20 capítulos
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9 Soldagem, união e o desenho de junções permanentes

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484    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

A forma pode mais prontamente desempenhar a função com a ajuda de processos de união, tais como soldagem, brasagem, fusão de liga de baixa fusão, cementação e colagem

– processos que são hoje usados extensivamente em manufatura. Sempre que partes tiverem de ser montadas ou fabricadas, existe usualmente um bom motivo para considerar um desses processos em trabalho preliminar de desenho. Particularmente quando as seções a serem unidas são finas, um desses métodos pode levar a uma economia significativa. A eliminação de fixadores individuais, com seus orifícios e custos de montagem, é um fator importante. Dessa forma alguns desses métodos permitem também rápida montagem em máquina, promovendo a atratividade deles.

Junções rebitadas permanentes foram comuns como meio de prender perfis laminados de aço, um ao outro, para formar uma junção permanente. A fascinação infantil de ver um rebite quente vermelho-cereja lançado com tenazes através de um esqueleto de edifício para ser infalivelmente agarrado por uma pessoa com uma caçamba cônica, e ser martelado pneumaticamente em sua forma final, é tudo menos esgotada. Dois desenvolvimentos relegaram rebitagem a menor proeminência. O primeiro foi o desenvolvimento de parafusos de porca de aço de alta resistência, cuja pré-carga podia ser controlada.

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3 Análise de cargas e tensões

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94    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

Um dos principais objetivos deste livro é descrever como os componentes de máquina específicos funcionam, assim como desenhá-los e especificá-los de modo que funcionem de maneira segura e sem falhas estruturais. Embora a discussão anterior tenha descrito resistência estrutural em termos de carga ou tensão versus resistência, falha de função por razões estruturais pode surgir de outros fatores tais como deformações ou deflexões excessivas.

Aqui, pressupõe-se que o leitor tenha completado cursos básicos em estática de corpos rígidos e mecânica dos materiais e esteja bem familiarizado com a análise de cargas e tensões e deformações associadas aos estados de carga básica de elementos prismáticos simples. Neste capítulo, bem como no Capítulo 4, revisaremos e extenderemos esses tópicos brevemente. Derivações complestas não serão apresentadas e pede-se ao leitor que reveja livros-texto básicos e notas sobre este assunto.

Este capítulo começa como uma revisão sobre equilíbrio e diagramas de corpo livre associados a componentes transmissores de carga. Deve-se compreender a natureza das forças antes de tentar realizar uma análise ampla das tensões ou deflexões de um componente mecânico. Uma ferramenta extremamente útil para lidar com carregamento descontínuo de estruturas emprega funções de singularidade ou de Macaulay. Funções de singularidade são descritas na Seção 3–3 conforme aplicadas a forças de cisalhamento e momentos flexores. No Capítulo 4, o uso de funções de singularidade será expandido para mostrar o real poder delas no tratamento de deflexões de geometria complexa e problemas estaticamente indeterminados.

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12 Lubrificação e mancais de deslizamento

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624    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

O objetivo da lubrificação é reduzir a fricção, o desgaste e aquecimento de partes de máquinas que se movem em relação umas às outras. Um lubrificante é qualquer substância que, quando inserida entre superfícies que se movem, alcança esses propósitos. Em um mancal de deslocamento (manga), um eixo, ou munhão, roda ou oscila dentro da manga, ou bucha, e o movimento relativo é de deslizamento. Em um mancal antifricção, o movimento relativo principal é o rolamento. Um seguidor pode rolar ou deslizar no came. Os dentes de engrenagem unem-se entre si por uma combinação de rolamento e deslizamento. Pistões deslizam dentro de seus cilindros. Todas essas aplicações requerem lubrificação para reduzir a fricção, o desgaste e aquecimento.

O campo de aplicação dos mancais de munhão é imenso. O eixo de manivela (virabrequim) e os mancais dos eixos de conexão (biela) de um motor de automóvel devem operar por milhares de quilômetros, a temperaturas elevadas e sob condições de carga variante. Os mancais de deslizamento usados em turbinas de vapor de estações de geração de potência têm confiabilidade aproximando-se de 100%. No outro extremo, existem milhares de aplicações nas quais as cargas são leves e o serviço relativamente sem importância: é requerido um mancal simples, facilmente instalável, usando pouca ou nenhuma lubrificação. Em tais casos, um mancal antifricção pode ser uma má resposta por causa do custo, dos recintos elaborados, das tolerâncias apertadas, do espaço radial requerido, das velocidades elevadas ou dos efeitos inerciais aumentados. Em vez disso, um mancal de náilon não requerendo lubrificação, um mancal de metalurgia do pó com lubrificação incorporada, ou ainda um mancal de bronze com oleação de anel, alimentação de pavio ou filme lubrificante sólido, ou lubrificação de graxa, podem ser uma solução muito satisfatória. Desenvolvimentos recentes de metalurgia em materiais de mancal, combinados com o conhecimento ampliado do processo de lubrificação, tornam possível hoje desenhar mancais de munhão com vidas satisfatórias e muito boa confiabilidade.

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7 Eixos e componentes de eixo

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374    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

7–1 Introdução

O eixo é um membro rotativo, usualmente de seção transversal circular, usado para transmitir potência ou movimento. Ele provê o áxis de rotação, ou oscilação, de elementos tais como engrenagens, polias, volantes, manivelas, rodas dentadas e similares, e controla a geometria de seus movimentos. O eixo fixo é um membro não rotativo que não transmite torque e é usado para suportar rodas girantes, polias e similares. O eixo automotivo não é um eixo fixo verdadeiro; o termo é subsistente da era de cavalo e charrete, quando as rodas giravam em membros não rotativos. O eixo não rotativo pode prontamente ser desenhado e analisado como uma viga estática, e não receberá a atenção especial dada neste capítulo a eixos rotativos que estão sujeitos a carregamento de fadiga.

Não há realmente nada único em relação a um eixo que requeira qualquer tratamento especial além dos métodos básicos já desenvolvidos em capítulos anteriores. Contudo, por causa da ubiquidade do eixo em tantas aplicações de desenho de máquinas, existe alguma vantagem em dar ao eixo e seu desenho uma inspeção mais próxima. Um desenho completo de eixo tem muita interdependência como desenho dos componentes. O próprio desenho da máquina ditará que certas engrenagens, polias, mancais e outros elementos terão sido pelo menos parcialmente analisados e seus tamanhos e espaçamentos tentativamente determinados. O Capítulo 18 apresenta um estudo de caso completo de uma transmissão de potência, focando no processo global de desenho. Neste capítulo, detalhes do eixo serão examinados incluindo o seguinte:

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14 Engrenagens cilíndricas de dentes retos e engrenagens cilíndricas helicoidais

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740    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

Este capítulo destina-se primariamente à análise e desenho (projeto) de engrenagens cilíndricas de dentes retos e engrenagens helicoidais que resistam à falha por flexão dos dentes, bem como à falha por crateramento (formação de cavidades) nas superfícies do dente. A falha por flexão ocorrerá quando a tensão significativa do dente igualar ou exceder à resistência ao escoamento ou a resistência de endurança à flexão (limite de resistência à fadiga por flexão). Falha superficial ocorre quando a tensão significativa de contato iguala ou excede a resistência de endurança superficial. As duas primeiras seções apresentam uma pequena história de análises com base nas quais se desenvolveu a metodologia corrente.

A American Gear Manufacturers Association1 (AGMA) foi, por muitos anos, a autoridade responsável pela disseminação de conhecimento pertinente ao desenho e análise de engrenagens. Os métodos que essa organização apresenta estão em uso geral nos Estados

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