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11 Mancais de contato rolante

Budynas, Richard Grupo A - AMGH PDF

576    Elementos de máquinas de Shigley: projeto de engenharia mecânica

Os termos mancal de contato com rolamento, mancais antifricção e mancais de rolamento são utilizados para descrever aquela classe de mancal na qual a carga principal é transferida por elementos em contato rolante em lugar de contato de deslizamento. Em um mancal de rolamento, a fricção de partida é cerca de duas vezes a de funcionamento, porém ainda assim insignificante em comparação com a fricção de partida de um mancal de manga. Carga, velocidade e a viscosidade de operação do lubrificante afetam as características friccionais de um mancal de rolamento. É, provavelmente, um erro descrever um mancal de rolamento como de “antifricção”, porém o termo é utilizado de forma generalizada na indústria.

Do ponto de vista do desenhador mecânico, o estudo de mancais antifricção difere em vários aspectos se comparado ao estudo dos outros tópicos, uma vez que os mancais especificados já foram projetados anteriormente. O especialista em desenho de mancais antifricção confronta-se com o problema de desenhar um grupo de elementos que compõe um mancal de rolamento: estes elementos devem ser desenhados para caber em um espaço cujas dimensões são especificadas; eles devem ser desenhados para receber uma carga que possui certas características e, finalmente, devem ser desenhados para ter uma vida satisfatória quando operados sob condições especificadas. Especialistas em mancais devem, portanto, considerar matérias como carregamento de fadiga, fricção, calor, resistência à corrosão, problemas cinemáticos, propriedades do material, lubrificação, tolerâncias de usinagem, montagem, uso e custo. A partir da consideração de todos esses fatores, especialistas em mancais chegam a um compromisso que, em seus julgamentos, representa uma boa solução para o problema, como enunciado.

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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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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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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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18 Estudo de caso de transmissão de potência

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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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