicos e conteúdo do que poderia abranger uma disciplina de um semestre. Antes da primeira edição deste livro, um questionário foi enviado a 200 professores de Elementos em universidades dos EUA, solicitando sua opinião sobre a importância relativa e o conjunto de tópicos típicos desejáveis de um texto sobre elementos de máquinas. A cada revisão para a segunda, a terceira e a quarta edições, os leitores foram novamente ouvidos para determinar possíveis mudanças. As respostas foram analisadas e usadas para guiar a estrutura e o conteúdo de todas as edições. Um dos desejos mais fortes expressos desde o início pelos respondentes foram os Estudos de Caso, que apresentam problemas de projetos realistas.

Tentamos cumprir esse objetivo estruturando o texto ao redor de uma série de 10 estudos de caso. Esses estudos de caso apresentam diferentes aspectos do mesmo problema de projeto em sucessivos capítulos, por exemplo, definindo as forças estáticas ou dinâmicas do dispositivo no Capítulo 3, calculando as tensões decorrentes das forças estáticas no Capítulo 4 e aplicando uma teoria de falha apropriada para determinar seu coeficiente de segurança no Capítulo 5. Os capítulos posteriores apresentam estudos de caso mais complexos, com mais conteúdo de projeto. O estudo de caso do Capítulo 6 é um exemplo disso: um problema real, retirado da prática do autor. O Capítulo 8 apresenta a análise FEA de diversos estudos de caso e compara os resultados às soluções clássicas apresentadas em capítulos anteriores.

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