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18 Estudo de caso de transmissão de potência

Budynas, Richard Grupo A - AMGH PDF

940    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

Transmitir potência a partir de uma fonte, como um motor de combustão interna ou motor elétrico, através de uma máquina com uma atuação de saída é uma das tarefas mais comuns das máquinas. Um modo eficiente de transmitir potência é por meio do movimento rotativo de um eixo que é suportado por mancais. Engrenagens, polias de correia ou rodas dentadas de correntes podem ser incorporadas para proporcionar o torque e mudanças de velocidade entre eixos. A maioria dos eixos é cilíndrica (sólidos ou ocos) e incluem diâmetros escalonados com espaçadores (mangas) para acomodar posicionamento e suporte para mancais, engrenagens etc.

O desenho de um sistema para transmitir potência requer atenção ao desenho e seleção de componentes individuais (engrenagens, mancais, eixo etc.). Contudo, como é frequente no caso de projeto, esses componentes não são independentes. Por exemplo, para que se desenhe o eixo para tensão e deflexão, é necessário que se conheçam as forças aplicadas. Se as forças são transmitidas por meio de engrenagens, é necessário conhecer as especificações dessas a fim de que se determinem as forças que serão transmitidas ao eixo. Porém, engrenagens de estoque são oferecidas com certos tamanhos de furo, requerendo que se tenha conhecimento do diâmetro do eixo necessário. Não constitui, portanto, surpresa o fato de o processo de desenho ser interdependente e iterativo, porém, por onde o desenhador deve começar?

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19 Análise de elementos finitos

Budynas, Richard Grupo A - AMGH PDF

960    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

Os componentes mecânicos na forma de barras simples, vigas etc. podem ser analisados de forma relativamente fácil utilizando métodos básicos de mecânica que fornecem soluções analíticas. Componentes reais, entretanto, raramente são tão simples, e o desenhador se vê forçado a adotar aproximações menos eficazes de soluções analíticas, experimentação ou métodos numéricos. Existe uma grande variedade de técnicas numéricas usadas em aplicações de engenharia para as quais o computador digital é muito útil. Em desenho mecânico, em que o software CAD (desenho com o auxílio de computador) é intensamente empregado, o método que se integra bem com CAD é a análise de elemento finito

(FEA). A teoria matemática e as aplicações do método são imensas. Há uma série de pacotes de software comerciais disponíveis, por exemplo, ANSYS, NASTRAN, Algor etc.

O propósito deste capítulo é apenas expor o leitor a alguns dos aspectos fundamentais da FEA e, portanto, o conteúdo é de natureza extremamente introdutória. Para maiores detalhes, o leitor deve consultar as diversas referências citadas no final deste capítulo. A Figura 19–1 mostra um modelo de elemento finito de um virabrequim que foi desenvolvido para estudar os efeitos da lubrificação elasto-hidrodinâmica sobre o rolamento e o desempenho estrutural.1

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20 Elementos de estatística

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984    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

O uso de estatística em desenho mecânico é um meio para lidar com características cujos valores são variáveis. Produtos fabricados em grandes quantidades — como automóveis, relógios de pulso, cortadores de grama, máquinas de lavar roupa — possuem uma vida útil que é variável. Um automóvel pode vir a apresentar um número tão grande de defeitos que precisará ser consertado repetidamente durante os primeiros meses de uso, ao passo que um outro pode vir a operar satisfatoriamente por anos, exigindo uma manutenção mínima.

Os métodos de controle de qualidade estão intimamente ligados ao uso da estatística, e os engenheiros de desenho precisam ter conhecimentos de estatística para se adequarem a padrões de controle de qualidade. A variabilidade inerente em limites e ajustes, tensão e resistência, folgas em mancais, bem como em uma grande variedade de outras características, deve ser descrita numericamente para se ter um controle adequado. Não basta dizer que a expectativa para um produto é de uma vida longa e livre de problemas. Temos de expressar coisas como a vida ou a confiabilidade de um produto numericamente para podermos alcançar uma determinada meta de qualidade. Conforme observado na Seção

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5 Falhas resultantes de carregamento estático

Budynas, Richard Grupo A - AMGH PDF

232    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

No Capítulo 1 aprendemos que resistência é uma propriedade ou característica de um elemento mecânico. Essa propriedade resulta da identidade do material, do tratamento e processamento incidental para criar sua geometria e do carregamento, e está na localização de controle ou crítica.

Além de considerarmos a resistência de uma única peça, devemos estar cientes de que as resistências de peças produzidas em massa serão sempre algo diferentes de outras na coleção ou no conjunto por causa das variações em dimensões, usinagem, conformação e composição. Descritores de resistência são necessariamente estatísticos por natureza, envolvendo parâmetros tais como média e desvios padrão e identificação distribucional.

Carga estática é uma força estacionária ou momento aplicado a um membro. Para ser estacionária, a força ou momento deve ser imutável em magnitude, ponto ou pontos de aplicação e direção. Uma carga estática pode produzir tração axial ou compressão, uma carga de cisalhamento, uma carga de flexão, uma carga torcional, ou qualquer combinação dessas. Para ser considerada estática, a carga não pode mudar de maneira alguma.

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4 Deflexão e rigidez

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168    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

Todos os corpos reais deformam sob carga, elástica ou plasticamente. Um corpo pode ser suficientemente insensível à deformação que a presunção de rigidez não afeta a análise o suficiente para justificar um tratamento de corpo não rígido. Se se provar posteriormente que a deformação do corpo não é desprezível, então declarar rigidez foi uma decisão inadequada, e não uma hipótese inadequada. Uma corda de fio trançado é flexível, porém, sob tração ela pode ser robustamente rígida e distorcer enormemente sob tentativas de carregamento de compressão. O mesmo corpo pode ser tanto rígido como não rígido.

A análise de deflexões aparece em situações de desenho (ou projeto) de muitas maneiras.

Um anel de pressão ou de retenção deve ser suficientemente flexível para ser flexionado sem experimentar deformação permanente e poder ser montado com outras peças; posteriormente, ele deve ser rígido o suficiente para manter as peças montadas juntas. Em uma transmissão, as engrenagens devem ser sustentadas por um eixo rígido. Se o eixo flexionar em demasia, isto é, se ele for muito flexível, os dentes das engrenagens não irão engrazar de forma apropriada e o resultado será impacto excessivo, ruído, desgaste excessivos e falha precoce. Ao laminar aço em chapas ou aço em tiras até uma espessura prescrita, os rolos devem ser coroados, isto é, curvados, de modo que o produto acabado será de espessura uniforme. Portanto, para desenhar os rolos é necessário saber exatamente quanto flexionarão quando uma chapa de aço for laminada entre eles. Às vezes elementos mecânicos devem ser desenhados para ter uma determinada característica de força-deflexão. O sistema de suspensão de um automóvel, por exemplo, deve ser projetado dentro de um intervalo muito estreito para alcançar uma frequência de vibração ótima para todas as condições de carregamento do veículo, pois o corpo humano se sente confortável apenas em um intervalo limitado de frequências.

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