1. Joseph E. Shigley (falecido em maio de 1994) Professor Emrito na Universidade de Michigan e membro da American Society of Mechanical Engineers (ASME), Shigley recebeu a medalha Worcester Reed Warner em 1977 e o Machine Design Award em 1985. autor de oito livros, incluindo Theory of Machines and Mechanisms (com John J. Uicker, Jr.) e Applied Mechanics of Materials, alm de co-editor-chefe do Standard Handbook of Machine Design. Em 1956, deu incio a Machine Design como nico autor, obra que evoluiu at resultar em Mechanical Engineering De- sign, definindo o modelo para tais livros-texto. Foi tambm agraciado com os diplomas de B.S.M.E. e B.S.E.E., na Purdue University, e com o de M.S., na Universidade de Michigan. Charles R. Mischke ocupou posies acadmicas na Universidade do Kansas,-no Pratt Institute, em No- va York, e na Universidade de Iowa. Recebeu muitos prmios relativos a ensino e bolsas de estudo, incluin- do o Machine Design Award e o Life Fellow da ASME. Alm de vrias publicaes de pesquisa, autor de Elements of Mechanical Analysis (1963), Intwduction to Computer-Aided Design (1968), Mathematical Model Building (1980); co-autor de Mechanical Engineering Design (1986 e 2001); e co-editor-chefe do premiado Standard Handbook of Machine Design (1986 e 1993). Foi tambm agraciado com os diplomas de B.S.M.E. e M.M.E., na Cornell University, e com o de Ph.D., na Universidade de Wisconsin. engenheiro profissional licenciado em Iowa e no Kansas e faz con- ferncias, em vrios fruns, sobre tpicos de interesse mtuo. Richard G. Budynas professor de Engenharia Mecnica no Rochester Institute of Technology. Tem mais de 30 anos de experincia em ensino e no exerccio de projetos de engenharia mecnica. autor de Advan- ced Strength and Applied Stress Analysis, livro-texto recentemente revisto e publicado em segunda edio, e co-autor de um livro de referncia, tambm recentemente revisto, Roark's Formulasfor Stress and Strain, em stima edio. Projeto de engenharia mecnica / Joseph E Shigley, Charles R. Mischke, Richard G. Budynas : traduo Joo Batista de Aguiar, Jose' Manoel de Aguiar. - 7. ed. - Porto Alegre : Bookman, 2005. 960 p.; 28 cm. ISBN 978-85-363-0562-2 1, Engenharia mecnica. 2. Mquina - Desenho tcnico. 3. Desenho tcnico mecnico. I. Mischke, Charles R. II. Budynas, Richard G. III. Ttulo. S555p Shigley, Joseph E. CDU 621 Catalogao na publicao: Jlia Angst Coelho - CRB Provisrio 05/05

2. Josepfi E. Shigley Professor da University of Michigan Charles R. Mischke Professor Emrito de Engenharia Mecnica da lowa State University Richard G. Budynas Rochester (nstitute of Technology 7 Edioo Traduo: Joo Batista de Aguiar Ph. D. em Engenharia Mecnica pelo Massachusetts Institute of Technology Professor da Escola Politcnica da USP Jos Manoel de Aguiar Ph. D. em Engenharia Mecnica pela Stanford University Professor de Engenharia Mecnica da Faculdade de Tecnologia de So Paulo - FatecSP Reimpresso 2008 2005 3. Obra originalmente publicada sob o ttulo Mechanical Engineering Design, 7/e 2004, The McGraw-Hill Companies, Inc., New York, NY, EUA ISBN 0-07-252036-1 Capa: Mrio Rhnelt Preparao do original: Andr Luiz de Godoy Vieira Leitura final: Sandra Waldez Andretta Superviso editorial: Arysinha Jacques Affonso e Denise Weber Nowaczyk Editorao eletrnica: Laser House Reservados todos os direitos de publicao, em lngua portuguesa, ARTMED EDITORA S. A. (BOOKMAN COMPANHIA EDITORA uma diviso da ARTMED EDITORA S.A.) Av. Jernimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070 proibida a duplicao ou reproduo deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrnico, mecnico, gravao, fotocpia, distribuio na Web e outros), sem permisso expressa da Editora, SO PAULO Av. Anglica, 1091 - Higienpolis 01227-100 So Paulo SP Fone (11) 3665-1100 Fax (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA 120010043549 IMPRESSO NO BRASIL PR1NTED IN BRAZIL 4. s muitas pessoas que me incentivaram a crescer profissional e espiritualmente ao longo da vida, especialmente minha esposa, Joanne, e minha falecida me, Inez. In- cludos a esto tambm muitos companheiros educadores, estudantes e projetistas a quem sou grato. Richard G. Budynas A todos os meus mais de 3.500 alunos, os quais me fizeram muitas e excelentes per- guntas, aprenderam a faz-las a si mesmos, e ento a respond-las, seguindo adiante, para orgulho de suas alma maters. Charles R. Mischke 5. Agradeci rnentos Esta edio contou com a assistncia e os comentrios e sugestes de muitos colegas. Gostaramos de agra- decer s seguintes pessoas: Leonard L. Bashford, University ofNebraska David Beale, Auburn University P. Thomas Blotter, Utah State University Stephen Boedo, Rochester Institute of Technology Lawrence Carison, University of Colorado, Boitlcler Robert Corey, United States Naval Academy Jerry Fuh, National University ofSingapore Vladimir Glozman, Califrnia State Polyteclmic University, Pomona Itzak Green, Gergia Tech. University A. Henry Hagedoorn, University of Central Florida K. R. Halliday, Ohio University Antony Hodgson, University ofBritish Columbia Cecil Huey, Jr., Clemson University E. William Jones, Mississippi State University Tim Lee, McGill University Robert LeMaster, University ofTennessee Liwei Lin, University of California-Berkeley Noah D. Manring, University of Missouri-Columbia David M. McStravick, Rice University Alan H. Nye, Rochester Institute of Technology Keith Nisbitt, University of Missouri-Rolla Mareia 0'Malley, Rice University Gordon Pennock, Purclue University R. E. Rowlands, University ofWisconsin Kazuhiro Saitou, University ofMichigan Albert J. Shih, North Carolina State University Brian S. Thompson, Michigan State University Ng Heong Wah, Nanyang Technological University, Singapore Agradecemos especialmente a Om Prakash Agrawal, da Southern Illinois University, e Vladimir Gloz- man. da Califrnia State Polytechnic University, Pomona, por sua ajuda na preciso do texto, e a Robert West. Reginald Mitchiner. Charles Knight (in memoriam), Shih-Liang (Sid) Wang, Elizabeth Kenyon e Ed- ward Anderson, por seu auxlio nos recursos de texto do Centro de Aprendizagem Online. 6. refcio Objetivos Esta obra destina-se a todos aqueles que esto iniciando seus estudos de projeto de engenharia mecnica, ser- vindo tambm como um livro bsico de referncia para engenheiros no exerccio da profisso. Seus objeti- vos so: Abarcar os fundamentos do projeto de mquinas, incluindo itens como processo do projeto, enge- nharia mecnica e de materiais, preveno de falha sob carregamento esttico e varivel e caracte- rsticas dos principais tipos de elementos mecnicos. Oferecer uma abordagem prtica do assunto, mediante exemplos e aplicaes prticas. Incentivar os leitores a associar projeto e anlise. Abordagem Geral: Retomada dos Fundamentos Esta stima edio mantm e reala as caractersticas mais populares das edies anteriores, ao mesmo tem- po em que deixa de fora alguns elementos no-essenciais. O alcance desta obra enfoca as principais tendn- cias do projeto de mquinas, apresentando somente uma discusso moderada dos mtodos estatsticos. O texto enfatiza uma abordagem prtica de cada tpico, com problemas concisos de projeto e exem- plos ilustrando o processo de tomada de deciso. O texto acessvel e direto, com muitos captulos contendo uma discusso reduzida de tpicos avan- ados. O Que H de Novo Nesta Edio Nossa meta para a stima edio deste livro foi torn-la mais acessvel aos leitores, no que diz respeito a con- ceitos-chave e procedimentos no projeto de mquinas. O texto contm muitas caractersticas novas e reala- das. Entre os pontos de interesse, destacam-se os seguintes: Cobertura prtica do projeto cie mquinas bsico. Tal cobertura foi simplificada, enfocando os t- picos mais importantes e que melhor se ajustam ao currculo tpico de engenharia. Os leitores pode- ro identificar com maior facilidade o desenvolvimento dos conceitos principais. Cobertura aprimorada da engenharia mecnica e da preveno de falhas. Uma discusso acentua- da de tpicos-chave como fratura e fadiga fornecida. Todos os tpicos so apresentados em ordem lgica, e a cobertura condensada. Cobertura realada do projeto de componente de mquina. Esta edio aprimora ainda mais a j bastante prtica e qualificada cobertura anterior das consideraes de projeto para as principais componentes de mquina. o Srie de problemas revista e ampliada. Os problemas anteriores foram atualizados e novos proble- mas foram acrescentados. Todos esto organizados de modo que se progrida do bsico ao desafia- dor de forma consistente. Os problemas orientados estatstica foram reduzidos drasticamente, en- fatizando a soluo determinstica dos problemas fundamentais de projeto. Mudanas de Contedo e Reorganizao Todos os captulos-chave foram reescritos e os tpicos, reorganizados, de modo a fornecer maior clareza e progresso lgico. O estilo do texto direto, objetivando uma fcil compreenso. Alguns pontos relevantes so mencionados a seguir. 7. Parte 1: Fundamentos A Parte 1 fornece uma introduo lgica e unificada ao projeto de mquinas. Os captulos foram encurtados e enfocam nitidamente conceitos-chave, permitindo aos estudantes obter rapidamente um fundamento bsi- co sobre a essncia do assunto. Captulo 1, Introduo. Atualizado com exemplos contemporneos, com cobertura de ferramentas de projeto e recursos e com informaes novas sobre como utilizar a Internet. o Captulo 2, Consideraes estatsticas. Uma reviso geral autocontida de estatstica que remete abordagem vista nas edies anteriores (os exemplos bsicos de estatstica e os problemas foram drasticamente reduzidos nos captulos subseqentes). e Captulo 3, Materiais. Tratado como tpico de reviso e deslocado para adiante. Os tpicos avan- ados esto agora dispostos em captulos nos quais materiais especficos so aplicados em projeto. Foi acrescentada a cobertura de compsitos. Captulo 4, Carga e anlise de tenso. Texto reescrito, apresentando uma melhor fluncia e clare- za. H cobertura extra sobre carregamento em geral, bem como sobre equilbrio, diagramas de cor- po livre, fora de cisalhamento, momentos flexores, funes de singularidade e vigas curvas. Capitulo 5, Deflexo e rigidez Simplificado com uma cobertura clara e incluindo exemplos prti- cos de sobreposio, funes de singularidade e mtodo de Castigliano. Parte 2: Preveno de Falha Algumas das mais significativas melhorias desta edio podem ser encontradas na Parte 2, que agora desta- ca uma cobertura condensada, clara e concisa. Captulo 6, Falhas resultantes de carregamento esttico. Melhor organizao em todo o captulo e uma discusso a respeito de mecnica de fraturas - um tpico-chave. Captulo 7, Falha de fadiga resultante de carregamento varivel. Melhorias significativas foram feitas neste captulo crucial. Agora, ele se desenvolve de maneira lgica, empregando uma aborda- gem determinstica, desde os conceitos gerais sobre falha de carregamento varivel at a discusso de tpicos como vida sob tenso, vida sob deformao e mtodos de mecnica de fratura. Novas ilustraes foram acrescentadas, e os mtodos estatsticos foram movidos para o final do captulo. Parte 3: Projeto de Elementos Mecnicos A Parte 3 abarca o projeto de componentes de mquina especficas. A apresentao do material foi realada para uma melhor fluncia. Exemplos e problemas, novos e mais apropriados, foram acrescentados. A cober- tura foi organizada e simplificada integralmente, tendo sido removida a maioria dos exemplos e problemas estatisticamente fundamentados. Os tpicos abrangidos so os seguintes: Captulo 8, Parafusos, fixadores e projeto de junes no-permanentes Captulo 9, Soldagem, unio e projeto de junes permanentes Captulo 10, Molas mecnicas Captulo 11, Mancais de contato rolante Captulo 12, Lubrificcio e mancais de munho Captulo 13, Engrenagens - geral Captulo 14, Engrenagens retas e helicoidais Captulo 15, Engrenagens cnicas e sem-fim Capitulo 16, Embreagens, freios, acoplamentos e volante Captulo 17, Elementos mecnicos flexveis Captulo 18, Eixos rotativos e eixos fixos 8. PREFCIO i x Ferramentas de Aprendizagem Esta edio destaca muitos elementos que podem ajudar os estudantes a rapidamente entender e utilizar os conceitos de projeto de mquinas. As ferrarnentas-chave de aprendizagem so delineadas a seguir. Introdues de captulo. Cada captulo abre com uma introduo que explica seus objetivos e a impor- tncia dos tpicos abordados. Exemplos solucionados. Cada captulo contm diversos exemplos solucionados que esclarecem o ma- terial e ilustram os conceitos bsicos. Problemas de fim de captulo. Cada captulo termina com uma srie de problemas prticos que ajudam a reforar o entendimento do material pelos estudantes. Uso extenso de material grfico. Desenhos e fotografias so usados extensivamente em todos os cap- tulos, para ilustrar o material e ajudar os estudantes a visualizar conceitos e problemas. Suplementos Ferramentas do Centro de Aprendizagem Nosso novo Centro de Aprendizagem Online* oferece vrias ferramentas computacionais prticas para aju- dar estudantes e instrutores a explorar e dominar os conceitos do projeto de mquinas. Os elementos-chave incluem o seguinte: Suplementos dos Estudantes Tutoriais Apresentao dos 10 principais conceitos, com visualizao. Entre os tpicos aborda- dos esto os seguintes: projeto de vaso de presso, ajuste prensado e de contrao, tenses de con- tato e projeto para falha esttica. MATLAB para projeto de mquinas. Inclui simulaes visuais e acompanhadas de cdigo-fonte. Tais simulaes esto ligadas a exemplos e problemas no texto, bem como demonstram maneiras como programas computacionais podem ser utilizados em projeto mecnico e anlise. FEPC. Um programa de anlise de elemento finito, bidimensional, que fornece aos leitores uma ferramenta fcil de empregar para entender o uso de FEA no projeto mecnico. Uma apostila sobre elementos fmitos explica o uso do programa e sua aplicao a problemas de projeto mecnico. Tu- toriais adicionais de FEM provem um exame mais detalhado das aplicaes de FEA a situaes de projeto de mquinas. Questes de exame dos fundamentos da engenharia (FE) para projeto de mquinas. Testes de en- genharia relacionados ao projeto mecnico, com problemas interativos e solues. Essas questes de mltipla escolha servem como problemas efetivos, de auto-avaliao, bem como para a prepara- o do exame de FE. Suplemento dos Instrutores (com Senha de Proteo)** Manual de solues. Um manual do instrutor com solues para a maioria dos problemas de fim de captulo que no so de projeto. * N de R. Material exclusivamente em ingls disponvel no site da editora original (www.mhhe.com). **N de R. Material disponvel exclusivamente para professores. Solicitaes podem ser encaminhadas para secretariaeditorial@artmed.com.br. 9. Sumrio Resumido Parte I Fundamentos 23 1 Introduo 25 2 Consideraes Estatsticas 53 3 Materiais 85 4 Carga e Anlise de Tenso 115 5 Deflexo e Rigidez 191 Parte II Preveno de Falha 249 6 Falhas Resultantes de Carregamento Esttico 251 7 Falha por Fadiga Resultante de Carregamento Varivel 301 Parte III Projetos de elementos mecnicos 383 8 Parafusos, Fixadores e Projeto de Junes No-Perrrianentes 385 9 Soldagem, Unio e Projeto de Junes Permanentes 4 4 7 1 0 Molas Mecnicas 4 8 9 11 Mancais de Contato Rolante 535 1 2 Lubrificao e Mancais de Munho 5 7 7 1 3 Engrenagens - Geral 6 2 7 14 Engrenagens Cilndricas de Dentes Retos e Engrenagens Cilndricas Helicoidais 681 15 Engrenagens Cnicas e Sem-Fim 7 2 7 1 6 Embreagens, Freios, Acoplamentos e Volantes 765 1 7 Elementos Mecnicos Flexveis 815 18 Eixos Rotativos e Eixos Fixos 863 Apndice A Tabelas teis 899 B Respostas de Problemas Selecionados 9 4 9 ndice 953 10. Sumrio P a r t e ! Fundamentos 23 1 Introduo 25 1-1 Projeto 26 1-2 Projeto de Engenharia Mecnica 28 1-3 Interao entre os Elementos do Processo de Projeto 31 1 -4 Ferramentas de Projeto e Recursos 34 1-5 Responsabilidades Profissionais do Engenheiro de Projeto 35 1 -6 Cdigos e Padronizaes 3 7 1 -7 Economia 3 7 1 -8 Segurana e Responsabilidade do Produto 39 1-9 Avaliao de Adequao 39 1 - 1 0 Incerteza 4 0 1 - 1 1 Tenso e Resistncia 41 1-12 Fator de Projeto e Fator de Segurana 4 4 1-13 Confiabilidade 45 1-14 Unidades e Unidades Preferenciais 4 6 1 - 1 5 Clculos e Algarismos Significativos 48 PROBLEMAS 4 9 2 Consideraes Estatsticas 53 2-1 Variveis Aleatrias 5 4 2-2 Mdia Aritmtica, Varincia e Desvio-Padro 56 2-3 Distribuies de Probabilidade 6 0 2-4 Propagao do Erro 6 7 2-5 Regresso Linear 69 2-6 Limites e Ajustes 71 2-7 Dimenses e Tolerncias 75 PROBLEAAAS 78 3 Materiais 85 3-1 Resistncia e Rigidez dos Materiais 86 3-2 Significado Estatstico das Propriedades dos Materiais 89 3-3 Resistncia e Trabalho a Frio 90 3-4 Dureza 93 3-5 Propriedades de Impacto 95 3-6 Efeitos da Temperatura 9 6 3-7 Sistemas de Numerao 9 7 3-8 Fundio em Areia 98 3-9 Moldagem em Casca 98 3-10 Fundio em Revestimento 99 3-1 1 Processo de Metalurgia do P 99 3-12 Processos de Trabalho a Quente 99 3-13 Processos de Trabalho a Frio 100 3-14 Tratamento Trmico do Ao 101 3-15 Aos de Liga 103 3-16 Aos Resistentes Corroso 104 3-17 Materiais de Fundio 105 3-18 Metais No-Ferrosos 106 3-19 Plsticos 109 3-20 Materiais Compsitos 1 10 PROBLEMAS 111 4 Carga e Anlise de Tenso 115 4-1 Equilbrio e Diagramas de Corpo Livre 116 4-2 Fora de Cisalhamento e Momentos Flexores em Vigas 1 19 4-3 Funes de Singularidade 1 20 4-4 Tenso 123 4-5 Componentes Cartesianas de Tenso 1 24 4-6 Crculo de Mohr para Tenso Plana 125 4-7 Tenso Tridimensional Geral 1 30 4-8 Deformao Elstica 1 31 4-9 Tenses Uniformemente Distribudas 132 11. 1 6 SUMRIO 4 - 1 0 Tenses Normais para Vigas em Flexo 133 4 - 1 1 Vigas com Seces Assimtricas 138 4 - 1 2 Tenses de Cisalhamento para Vigas em Flexo 138 4-13 Toro 144 4-14 Concentrao de Tenso 153 4 - 1 5 Tenses em Cilindros Pressurizados 155 4 - 1 6 Tenses em Anis Rotativos 158 4 - 1 7 Ajustes por Presso e por Contrao 158 4-18 Efeitos da Temperatura 160 4 - 1 9 Vigas Curvas em Flexo 161 4 - 2 0 Tenses de Contato 168 4-21 Resumo 172 PROBLEMAS 172 5 Deflexo e Rigidez 191 5 - 1 Razes de Mola 192 5 - 2 Trao, Compresso e Toro 193 5 - 3 Deflexo por Flexo 193 5 - 4 Mtodos de Deflexo de Viga 196 5 - 5 Determinao das Deflexes de Viga por Superposio 197 5 - 6 Deflexes de Viga por Funes de Singularidade 199 5 - 7 Energia de Deformao 203 5 - 8 Teorema de Castigliano 206 5-9 Deflexo de Membros Curvos 2 1 0 5-10 Problemas Estaticamente Indeterminados 214 5-11 Membros de Compresso - Geral 219 5-12 Colunas Longas com Carregamento Central 221 5-13 Colunas de Comprimento Intermedirio com Carregamento Central 224 5-14 Colunas com Carregamento Excntrico 224 5-15 Pilarete, ou Membros Curtos de Compresso 228 5-16 Choque e Impacto 230 5-17 Carregamento Aplicado Subitamente 231 PROBLEMAS 233 Parte II Preveno de Falha 249 6 Falhas Resultantes de Carregamento Esttico 251 6-1 Resistncia Esttica 252 6-2 Concentrao de Tenso 258 6-3 Teorias de Falha 259 6-4 Teoria da Tenso Mxima de Cisalhamento para Materiais Dcteis 260 6-5 Teoria da Energia de Distoro para Materiais Dcteis 261 6-6 Teoria de Coulomb-Mohr para Materiais Dcteis 2 6 7 6-7 Resumo das Falhas de Materiais Dcteis 269 6-8 Teoria da Tenso Normal Mxima para Materiais Frgeis 272 6-9 Modificaes da Teoria de Mohr para Materiais Frgeis 274 6-10 Resumo da Falha de Materiais Frgeis 276 6-11 Seleo de Critrios de Falha 2 7 7 6-12 Carregamento Esttico ou Quase Esttico em um Eixo 278 6-13 Introduo Mecnica de Fratura 2 8 0 6-14 Anlise Estocstica 289 PROBLEMAS 295 7 Falha por Fadiga Resultante de Carregamento Varivel 301 7-1 Introduo Fadiga em Metais 3 0 2 7-2 Abordagem da Falha por Fadiga em Anlise e Projeto 303 7-3 Mtodos da Vida sob Fadiga 3 0 9 7-4 Mtodo da Vida sob Tenso 309 7-5 Mtodo da Vida sob Deformao 311 7-6 Mtodo da Mecnica de Fraturas Linear Elstica 314 7-7 Limite de Resistncia 31 7 7-8 Resistncia Fadiga 319 7-9 Fatores Modificadores do Limite de Resistncia 321 7-10 Concentrao de Tenso e Sensibilidade a Entalhe 328 7-11 Caracterizao de Tenses Flutuantes 336 7-12 Critrios de Falha por Fadiga sob Tenses Flutuantes 338 7-13 Resistncia Fadiga Torcional sob Tenses Flutuantes 352 7-14 Combinaes de Modos de Carregamento 352 7-15 Tenses Flutuantes e Variveis; Dano Cumulativo de Fadiga 355 7-16 Resistncia Fadiga de Superfcie 360 7-17 Anlise Estocstica 363 PROBLEMAS 376 RESUMO DAS PARTES 1 E 2 382 12. SUMRIO 1 5 Parte III Projetos de elementos mecnicos 383 8 Parafusos, Fixadores e Projeto de Junes No-Permanentes 385 8-1 Padres de Rosca e Definies 386 8-2 Mecnica dos Parafusos de Potncia 3 8 7 8-3 Fixadores Rosqueados 3 9 7 8-4 Junes - Rigidez de Fixadores 398 8-5 Junes - Rigidez de Membro 4 0 2 8-6 Resistncia de Parafuso de Porca 405 8-7 Junes de Trao - Carga Externa 4 0 7 8 - 8 Relacionando o Torque Trao de Parafuso de Porca 4 0 9 8-9 Juno de Trao Carregada Estaticamente com Pr-Carga 4 1 2 8 - 1 0 Junes de Gaxeta 415 8 - 1 1 Carregamento de Fadiga de Junes de Trao 415 8-12 Junes de Cisalhamento 421 8-13 Parafusos de Reteno 4 2 6 8-14 Chavetas e Pinos 4 2 7 8 - 1 5 Consideraes Estocsticas 433 PROBLEMAS 4 3 4 9 Soldagem, Unio e Projeto de Junes Permanentes 447 9-1 Smbolos de Soldagem 448 9-2 Soldas de Topo e Filete 4 5 0 9-3 Tenses em Junes Soldadas sob Toro 453 9-4 Tenses em Junes Soldadas sob Flexo 458 9-5 Resistncia de Junes Soldadas 4 6 0 9-6 Carregamento Esttico 463 9 - 7 Carregamento de Fadiga 4 6 6 9-8 Soldagem de Resistncia 4 6 8 9-9 Junes Rebitadas e Parafusadas com Porcas Carregadas em Cisalhamento 4 6 9 9-10 Unio por Adesivos 473 PROBLEMAS 4 8 0 10 Molas Mecnicas 489 1 0 - 1 Tenses em Molas Helicoidais 4 9 0 10-2 Efeito de Curvatura 491 10-3 Deflexo de Molas Helicoidais 4 9 2 10-4 Molas de Compresso 4 9 2 10-5 Estabilidade 493 10-6 Materiais de Mola 4 9 4 10-7 Projeto de Molas Helicoidais de Compresso para Servio Esttico 4 9 9 10-8 Freqncia Crtica de Molas Helicoidais 504 10-9 Carregamento de Fadiga de Molas Helicoidais de Compresso 5 0 6 1 0 - 1 0 Projeto de Molas Helicoidais de Compresso para Carregamento de Fadiga 509 1 0 - 1 1 Molas de Extenso 5 1 2 1 0 - 1 2 Molas de Toro de Espiras Helicoidais 519 10-13 Molas Belleville 526 1 0 - 1 4 Molas Diversas 5 2 6 10-15 Resumo 528 PROBLEMAS 528 11 Mancais de Contato Rolante 535 11-1 Tipos de Mancais 536 11-2 Vida do Mancai 538 11-3 Carga e Vida do Mancai na Confiabilidade Especificada 5 3 9 11-4 Sobrevivncia do Mancai: Confiabilidade versus Vida 541 11-5 Relacionando Carga, Vida e Confiabilidade 542 11-6 Carregamento Combinado Radial e Axial 5 4 4 11-7 Carregamento Varivel 548 1 1 - 8 Seleo de Mancais de Esferas e Rolos Cilndricos 5 5 2 11-9 Seleo de Mancais de Rolos Cnicos 5 5 4 1 1 - 1 0 Avaliao do Projeto para Mancais Selecionados de Contato Rolante 565 1 1 - 1 1 Lubrificao 5 6 9 11-12 Montagem e Recinto 5 6 9 PROBLEMAS 573 12 Lubrificao e Mancais de Munho 577 12-1 Tipos de Lubrificao 578 12-2 Viscosidade 5 7 9 12-3 Equao de Petroff 5 8 0 12-4 Lubrificao Estvel 5 8 2 12-5 Lubrificao de Filme Espesso 583 12-6 Teoria Hidrodinmica 583 13. 1 6 SUMRIO 1 2 - 7 Consideraes de Projeto 5 8 8 1 2 - 8 As Relaes das Variveis 5 8 9 1 2 - 9 Condies de Estado Permanente em Mancais Autocontidos 6 0 2 12-10 Folga 05 1 2 - 1 1 Mancais de Alimentao por Presso O 1 2 - 1 2 Cargas e Materiais 612 1 2 - 1 3 Tipos de Mancai 6 1 4 1 2 - 1 4 Mancais de Empuxo 15 1 2 - 1 5 Mancais de Contorno Lubrificado 61 PROBLEMAS 623 13 Engrenagens - Geral 627 1 3 - 1 Tipos de Engrenagens 6 2 8 13-2 Nomenclatura 29 1 3 - 3 Ao Conjugada 6 3 0 1 3 - 4 Propriedades da Evolvente 631 13-5 Fundamentos 6 3 2 13-6 Razo de Contato 6 3 7 13-7 Interferncia ngulo, comprimento de onda ift Integral da inclinao p Raio de curvatura a Tenso normal a' Tenso de von Mises cr Variante da tenso normal a Desvio-padro x Tenso de cisalhamento x Variante da tenso de cisalhamento 6 ngulo, parmetro caracterstico de Weibull 0 Custo por peso unitrio $ Custo 18. j r~ iMeifilOCi) 19. PARTE UNDAMENTOS 20. CAPTULO Introduor 1-1 Projeto 26 1-2 Projeto de Engenharia Mecnica 28 1 =3 Interao entre os Elementos do Processo de Projeto 31 1 -4 Ferramentas de Projeto e Recursos 34 1-5 Responsabilidades Profissionais do Engenheiro de Projeto 35 1-6 1-7 1-8 Cdigos e Padronizaes 37 Economia 37 Segurana e Responsabilidade do Produto 39 1-9 Avaliao de Adequao 39 1-10 Incerteza 40 1-11 1-12 1-13 1-14 1-15 Tenso e Resistncia 41 Fator de Projeto e Fator de Segurana 44 Confiabilidade 45 Unidades e Unidades Preferenciais 46 Clculos e Algarismos Significativos 48 21. 2 6 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA Este captulo introduzir muitas idias, algumas das quais podero ser novas para voc, tanto em contexto quanto em contedo. O projeto mecnico uma tarefa complexa, que requer diversas habilidades. Um vo- cabulrio que permita a subdiviso de muitas relaes em uma srie de tarefas simples faz-se necessrio. A complexidade do assunto sugere uma seqncia na qual as idias possam ser introduzidas e revistas. Nesse sen- tido, consideraremos alguns tpicos brevemente neste captulo, para servir de orientao. Adiante, esses tpi- cos sero desenvolvidos em detalhes e as dvidas, esclarecidas; assim, eles se tornaro familiares para voc. Consideraremos primeiramente a natureza do projeto em gerc e, ento, o projeto de engenharia mecni- ca em particular. Um projeto um processo iterativo com muitas fases interativas. Aprender e especializar-se constitui um processo contnuo medida que voc completa sua educao formal e segue sua carreira. Exis- tem muitos recursos para apoiar o projetista, incluindo fontes de informao como a Internet e diversas ferra- mentas computacionais de projeto. H funes a serem desempenhadas pelos cdigos e padronizaes, bem como uma economia sempre presente, alm da segurana e de consideraes de confiabilidade do produto. Assim, o foco do captulo se estreita e a habilidade primordial do projetista - a avaliao de adequa- o - considerada. Questes de incerteza sempre estiveram presentes nos projetos de engenharia, e mto- dos foram desenvolvidos a partir do conhecimento crescente. E dada ateno especial a termos como tenso e resistncia e distino entre fator de projeto e fator de segurana. A confiabilidade considerada, assim como unidades, unidades preferenciais, clculos e figuras significativas. Processos que envolvem tomada de deciso so comuns a todas as disciplinas do campo de projeto de engenharia - no somente ao projeto de engenharia mecnica. Todavia, na medida em que nosso assunto o projeto de engenharia mecnica, vamos utiliz-lo como veculo para o entendimento desses processos de tomada de deciso e para aplic-los a situaes prticas. Este livro consiste em trs partes. A Parte 1 inicia explicando algumas diferenas entre projeto e anli- se, alm de introduzir noes fundamentais e enfoques de projeto. Ela segue ento com um captulo sobre m- todos estatsticos (Captulo 2). Um conhecimento de anlise estatstica no se faz necessrio para estudar o balano do material neste livro. Contudo, voc encontrar algumas idias teis no Captulo 2, bem como m- todos para auxiliar no entendimento e aperfeioar seu projeto. A seguir, h uma reviso das propriedades dos materiais, uma anlise de tenso e uma introduo rigidez e anlise de deflexo. A Parte 2, sobre preveno de falha, consiste em dois captulos acerca da preveno de falha em peas me- cnicas. O motivo de estas falharem e a maneira como elas podem ser projetadas para prevenir falhas so ques- tes difceis, de modo que sero utilizados dois captulos para respond-las - um sobre preveno de falhas de- correntes de cargas estticas e o outro sobre preveno de falhas decorrentes de fadiga e de cargas dinmicas. Na Parte 3, o material das Partes 1 e 2 aplicado anlise, seleo e ao projeto de elementos mec- nicos especficos, tais como fixadores, soldagern. molas, mancais de contato de rolamento, mancais de fil- me, engrenagens, correias, correntes e cabos de fios. O projeto de eixos rene as influncias de vrios dos elementos precedentes. 1-1 Projeto Projetar consiste tanto em formular um plano para a satisfao de uma necessidade especfica quanto em so- lucionar um problema. Se tal plano resultar na criao de algo tendo uma realidade fsica, ento o produto dever ser funcional, seguro, confivel, competitivo, utilizvel, manufaturvel e mercvel. Esses termos so definidos da seguinte forma: Funcional. O produto deve apresentar um desempenho que atenda s necessidades e expectativas do consumidor. Seguro. O produto no deve oferecer perigo ao usurio, a circunstantes ou a propriedades vizinhas. Perigos que no podem ser "evitados por projeto" devem se valer de anteparos (envoltrios prote- tores); se isso no for possvel, informaes apropriadas ou avisos devem ser fornecidos. Confivel. Confiabilidade a probabilidade condicional, a um determinado nvel de confiana, de que o produto ir desempenhar sua funo proposta satisfatoriamente, ou sem falhar a uma deter- minada idade. Competitivo. O produto deve ser um forte competidor em seu mercado. Utilizvel. O produto deve ser "amigvel ao usurio", acomodando-se a especificaes como tama- nho, resistncia, postura, alcance, fora, potncia e controle humanos. Manufaturvel. O produto deve ser reduzido a um nmero "mnimo" de componentes, adequados produo em massa, com dimenses, distoro e resistncia sob controle. Mercvel. O produto pode ser comprado, e servios de assistncia tcnica devem estar disponveis. 22. CAPTULO 1 INTRODUO 2 7 Para lembrarmos que os projetos apresentam restries e tm de exibir qualidades conhecidas desde o incio, um imperativo de projeto pode ser expresso como segue: Projete (sujeito a algumas restries de soluo de problemas) uma componente, um sistema ou um processo que realize uma tarefa especificada (sujeita a certas restries de soluo) otimamente. As expresses entre parnteses se referem a qualificaes impostas ao projeto. A metodologia de soluo restringida por aquilo que o projetista conhece, ou pode fazer; a soluo, alm de funcional, segura, confi- vel, competitiva, utilizvel, manufaturvel e mercvel, deve tambm ser legal e adaptar-se aos cdigos e pa- dres aplicveis. importante que o projetista comece sabendo como reconhecer uma alternativa satisfatria e co- mo distinguir entre duas alternativas satisfatrias, a fim de identificar a melhor. A partir desse fundamen- to, estratgias de otimizao podero ser elaboradas e selecionadas. Logo, desdobram-se as seguintes ta- refas: Elaborar solues alternativas. a Estabelecer mtricas-chave de desempenho. o Mediante anlise e teste, simular e predizer o desempenho de cada alternativa, retendo as satisfat- rias e descartando as insatisfatrias. Escolher a melhor alternativa satisfatria descoberta como uma aproximao ao timo. Implementar o projeto. A caracterizao de uma tarefa de projeto como um problema de projeto pode introduzir a idia de que, sendo um problema, deve ter uma soluo - o que nem sempre verdade. O espao de projeto pode ser vazio. Ademais, possvel que algumas situaes simplesmente tenham de ser toleradas. A fim de compen- sar a ausncia de solues, alguma(s) restrio(es) pode(m) ter de ser negociada(s) para que resolues possam ser admitidas. Assim, uma vez mais, mesmo quando solues so possveis, o projetista pode no ser criativo ou inventivo o suficiente para conceb-las. Isso revela ao problema de projeto a necessidade de talento individual ou de habilidade nessa rea. Normalmente h mais de uma soluo, de modo que distinguir entre elas, a fim de escolher a melhor, pode requerer a habilidade de lidar com muitas solues sem ficar abismado. Estas, caso existam, podem ser caracterizadas como satisfatrias, algumas melhores do que outras, outras claramente boas e uma, a melhor, assim determinada por algum critrio. Pode tambm haver uma dependncia temporal, de modo que o que aceitvel hoje pode no s-lo amanh e vice-versa. Projetar um processo inovador e altamente iterativo. E tambm um processo de tomada de deciso. Decises, algumas vezes, tm de ser tomadas com base em muito pouca informao, ocasionalmente com a quantidade certa de informao, ou mesmo com uma fartura de informaes parcialmente contraditrias. Um homem com um relgio sabe que horas so; com dois relgios, entretanto, nunca estar seguro. Deci- ses so algumas vezes tomadas por tentativas, reservando-se o direito de ajust-las toda vez que mais in- formaes se tornarem conhecidas. A questo que o projetista de engenharia tem de se sentir pessoalmen- te confortvel com o papel de tomador de decises e solucionador de problemas. Essa deve ser uma ativida- de gratificante e bem-vinda. Do contrrio, podem surgir ramificaes pessoais (como o estresse) passveis de afetar - at mesmo ameaar - sua sade. Projetar uma atividade de intensa comunicao em que palavras e desenhos so ambos utilizados, as- sim como formas orais e escritas. Os engenheiros tm de se comunicar efetivamente e trabalhar com pessoas de muitas disciplinas que podem saber mais ou menos do que eles. Essas so habilidades importantes, e o sucesso do engenheiro depende delas. Os recursos pessoais de criatividade, habilidade de comunicao e capacidade de soluo de proble- mas que compem o instrumental de um projetista esto entrelaados com o conhecimento de tecnologia e princpios fundamentais. As ferramentas de engenharia (matemtica, estatstica, computao, desenho e lin- guagem) so combinadas para produzir um plano que, quando levado a cabo, resulta em um produto funcio- nal, seguro, confivel, competitivo, utilizvel, manufaturvel e mercvel, independentemente de quem o construa ou de quem o utilize. 23. 2 8 PROJETO DE ENGENHARIA M E C N I C A 1 -2 Projeto de Engenharia Mecnica Os engenheiros mecnicos esto associados produo e ao processamento de energia, bem como ao forne- cimento dos meios de produo, das ferramentas de transporte e das tcnicas de automao. Suas habilidades e base de conhecimento so extensas. Entre suas bases disciplinares encontram-se a mecnica dos slidos e fluidos, o transporte de massa e de momentum, alm dos processos de manufatura e das teorias eltrica e de informao. O projeto de engenharia mecnica envolve todas as disciplinas da Engenharia Mecnica. Muitos problemas resistem compartimentalizao. Um simples mancai de deslizamento envolve flu- xo de fluido, transferncia de calor, frico, transporte de energia, seleo de material, tratamentos termo- mecnicos, descries estatsticas e assim por diante. Um edifcio controlado ambientalmente. As consi- deraes referentes ao aquecimento, ventilao e ao condicionamento de ar so de tal forma especializa- das que h quem fale em projeto de aquecimento, ventilao e ar-condicionado como se isso fosse separa- do e distinto do projeto de engenharia mecnica. De maneira similar, o projeto de motor de combusto in- terna, o projeto de turbomaquinaria e o projeto de motor ajato so considerados, algumas vezes, entidades discretas. Os termos adjetivos que sucedem o vocbulo projeto so meramente'um auxiliar descritivo do pro- duto para o processo de comunicao. H termos como projeto de mquinas, projeto de elementos de m- quinas, projeto de componentes de mquinas, projeto de sistemas e projeto de potncia dosjluidos. Todos so, de alguma forma, exemplos mais focados do projeto de engenharia mecnica. Dependem do mesmo corpo de conhecimento, so similarmente organizados e requerem habilidades semelhantes. No mundo acadmico, que agrega o conhecimento em grupos de aprendizado eficientes, encontramos diversos assuntos, cursos, disciplinas e campos. As ementas consistem de uma seqncia de cursos. O arran- jo dos cursos apresenta a oportunidade de estudar elementos de mquinas e mquinas antes do ltimo se- mestre. Assim, o projeto de mquinas costuma representai' a primeira experincia sria do estudante em pro- jeto que j tenha uma base de conhecimentos substancial. Alguns - mas no muitos - elementos de mqui- nas podem ser entendidos sem uma base de termofluidos completa, porm, antes que voc o saiba, j estar dentro do campo de projeto mecnico. A cincia explica o que , a engenharia cria o que nuncafoi. A matemtica no cincia nem engenha- ria. Fsica e qumica so cincias, mas no engenharia. Como sugerido na Figura 1-1, exige-se um tipo de talento para se tornar um cientista e um talento di- ferente para criar o que nunca existiu. Engenheiros e cientistas conhecem algo do trabalho um do outro, mas apenas em casos raros ambos os talentos so desenvolvidos em um mesmo indivduo. Exige-se talento e ha- bilidade para criar e inovar, talento para ser, de forma consistente, um solucionador de problemas e um to- mador de decises, e talento para ser um comunicador efetivo. Preparao, como voc pode ver, o desen- volver e o esmerar do talento, seja qual for a tarefa. Leis da natureza Entrada Sistema ou componente Sistema ou componente Sada Nome da Para Habilidade atividade encontrar Dados envolvida Anlise. Sada. Sistema, entrada, leis Deduo. Anlise inversa. Entrada, Sistema, sada, leis Deduo. Cincia. Leis, Sistema, entrada, sada Induo. Engenharia Sistema Entrada, sada, leis Sntese Figura 1-1 O(s) nome(s) da(s) atividade(s). Observe as distines entre anlise, cincia e engenharia, bem como as habilidades significativas envolvidas. Tomada Racional de Deciso Os projetistas tm de tomar decises - poucas ou muitas, algumas a priori, outras em comum acordo. A to- mada racional de deciso um processo sistemtico de projeto que envolve os seguintes elementos-chave. 24. CAPTULO 1 INTRODUO 2 9 0=55 Chave 1: Adequabilidade, Facibilidade, Aceitabilidade Quando as foras armadas reconheceram a importncia do pensamento claro e da tomada racional de deci- ses por parte de seus generais, elas procuraram o conselho de engenheiros sobre o modo como proceder. Os militares perceberam que os engenheiros empenham enormes quantidades de recursos em grandes pro- jetos, sem qualquer possibilidade de recomeo. O conselho fornecido pode ser assim resumido: Uma ao contemplada adequada se sua adoo de fato atingir o propsito intencionado. e Uma ao contemplada factvel se puder ser desenvolvida com conhecimento, pessoal, dinheiro e material disponvel, ou se puder ser feita em tempo hbil. Uma ao contemplada aceitvel se os resultados provveis eqivalerem ao valor dos custos cal- culados. 0=5? Chave 2: Alternativa Satisfatria Se uma ao contemplada adequada, factvel e aceitvel, ela se torna uma alternativa satisfatria e pos- ta de lado, para ser comparada com outras alternativas satisfatrias. Se pudermos comparar duas alternati- vas satisfatrias e escolher a melhor, uma estratgia de otimizao poder ser criada ou selecionada a fim de lidar com uma grande quantidade de alternativas satisfatrias. 0 = 5 ? Chave 3: Conjunto de Especificaes Um conjunto de especificaes so os desenhos, textos, lista de materiais e instrues que constituem o me- morando de decises em uma forma que permite ao fabricante ou ao usurio concretizar a funo de forma segura, confivel, competitiva e til, tendo o produto sido fabricado e reparado de acordo com a satisfao do usurio. O conjunto de especificaes paia uma mola de compresso de espiras helicoidais para servio estti- co, por exemplo, pode ser fornecido a um fabricante de molas para manufatur-la. O que esse conjunto de especificaes no revela quais de seus elementos se encarregaro, individualmente ou em combinao, das questes de funo, segurana, confiabilidade e competitividade. Um projetista necessita de um conjun- to alternativo (equivalente) que mostre cada deciso necessria, que permita bifurcao em decises a prio- ri e decises de projeto, que admita etiquetagem para mostrar que qualidade (funo, segurana, confiabili- dade ou competitividade) considerada e que revele a dimensionalidade do problema. 0 = 5 ? Chave 4: Conjunto de Decises Um conjunto de decises constitui uma lista de decises requerida para estabelecer o conjunto de especifica- es. O primeiro conjunto eqivale ao segundo. Ambos podem ser deduzidos um do outro, com base na con- venincia, para clarear o pensamento. O conjunto de decises expresso em termos dos parmetros de pen- samento do projetista e facilmente enfoca a funo, a segurana, a confiabilidade e assim por diante. Por exemplo, o conjunto de especificaes para uma mola de espiras helicoidais para servio esttico pode ser as- sim disposto: o Material e condio Tratamento de extremidade o Dimetro interno e externo da espira e tolerncia Nmero total de voltas e tolerncia Comprimento livre e tolerncia e Tamanho do fio e tolerncia Obseive que esses itens so requeridos pelo fabricante de mola para reproduzir a nica mola encomen- dada. No est claro como, ou se, uma especificao de dimetro de espira considera a funo, a segurana e assim por diante, nem se o fabricante da mola se importa com isso. Contudo, o projetista deve se preocu- par, e por esse motivo organiza o conjunto de decises equivalente da seguinte forma: Material e condio Tratamento de extremidade o Fora F, e contrao da extremidade y,, ou Fl e comprimento L, (funo) 0 Atua (externamente) sobre uma barra: dIoi (funo) 25. 30 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA Sobrecurso fracionrio para fechamento da espira : = 0.15 (segurana, confiabilidade e lineari- dade da mola [robustez do modelo matemtico]) Dimetro d do fio (competitividade por meio da otimizao) Observe que esses itens so utilizados pelo projetista para identificar decises, o que elas consideram e a dimensionalidade do problema. Tolerncias podem ser expressas como uma funo de valores intermedirios e podem tambm ser quantificadas em um passo subseqente. No Captulo 10, voc aprender a provar a equi- valncia entre o conjunto de decises e o de especificaes para uma mola de espras helicoidais. Compor um conjunto de decises que seja apropriadamente revelador e til constitui uma habilidade desenvolvida por meio de conhecimento e prtica. Existe alguma duplicidade entre os registros no conjun- to de especificaes precedente e o conjunto de decises, mas observe o surgimento explcito de parmetros de pensamento. A carga F, que essa mola deve apresentar na contrao de extremidade y, (ou no compri- mento de mola L,) considera a funo. Trabalhar sobre uma barra necessrio para que a mola funcione. O sobrecurso fracionrio at o fechamento fixado em 0,15 considera segurana e confiabilidade, protegendo a mola fechada slida, intencional ou inadvertidamente, ao mesmo tempo que preserva a linearidade desta, de modo que o modelo matemtico permanece congruente com a natureza. 0 = 5 ? Chave 5: Decises a Priori versas Variveis de Projeto As primeiras cinco decises do exemplo anterior de conjunto de decises podem ser tomadas de antemo (denominam-se decises a priori). A ltima deciso, aquela do tamanho d do fio, denominada varivel de projeto, antes de a tomarmos, e deciso de projeto, depois. por meio dessa varivel que o projetista aten- de a assuntos relativos preservao de funo, segurana e confiabilidade, especificamente utilizando-a pa- ra considerar a competitividade mediante a otimizao. Nesse caso, o conhecimento de que existe uma va- rivel independente influencia a seleo da metodologia empregada para estabelecer o dimetro d do fio. O 3 Chave 6: Avaliao de Adequao (Habilidade 1) Uma avaliao de adequao consiste nos passos mentais, empricos e relativos modelagem matemtica que o projetista toma para assegurar-se de que um conjunto de especificaes dado satisfatrio (adequado, factvel e aceitvel). Uma avaliao de adequao constitui a habilidade primordial do projetista. Refere-se ao modo como ele reconhece um conjunto satisfatrio de especificaes ou, de outra forma, um conjunto de decises correspondente. De to importante, tal avaliao denominada habilidade 1. Muito de um primei- ro curso em projeto de elementos de mquinas concentra-se em construir e refinar essa habilidade em diver- sas aplicaes. Sua centralidade vista na Figura 1-2. 0=tI? Chave 7: Figura de Mrito Se, no exemplo da mola de espiras, o projetista encontra diversos tamanhos de fio que passam pela avalia- o de adequao, ele ento utiliza umafigura de mrito para ajudar a identificar o melhor deles. No exa- gero dizer que molas "so vendidas por grama (g)". O volume do material utilizado para formar uma mola um ndice de custo. Trata-se de uma robusta figura de mrito, abreviada comof.o.m., ou simplesmente fom. Quantitativamente, ela pode ser expressa, no caso da mola de espira helicoidal de compresso, como: jtd2 N,D fom = 4 em que d o dimetro do fio, /V, o nmero total de voltas e D, o dimetro mdio das espiras. O sinal de me- nos permite que a figura de mrito aumente com um volume decrescente. Tal figura um nmero cuja mag- nitude um ndice monotnico para o mrito, ou desejabilidade, da mola. Ela permite a rpida escolha en- tre diversos projetos satisfatrios. Caso haja muitos deles, uma estratgia de otimizao empregada para identificar o melhor, dispensando-se um exame exaustivo. G=s? Chave 8: Habilidade de Sntese (Habilidade 2) A capacidade de sntese envolve uma estratgia de otimizao, uma figura de mrito e a habilidade 1. Um diagrama das habilidades 1 e 2 visto na Figura 1-2. Observe que a habilidade 1 est embutida na habilida- de 2, de modo que precisa ser aprendida antes. H aqui uma ironia que no nos deve escapar. De certa forma, estivemos construindo uma lista de ve- rificao com um objetivo incomum. A meta da maioria das listas de verificao lembrar as pessoas de executar tarefas sem deixar escapar uma situao que demande pensar e, dessa forma, atingir um desempe- nho crvel. A lista de verificao tem aqui o propsito de estimular e facilitar o raciocnio original e racio- nal, habilitando, pois, a engenheiros com uma tarefa de projeto ensinar a si mesmos o que necessitam saber a respeito da estrutura e conectividade dos elementos da tarefa em questo. 26. CAPTULO 1 INTRODUO 3 1 Habilidade 2 I Figura 1-2 Um diagrama de fluxo lgico das habilidades 1 e 2 do projetista. Observe que a habilidade de anlise 1 est inserida na habilidade de sntese 2. Dependendo do modo como a estratgia de otimizao formulada, a habilidade 2 pode significar uma antianlise, na mesma medida em que a integral em clculo pode ser vista como uma antiderivada. 1-3 Interao entre os Elementos do Processo de Projeto O processo completo de projeto de nosso interesse neste captulo. Como ele comea? Simplesmente o en- genheiro senta-se a uma mesa, com uma folha de papel em branco, e anota algumas idias? O que acontece a seguir? Que fatores influenciam ou controlam as decises que tm de ser tomadas? Por fim, como esse processo de projeto termina? O processo completo de projeto, do incio ao fim, freqentemente delineado como na Figura 1-3. Ele comea com o reconhecimento de uma necessidade e de uma deciso envolvendo fazer algo a respeito dela. Aps muitas iteraes, o processo termina com a apresentao dos planos para satisfazer a tal necessidade. Dependendo da natureza da tarefa de projeto, vrias fases de projeto podem ser repetidas ao longo da vida do produto, desde sua concepo at seu trmino. Nas sees seguintes, examinaremos esses passos do pro- cesso de projeto detalhadamente. Reconhecimento e Identificao As vezes, o projeto inicia quando algum identifica uma necessidade e decide fazer algo a respeito. O reco- nhecimento da necessidade e a expresso da mesma com freqncia constituem um ato altamente criativo, uma vez que a necessidade pode ser apenas um descontentamento vago, um sentimento de inquietao ou uma percepo de que algo no est certo. Muitas vezes ela no evidente; seu reconhecimento em geral 27. 3 2 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA Figura 1 -3 As fases do projeto, reconhecendo as muitas realimentaes e iteraes. devido a uma circunstncia particular adversa ou a um conjunto de circunstncias aleatrias que aparecem quase simultaneamente. Por exemplo, a necessidade de fazer algo a respeito de uma mquina de empacotar alimentos pode ser indicada pelo nvel de barulho, pela variao no peso dos pacotes ou por ligeiras mas per- ceptveis variaes na qualidade do pacote ou embrulho. lgico que uma pessoa sensvel, que facilmente se perturbe com alguma coisa, tenha mais probabilida- de de reconhecer uma necessidade - e tambm de fazer algo a respeito dela. Por essa razo, as pessoas sensveis costumam ser mais criativas. Uma necessidade facilmente reconhecida depois de algum t-la expressado. As- sim, a necessidade que muitos pases tm de qualidade de gua e de ar, de mais locais de estacionamento nas ci- dades, de melhores sistemas de transporte pblico e de um fluxo mais rpido tornou-se bastante evidente. H uma diferena distinta entre a declarao da necessidade e a identificao do problema que segue a essa declarao (Figura 1-3), o qual mais especfico. Se a necessidade for de ar limpo, tal problema po- der ser o de reduzir a emisso de poluentes industriais e do escapamento de automveis, ou de rapidamen- te extinguir incndios florestais. A definio do problema deve incluir todas as especificaes para o objeto que ser projetado. Tais es- pecificaes so as quantidades de entrada e sada, as caractersticas e dimenses do espao que o objeto de- ve ocupar e todas as limitaes porventura existentes. Podemos considerar o objeto a ser projetado como al- go em uma caixa-preta. Nesse caso, devemos especificar as entradas e sadas dessa caixa, juntamente com suas caractersticas e limitaes. As especificaes definem o custo, a quantidade de objetos a ser manufa- turada, a vida esperada, o intervalo, a temperatura de operao e a confiabilidade. As caractersticas especi- ficadas podem incluir velocidades, avanos, limitaes de temperatura, intervalo mximo, variaes espera- das nas variveis e limitaes dimensionais e no peso. Existem muitas especificaes subentendidas que resultam do ambiente particular do projetista ou da natureza do problema em si. Os processos de manufatura disponveis, juntamente com os recursos de cada fbrica, constituem restries liberdade de um projetista e por isso so uma parte das especificaes su- bentendidas. possvel que uma pequena fbrica, por exemplo, no disponha de maquinaria de trabalho a frio. Ciente disso, o projetista seleciona outros mtodos de processamento de metal que possam ser empre- gados nessa fbrica. As habilidades dos trabalhadores disponveis e a situao de competio tambm cons- tituem restries subentendidas. Qualquer coisa que limite a liberdade de escolha do projetista uma restri- o. Muitos materiais e tamanhos so listados nos catlogos dos fornecedores, por exemplo, mas nem sem- pre esto disponveis com facilidade, e escassezes freqentemente ocorrem. Alm disso, a economia de in- ventrio requer que um fabricante armazene uma quantidade mnima de materiais e de tamanhos. A sntese de um esquema conectando elementos possveis do sistema s vezes denominada inveno do conceito. Esse o primeiro passo na tarefa de sntese. A medida que o esquema progride, anlises devem ser feitas para avaliar se o seu desempenho satisfatrio ou mesmo melhor e, se satisfatrio, exatamente quo bem operar. Eis uma tarefa de anlise. Esquemas de sistema que no sobrevivem anlise so revis- tos, melhorados ou descartados. Aqueles com potencial so otimizados para determinar o melhor desempe- nho de que o esquema capaz. Esquemas rivais so comparados, de modo que o caminho que leve ao pro- 28. CAPTULO 1 INTRODUO 3 3 duto mais competitivo pode ser escolhido. A Figura 1-3 mostra que sntese, anlise e otimizao acham-se ntima e iterativamente relacionadas. A sntese depende muito do talento. Nessa iterao, o conjunto de es- pecificaes formado. Observamos, e o faremos repetidas vezes, que o projeto um processo iterativo no qual passamos por vrias etapas, avaliamos os resultados e ento retornamos a uma fase anterior do procedimento. Assim, po- demos sintetizar vrias componentes de um sistema, analis-las, otimiz-las e ento retornar sntese para ver que efeito isso ter nas partes restantes do sistema. Tanto a anlise como a otimizao requerem que construamos ou criemos modelos abstratos do sistema que admitam alguma forma de anlise matemtica. Tais modelos so denominados modelos matemticos. Ao cri-los, nossa esperana a de que possamos en- contrai' um modelo que simule muito bem o sistema fsico real. Como indicado na Figura 1-3, a avaliao uma fase importante do processo completo de projeto. a prova final de um projeto bem-sucedido e normalmente envolve o ensaio de um prottipo em laboratrio. Aqui, desejamos descobrir se o projeto realmente satisfaz (s) necessidade(s). Ele confivel? Competir exitosamente com produtos similares? econmico de manufaturar e usar? facilmente mantido e ajusta- do? Pode algum lucro ser obtido de sua venda ou uso? Qual a probabilidade de que ele resulte em processos de confiabilidade do produto? E o seguro, barato e facilmente obtido? provvel que retornos fabrica se- jam necessrios para substituir partes defeituosas ou sistemas? Comunicar o projeto a outras pessoas constitui o passo final e vital de apresentao no processo de projeto. Sem dvida, muitos grandes projetos, invenes e trabalhos criativos j se perderam para a posteri- dade, simplesmente porque seus criadores foram incapazes de ou no desejaram explicar suas realizaes a outros. A apresentao um trabalho de venda. O engenheiro, quando expe uma nova soluo adminis- trao, gerncia ou a pessoas da superviso, est tentando vender ou provar-lhes que sua soluo a me- lhor. A menos que isso possa ser feito com xito, o tempo e o esforo despendidos para obter tal soluo fo- ram desperdiados. Quando projetistas vendem uma nova idia, eles o fazem a si mesmos. Se obtm xito repetidamente em vender idias, projetos e novas solues administrao, passam a receber aumentos de salrio e promoes; de fato, esse o caminho para algum ser bem-sucedido em sua profisso. Consideraes de Projeto As vezes, a resistncia requerida de um elemento em um sistema um fator importante na determinao da geometria e das dimenses desse elemento. Em tal situao, dizemos que a resistncia uma considerao importante de projeto. Quando utilizamos a expresso considerao de projeto, estamos nos referindo a al- guma caracterstica que influencia o projeto do elemento ou, talvez, o sistema inteiro. Comumente, uma boa quantidade de tais caractersticas deve ser considerada em uma dada situao de projeto. Muitas das carac- tersticas importantes so como as que seguem (no necessariamente em ordem de importncia): 1 Funcionalidade 14 Barulho 2 Resistncia/tenso 15 Estilo 3 Distoro/deflexo/rigidez 16 Forma 4 Desgaste 17 Tamanho 5 Corroso 18 Controle 6 Segurana 19 Propriedades trmicas 7 Confiabilidade 20 Superfcie 3 Fabricabilidade 21 Lubrificao 9 Utilidade 22 Mercantilidade 10 Custo 23 Manuteno 11 Frico 24 Volume 12 Peso 25 Responsabilidade 13 Vida 26 Refabricao/recuperao de recursos Algumas dessas caractersticas tm a ver diretamente com as dimenses, o material, o processamento e ajuno dos elementos do sistema. Outras consideraes afetam a configurao do sistema total. Direcio- naremos nossa ateno paia esses fatores e para outras consideraes ao longo de todo o livro. Nesta obra, voc ir se deparar com muitas situaes de projeto nas quais os fundamentos de engenha- ria devero ser aplicados, geralmente em uma abordagem matemtica, para solucionar o(s) problema(s). Is- so correto e apropriado em um ambiente acadmico, no qual a necessidade realmente utilizar esses fun- 29. 3 4 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA damentos na resoluo de problemas profissionais. Para manter a perspectiva correta, contudo, deve ser ob- servado que em muitas situaes de projeto as consideraes mais importantes so tais que nenhum clcu- lo ou experimentos so necessrios para definir um elemento ou sistema. Os estudantes, em especial, costu- mam ficar frustrados em situaes nas quais virtualmente impossvel efetuar clculos e uma deciso im- portante de projeto deve ser tomada. Essas no so ocorrncias de exceo, elas acontecem todos os dias. Suponha ser desejvel, de um ponto de vista de vendas - por exemplo, em maquinaria de laboratrio mdi- co -, criar uma impresso de grande resistncia e durabilidade. Peas grossas montadas com parafusos mui- to grandes, maiores que o usual, podem ser utilizadas para criar uma mquina que parea resistente. As ve- zes, mquinas ou peas de maquinaria so projetadas puramente de um ponto de vista estilstico, e nada mais. Mencionamos tudo isso para que voc no seja induzido a pensar que existe apenas a abordagem ma- temtica racional para todas as decises de projeto. 1 -4 Ferramentas de Projeto e Recursos Atualmente, os engenheiros contam com uma grande variedade de ferramentas e recursos para assisti-los na soluo de problemas de projeto. Microcomputadores baratos e pacotes de programas robustos provem fer- ramentas de imensa capacidade para o projeto, a anlise e a simulao de componentes mecnicas. Alm dessas ferramentas, os engenheiros sempre necessitam de informao tcnica, seja na forma de cincia b- sica/comportamento de engenharia ou na de caractersticas de componentes especficas de catlogo. Aqui, os recursos podem variar desde livros-texto de cincia/engenharia at brochuras de fabricantes ou catlogos. Tambm o computador desempenha um papel relevante na coleta de informaes.1 Ferramentas Computacionais Programas de projeto auxiliado por computador (CAD) permitem o desenvolvimento de projetos tridimen- sionais (3D) a partir dos quais visualizaes ortogrficas bidimensionais convencionais com dimensiona- mento automtico podem ser produzidas. Os passos das ferramentas de manufatura podem ser gerados a partir dos modelos 3D; alm disso, em alguns casos, peas podem ser criadas diretamente de uma base de dados 3D, mediante o emprego de um mtodo de prototipagem rpida e de manufatura (estereolitografia) - manufatura sem papell Uma outra vantagem de uma base de dados tridimensional que ela permite clcu- los rpidos e precisos das propriedades de massa, tais como massa, localizao do centro de gravidade e mo- mentos de inrcia das massas. Outras propriedades geomtricas, como reas e distncias entre pontos, so provavelmente obtidas de maneira fcil. H diversos pacotes de programas de CAD disponveis, tais como Aries, AutoCAD, CadKey, I-Deas/Unigraphics e ProEngineer, para mencionar apenas alguns. O teimo engenharia auxiliada por computador (CAE) geralmente se aplica a todas as aplicaes de engenharia relacionadas a computador. Com essa definio, o CAD pode ser considerado um subconjunto da CAE. Alguns pacotes de programas de computador realizam a anlise especfica de engenharia e/ou ta- refas de simulao que auxiliam o projetista, mas no so considerados ferramentas para a criao do pro- jeto da mesma maneira que o CAD. Tais programas ajustam-se em duas categorias: a dos fundamentados na engenharia e a dos no-especficos dela. Alguns exemplos de programas fundamentados na engenharia, pa- ra aplicaes de engenharia mecnica - programas que podem tambm ser integrados dentro de um sistema CAD incluem o seguinte: programas de anlise de elemento finito (FEA) para anlise de tenso e defle- xo, vibrao e transferncia de calor (p. ex., Algor, ANSYS e MSC/NASTRAN); programas de dinmica dos fluidos computacional (CFD) para anlise de fluxo de fluido e simulao (p. ex., CFD++, FIDAP e Flu- ent); e programas para simulao da fora dinmica e do movimento em mecanismos (p. ex., ADAMS, DADS e Working Model). Exemplos de aplicaes auxiliadas por computador no-especficas da engenharia incluem o seguin- te: programas para processamento de palavras; programas de planilhas (p. ex., Excel, Lotus e Quattro-Pro); e solucionadores matemticos (p. ex., Maple, MathCad, Matlab, Mathematica e TKsolver). Seu instrutor a melhor fonte de informao a respeito dos programas disponveis; ele pode recomen- dar aqueles que so teis para tarefas especficas. Uma advertncia, contudo: programas de computador no so um substituto para o processo de pensamento humano. Voc o condutor aqui; o computador o vecu- lo para assisti-lo em sua jornada em busca de uma soluo. Os nmeros gerados por um computador pode- ro estar distantes da verdade se voc der entrada a um registro incorreto, se interpretar mal a aplicao ou 1 Uma discusso ampla e excelente do processo de "coleta de informaes" pode ser encontrada no Captulo 4 de George E Dieter, Engineering Design, A Ma- terials and Processing Approach, 3a ed McGraw-Hill. New York, 2000. 30. CAPTULO 1 INTRODUO 3 5 o resultado do programa, se este contiver erros, etc. sua responsabilidade assegurar a validade dos resul- tados; portanto, seja cauteloso ao verificar a aplicao e os resultados, realize testes de verificao ao sub- meter problemas com solues conhecidas e verifique o fabricante do programa, bem como boletins de gru- pos de usurios. Adquirindo Informao Tcnica Atualmente vivemos no que se convencionou chamar de era da informao - uma poca em que a informa- o gerada a uma velocidade estarrecedora. difcil, mas extremamente importante, manter-se informado acerca dos desenvolvimentos do passado e do presente em seu campo de estudo e em sua ocupao. A nota de rodap da pgina anterior urna leitura altamente recomendada ao engenheiro de projetos srio e crite- rioso. A seguir, algumas fontes de informao: Bibliotecas (comunitria, universitria e particular). Dicionrios de engenharia e enciclopdias, li- vros-texto, monografias, manuais, servios de indexao e resumo, peridicos, tradues, relatrios tcnicos, patentes e fontes/brochuras/catlogos de negcios. Fontes governamentais. Departamentos de Defesa, Comrcio, Energia e Transporte; NASA; Im- prensa Governamental; Departamento de Patentes e Comrcio; Servio Nacional de Informao Tcnica; e Instituto Nacional de Patentes e Tecnologia. Sociedades profissionais. American Society of Mechanical Engineering, Society of Manufacturing Engineers, Society of Automotive Engineers, American Society for Testing and Materials e Ameri- can Welding Society. Vendedores comerciais. Catlogos, literatura tcnica, dados de ensaios, amostras e informao so- bre custo. Internet. O meio de acesso, na rede de computadores, s pginas associadas maioria das catego- rias supracitadas. A lista no est completa. O leitor deve regularmente explorar as vrias fontes de informao e man- ter um registro do conhecimento adquirido. 1 -5 Responsabilidades Profissionais d Engenheiro de Projeto Em geral, o engenheiro de projeto tem de satisfazer s necessidades dos clientes (gerncia, clientes, consumi- dores, etc.) - e espera-se que o faa de maneira competente, responsvel, tica e profissional. Muito do traba- lho desenvolvido no curso de Engenharia e da experincia prtica enfoca a competncia; quando, porm, se deve comear a desenvolver responsabilidade de engenharia e profissionalismo? Para ingressai' na rota do su- cesso, voc dever desenvolver essas caractersticas cedo em seu programa educacional. necessrio culti- var sua tica de trabalho profissional e habilidades de processo antes da graduao, de modo que, quando der incio sua carreira formal em engenharia, voc esteja preparado para enfrentar os desafios. Ainda que no seja bvio para alguns estudantes, as habilidades de comunicao desempenham aqui um importante papel, e sbio aquele que trabalha continuamente para aperfeio-las - mesmo que elas no sejam um requisito direto do curso! O sucesso em engenharia (conquistas, promoes, aumentos salariais, etc.) pode em grande parte dever-se competncia; no entanto, se voc no conseguir comunicar suas idias clara e concisamente, sua proficincia tcnica poder estar comprometida. Voc pode comeai' a desenvolver suas habilidades de comunicao mantendo um dirio claro de suas atividades, fazendo registros datados freqentemente. (Muitas empresas exigem que seus engenheiros man- tenham um dirio, devido a preocupaes com patentes e responsabilidades.) Dirios separados devem ser usados para cada projeto (ou tema de curso). Quando iniciar um projeto ou problema, no estgio de defini- o, faa registros no dirio com bastante freqncia. Outras pessoas, bem como voc mesmo, podero mais tarde questionar a razo de algumas de suas decises. Bons registros cronolgicos tornaro mais fcil expli- c-las quando preciso. Muitos estudantes de Engenharia vem a si mesmos, aps a graduao, como engenheiros de projeto elaborando, desenvolvendo e analisando produtos e processos, de modo que consideram a necessidade de boas habilidades de comunicao, seja oral ou escrita, algo secundrio. Isso em muito distancia-se da ver- dade. A maioria dos engenheiros que exercem a profisso despende uma boa quantidade de tempo comuni- cando-se com outras pessoas, escrevendo propostas e relatrios tcnicos, realizando apresentaes e intera- gindo com equipes de suporte da engenharia e de outras reas. Voc dispe de tempo, agora, para ampliar suas habilidades de comunicao. Quando lhe for dada uma tarefa de escrever ou fazer qualquer apresenta- 31. 3 6 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA o, seja ela tcnica ou no, aceite-a entusiasticamente e se esforce por melhorar suas habilidades de comu- nicao. O tempo ser bem empregado se voc aprender as habilidades mencionadas desde j, e no apenas no trabalho. Quando estiver trabalhando em um problema de projeto, importante que voc desenvolva uma abor- dagem sistemtica. Uma ateno cuidadosa aos seguintes passos de atividades o ajudar a organizar sua tc- nica de preparao de solues. Entenda o problema. A definio do problema provavelmente o passo mais significativo no proces- so de projeto de engenharia. Leia cuidadosamente, entenda e refine o enunciado do problema. Identifique os dados. A partir do enunciado refinado do problema, descreva concisamente que in- formao conhecida e relevante. Identifique as incgnitas eformule a estratgia de soluo. Enuncie o que deve ser determinado, e em que ordem, objetivando chegar a uma soluo para o problema. Esboce a componente ou o sis- tema sob investigao, identificando os parmetros conhecidos e desconhecidos. Crie um diagrama de fluxo dos passos necessrios para alcanar a soluo final. Tais passos podem requerer o uso de diagramas de corpo livre; propriedades do material a partir de tabelas; equaes dos princpios fun- damentais, livros-texto ou manuais relacionando os parmetros conhecidos e desconhecidos; dia- gramas obtidos experimental ou numericamente; ferramentas computacionais especficas, confor- me discutido na Seo 1-4, etc. Estabelea todas as hipteses e decises. Problemas reais de projeto geralmente no tm solues nicas, ideais ou analticas. Selees - como a escolha de materiais, tratamentos trmicos, etc. - re- querem decises. Anlises requerem hipteses relacionadas modelagem da componente real ou do sistema. Todas as assunes (hipteses) e decises devem ser identificadas e registradas. 0 Analise o problema. Empregando sua estratgia de soluo em conjuno com suas decises e hi- pteses, execute a anlise do problema. Refira as fontes de todas as equaes, tabelas, diagramas, resultados de programas, etc. Verifique a credibilidade de seus resultados. Verifique a ordem de magnitude, dimensionalidade, tendncias, sinais, etc. Avalie sua soluo. Avalie cada passo na soluo, observando como mudanas na estratgia, nas de- cises, nas hipteses e na execuo podem alterar os resultados - de maneira positiva ou negativa. Se possvel, incorpore as mudanas positivas em sua soluo final. Apresente sua soluo. Eis o ponto no qual suas habilidades de apresentao so importantes. Aqui, voc estar vendendo a si mesmo e suas habilidades tcnicas. Se no explicar de forma habilidosa o que realizou, algo do seu trabalho ou todo ele poder ser mal interpretado e rejeitado. Conhea seu pblico. A fim de ser efetivo, todo profissional deve manter-se atualizado em seu campo de trabalho. O enge- nheiro de projeto pode satisfazer a esse requisito de diversas maneiras: sendo um membro ativo de uma ou mais sociedades profissionais, tais como a American Society of Mechanical Engineers (ASME), a Society of Automotive Engineers (SAE), a Society of Manufacturing Engineers (SME), etc.; participando de encon- tros, conferncias e seminrios promovidos por sociedades, fabricantes, universidades, etc.; realizando cur- sos especficos de graduao ou programas em universidades; efetuando uma leitura regular de revistas tc- nicas e profissionais, etc. A educao de um engenheiro no termina na graduao. As obrigaes profissionais de um engenheiro de projeto incluem conduzir atividades de forma ti- ca. Reproduzimos aqui a Doutrina dos Engenheiros, extrada da National Society of Professional Engi- neers (NSPE): Como engenheiro, dedico meu conhecimento e minha habilidade profissional para a melhoria e o avano do bem-estar das pessoas. Eu prometo: Dar o mximo de desempenho; No participar de iniciativas que no sejam honestas; Viver e trabalhar de acordo com as leis e os padres mais elevados de conduta profissional; Pr o ser-vir antes do lucro, a honra e a reputao da profisso antes das vantagens pessoais e o bem pblico acima de todas as outras consideraes. Eu, humildemente e com a ajuda de Deus, fao essa promessa. Adotado pela National Society of Professional Engineers em junho de 1954, Reproduzido com permisso. 32. CAPTULO 1 INTRODUO 3 7 1 -6 Cdigos e Padronizaes No passado, no havia qualquer padro para parafusos, porcas e roscas de parafuso. Um fabricante produzi- ria, digamos, parafusos de meia polegada (1,27 cm) com nove roscas por polegada; um outro utilizaria 12. Alguns fixadores tinham roscas de mo esquerda, sendo que algumas vezes os perfis de rosca diferiam en- tre si. No era incomum, nos primrdios do automvel, ver um mecnico dispor os fixadores em uma linha, medida que estes eram desmontados, a fim de evitar a mistura dos mesmos durante a remontagem. Essa falta de padronizao e uniformidade era custosa e ineficiente por vrias razes. No de admirar que uma pessoa, insatisfeita e incapaz de encontrar um substituto para um fixador danificado, utilizasse, por vezes, um barbante ou arame para manter unidas as peas. Um padro um conjunto de especificaes para peas, materiais ou processos destinado a atingir uniformidade, eficincia e uma qualidade determinada. Um dos importantes propsitos de um padro pr um limite no nmero de itens contido nas especificaes, de modo a proporcionar um inventrio razovel de ferramentas, tamanhos, formas e variedades. Um cdigo (norma) um conjunto de especificaes para anlise, projeto, manufatura e construo de algo. O propsito de um cdigo atingir um grau especificado de segurana, eficincia e desempenho ou qualidade. importante observar que cdigos de segurana no implicam segurana absoluta. De fato, a se- gurana absoluta impossvel de ser obtida. Algumas vezes, uma situao inesperada pode ocorrer. Proje- tar um edifcio para agentar ventos de 120 km/h no significa que os projetistas imaginem que um vento de 140 km/h seja impossvel; significa simplesmente que eles o consideram altamente improvvel. Todas as organizaes e sociedades listadas a seguir estabeleceram especificaes para padres e se- gurana ou cdigos de projeto. O nome de cada organizao d uma idia da natureza do padro ou cdigo. Alguns dos padres e cdigos, assim como os endereos, podem ser obtidos em bibliotecas pblicas. As or- ganizaes de interesse dos engenheiros mecnicos so as seguintes: Aluminum Association (AA) American Gear Manufacturer Association (AGMA) American Institute of Steel Construction (AISC) American Iron and Steel Institute (AISI) American National Standards Institute (ANSI)- American Society for Metals (ASM) American Society of Mechanical Engineers (ASME) American Society of Testing and Materials (ASTM) American Welding Society (AWS) American Bearing Manufacturers Association (ABMA)~' British Standards Institution (BSI) Industrial Fasteners Institute (IFI) Institution of Mechanical Engineers (I. Mech. E.) International Bureau of Weights and Measures (BIPM) International Standards Organization (ISO) National Institute for Standards and Technology (NIST)4 Society of Automotive Engineers (SAE) 1=7 Economia A considerao de custo to importante no processo de deciso de projeto que poderamos facilmente des- pender tanto tempo no seu estudo quanto no do assunto integral de projeto. Introduziremos aqui apenas al- guns enfoques gerais e regras simples. Primeiramente, observe que nada pode ser afirmado em um sentido absoluto, no que concerne a cus- tos. Materiais e mo-de-obra geralmente apresentam um custo crescente a cada ano. Todavia, pode-se espe- rar que os custos de processamento dos materiais apresentem uma tendncia de queda devido ao uso de m- quinas automticas e robs. O custo de fabricao de um nico produto poder variar de cidade para cidade Em 1966, a American Standards Association (ASA) mudou seu nome para United States of America Standards Institute (USAS). Posteriormente, em 1969, es- se nome foi mudado novamente para American National Standards Institute. como mencionado acima, o qual permanece at hoje. Isso significa que voc po- der eventualmente encontrar padronizaes da ANSI designadas por ASA ou USAS. Em 1993, a Anti-Friction Bearing Manufacturers Association (AFBMA) mudou seu nome para American Bearing Manufacturers Association (ABMA). Antiga National Bureau of Standards (NBS), 33. 3 8 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA e de uma fbrica para outra, em decorrncia dos encargos, da mo-de-obra, das taxas e diferenas de frete, bem como das pequenas, mas inevitveis, variaes de manufatura. Tamanhos Padronizados O uso de tamanhos padronizados ou de estoque um princpio primrio de reduo de custo. O engenheiro que especificar uma baixa de ao AISI1020 laminada a quente, de seco transversal quadrada, com 53 mm de lado - denominada quadrado laminado a quente -, ter adicionado custo ao produto, uma vez que qua- drados de 50 ou 60 mm de lado, sendo ambos os tamanhos preferenciais, solucionariam o problema com igual eficincia. O tamanho de 53 mm pode ser obtido por meio de encomenda especial, ou pela laminao ou usinagem de um quadrado de 60 mm de lado; no entanto, essas alternativas acarretam mais custos ao pro- duto. Para assegurar-se de que tamanhos padronizados ou preferenciais sejam especificados, os projetistas devem ter acesso s listas de estoque dos materiais que utilizam. Tais listas esto disponveis em bibliotecas ou podem ser obtidas diretamente dos fornecedores. Uma palavra a mais de cautela, no que diz respeito seleo de tamanhos preferenciais, faz-se ne- cessria. Embora muitos tamanhos sejam normalmente listados em catlogos, eles no esto disponveis de imediato. Alguns so utilizados com to pouca freqncia que nem so estocados. Um pedido de ur- gncia por tais tamanhos pode significar mais despesas e atraso. Assim, voc dever tambm ter acesso a uma ou mais listas - como aquelas apresentadas na Tabela A-17 - para tamanhos preferenciais em pole- gadas e milmetros. H muitas peas compradas - motores, bombas, mancais e fixadores - que so especificadas por pro- jetistas. Tambm no caso dessas componentes, voc dever fazer um esforo extra para especificar peas que estejam disponveis de imediato. Peas fabricadas e vendidas em grandes quantidades geralmente cus- tam um pouco menos que componentes de tamanhos incomuns. O custo de mancais de rolamentos, por exemplo, depende mais da quantidade produzida pelo fabricante do que do tamanho do mancai. Tolerncias Grandes Dentre os efeitos das especificaes de projeto sobre os custos, talvez aqueles relacionados s tolerncias sejam os mais significativos. As tolerncias de projeto influenciam a produtibilidade do produto final de muitas maneiras; tolerncias restritas podem requerer passos adicionais de processamento ou, ainda, render uma pea cuja produo completamente invivel do ponto de vista econmico. As tolerncias abrangem as variaes dimensionais e o intervalo de rugosidade superficial, alm da variao nas propriedades mec- nicas resultantes de tratamentos trmicos e outras operaes de processamento. Na medida em que peas com grandes tolerncias podem freqentemente ser produzidas por mqui- nas com taxas de produo maiores, os custos de mo-de-obra so menores do que seriam se trabalhadores qualificados fossem requeridos para isso. Ademais, menos dessas peas sero rejeitadas no processo de ins- peo, e elas geralmente so mais fceis de montar. Ponto de Equivalncia Algumas vezes, quando dois ou mais procedimentos de projeto so comparados quanto ao custo, a escolha entre ambos depende de um conjunto de condies, tais como a quantidade de produo, a velocidade das linhas de montagem, etc. Surge, ento, um ponto que corresponde a custos iguais, denominado ponto de equivalncia. A ttulo de exemplificao, considere uma situao em que uma determinada pea pode ser manufatu- rada a uma razo de 25 por hora, em uma mquina de fuso automtico, ou de 10 por hora, em uma mquina de fuso manual. Suponhamos, tambm, que o tempo de ajuste para a mquina automtica seja de trs horas e que o custo de mo-de-obra para ambas as mquinas seja de 20 dlares a hora, incluindo os encargos. A Figura 1-4 um grfico do custo versus a produo pelos dois mtodos. O ponto de equivalncia correspon- de a 50 peas. Se a produo desejada for maior que isso, a mquina automtica deve ser utilizada. Estimativas de Custo H vrias maneiras de obter figuras relativas de custo, de modo que dois ou mais projetos podem, grosso mo- do, ser comparados. Uma certa dose de julgamento pode ser requerida em alguns casos. Por exemplo, pode- mos confrontar o valor relativo de dois automveis comparando o custo em dlares por grama de peso. Uma outra forma de comparar o custo de dois projetos simplesmente contar o nmero de peas. provvel que aquele com o menor nmero de peas custe menos. Muitas outras estimativas de custo podem ser utilizadas, 34. CAPTULO 1 INTRODUO 3 9 Produo | Figura 1-4 Um ponto de equivalncia. dependendo da aplicao, tais como rea, volume, potncia em cavalos, torque, capacidade, velocidade, alm de vrias razes de desempenho. 1 -8 Segurana e Responsabilidade do Produto O conceito de responsabilidade estrita para a responsabilidade do produto geralmente prevalece nos Esta- dos Unidos. Ele estabelece que o fabricante de um artigo responsvel por qualquer dano ou ferimento que acontea em decorrncia de um defeito, no importando se sabia a respeito desse defeito ou se de fato pu- desse ter conhecimento do mesmo. Por exemplo, suponha que um artigo tenha sido fabricado, digamos, h 10 anos. Suponha, tambm, que naquele tempo ele pudesse no ser considerado defeituoso, com base em to- do o conhecimento tecnolgico disponvel ento. Dez anos mais tarde, de acordo com o conceito de respon- sabilidade estrita, o fabricante ainda responsvel por ele. Portanto, segundo tal conceito, o reclamante ne- cessita apenas provar que o artigo era defeituoso e que o defeito lhe causou algum dano ou ferimento. A ne- gligncia do fabricante no precisar ser provada. Um dos assuntos delicados que eventualmente afloram na prtica da engenharia o que fazer quan- do voc detecta algo que considera de baixa qualidade. Se possvel, naturalmente, voc deve tentar corri- gi-lo ou, ento, realizar testes suficientes para provar que seus receios so infundados. Se nenhuma des- sas abordagens for exeqvel, ento um outro procedimento consistir em colocar um memorando no ar- quivo de projeto e manter uma cpia do mesmo em casa, caso o original "desaparea". Ainda que esse procedimento possa proteg-lo, poder tambm fazer com que voc seja preterido em sua promoo, ou mesmo demitido. A longo prazo, se voc realmente tiver a forte sensao de que a qualidade da engenha- ria deixa a desejar, e se de fato no puder conviver com isso, considere ento transferir-se ou mesmo bus- car uma nova posio. As melhores abordagens para a preveno de responsabilidade pelo produto so uma engenharia satis- fatria, tanto em anlise como em projeto, controle de qualidade e procedimentos claros de teste. Gerentes de propaganda costumam fazer promessas desmedidas na garantia e na literatura de venda de um produto. Essas afirmaes devem ser revistas cuidadosamente pelo grupo de engenharia, para eliminai' promessas ex- cessivas e inserir avisos adequados e instrues de uso. Vrios livros, todos do mesmo autor,3 podem ser teis nesse ponto, de modo que voc poder desejar consult-los periodicamente no futuro. 1 -9 Avaliao de Adequao Uma avaliao de adequao foi definida na Seo 1-2, juntamente com outros conceitos teis no projeto de engenharia mecnica. Trata-se de uma idia to til e importante que tambm referida como habilidade 1 ' L. J. Kamm, Successful Engineering: A Guide to Achieving Your Career Goals, McGraw-Hill, New York, i 989; Real World Engineering: A Guide toAchieving Career Success, IEEE Press, New York, 1991; Understanding Electro-Mechanical Engineering: An lntroduction to Mechatronics, IEEE Press. New York, 1996; e Designing Cost-Efficient Mechanistns, Society of Automotive Engineers, Warrentown, Pa., 1993. 35. 4 0 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA - a habilidade primordial do projetista. Uma tal avaliao inicia com o conjunto de especificaes de um projeto simples ou com a descrio completa do projeto (desenhos de montagem, desenhos de detalhes e a lista de materiais), quando este for complexo. Quando confrontado com um projeto acabado (todas as decises tomadas), o projetista deve pergun- tar-se se todas as restries foram atendidas de um modo que corresponde ou excede s expectativas, ou que ento fique aqum do esperado. Alm disso, algum critrio utilizado para examinar o mrito, sendo que o melhor mrito freqentemente buscado ou pelo menos aproximado. Uma avaliao de adequao corres- ponde a julgar se as restries foram atendidas e alcanadas de maneira tima. Uma avaliao de adequao um processo pelo qual a informao coletada e utilizada para decidir se as restries e a otimizao receberam ateno apropriada. Ela pode variar em algum(ns) detalhe(s), de- pendendo do caso, de modo que parece sempre familiar, ainda que um tanto diferente. Consiste em vrios passos empricos e tericos, bem como em modelagem matemtica - idias que um engenheiro utiliza para decidir se um projeto existente (e suas partes) funcional, seguro, confivel e assim por diante. Uma avalia- o de adequao composta de idias simples. possvel familiarizar-se com o processo desenvolvendo algumas partes do mesmo e analisando situaes cada vez mais complexas - logo, obtendo-se proficincia. Comece perguntando a si prprio se cada uma das 26 consideraes de projeto listadas na Seo 1-3 satisfeita de forma adequada, presumindo que todas sejam aplicveis. Por exemplo, ao considerar o item 2, resistncia/tenso, as seguintes questes so teis: Que resistncia (ltima, trao, ao escoamento, fadiga, fluncia, etc.) se aplica? e Que tenso (de trao, de cisalhamento, principal, de von Mises, etc.) se aplica? o Que par de tenso e resistncia mais revelador da integridade funcional e que localidade(s) (so) crtica(s)? Com que preciso so conhecidas a resistncia e a tenso? o Quanto de uma diferena entre tenso e resistncia "suficiente"? De maneira semelhante, os itens restantes na lista de consideraes so ento examinados. Uma avaliao de adequao efetiva identifica as questes a serem perguntadas, elucida as estimativas quantitativas das respostas, inclui modelagem matemtica e considera a compatibilidade com a natureza e o mercado. Assim como com qualquer habilidade intelectual, a proficincia o resultado de se comear sim- plesmente com exemplos e problemas de treinamento em aplicaes, prosseguindo com exerccios que de- mandem estimativas especficas em situaes novas para o estudante. O objetivo final cultivar o conheci- mento, o julgamento, a proficincia e a consistncia da pessoa. A avaliao de adequao aproveita anlises de cursos anteriores, sem, no entanto, respeitar a especi- ficidade dos mesmos. O que voc escolher utilizar depender de suas metas. Alm disso, o curso seguido por este livro no uma exceo; fundamenta-se em muitas razes disciplinares da experincia educacional pr- via do leitor. Os problemas iniciais so mais simples, de modo que fcil verificar o que importante e de- linear uma avaliao de adequao com lpis e papel. medida que avanar na leitura e adquirir experin- cia, til rever problemas anteriores, para ver se voc ainda trabalharia com eles da mesma maneira. Seu instrutor a chave para lidar com as muitas questes e detalhes que envolvem a habilidade 1. Consulte-o medida que aprender a empregar essa habilidade e a aplic-la a situaes desenvolvidas neste livro, ou se es- tiver indo em uma direo diferente, conforme necessrio aos objetivos do curso. 1-10 Incerteza So muitas as incertezas em projeto de mquinas. Alguns exemplos relativos tenso e resistncia incluem o seguinte: o Composio do material e efeito da variao nas propriedades. Variao nas propriedades de ponto a ponto, no interior de uma barra em estoque. Efeitos do processamento local, ou nas proximidades, sobre as propriedades. e Efeitos de montagens prximas, tais como soldagens e ajustes por contrao em condies de tenso. e Efeito de tratamento termomecnico sobre as propriedades. Intensidade e distribuio de carregamento. Validade de modelos matemticos utilizados para representar a realidade. o Intensidade de concentraes de tenso. 36. CAPTULO 1 INTRODUO 4 1 o Influncia do tempo na resistncia e na geometria. Efeito de corroso. Efeito de desgaste. o Incerteza quanto a qualquer lista de incertezas. Os engenheiros devem se adaptai' incerteza, que sempre acompanha a mudana. As propriedades dos materiais, a variabilidade de carga, a fidelidade de fabricao e a validade dos modelos matemticos esto entre as preocupaes dos projetistas. Existem mtodos matemticos para considerar as incertezas. A tcnica primria constitui-se nos m- todos determinsticos e estocsticos. O mtodo determinstico estabelece umfator de projeto (fator de segu- rana) baseado em incertezas absolutas de um parmetro de perda de funo (que poderia ser a carga que provoca a falha) e de um parmetro mximo admissvel (que poderia ser a carga mxima permissvel). Aqui, o fator de projeto, nd, definido como parmetro de perda de funo tid = (1-1) parmetro mximo admissvel Se o parmetro for a carga, ento a carga mxima admissvel poder ser encontrada a partir de carga de perda de funo Carga maxima admissvel = (1-2) nd Soluo Resposta Resposta Considere que a carga mxima em uma estrutura conhecida com uma incerteza de 20% e que a carga causadora de falha conhecida com uma incerteza de 15%. Se a carga que causa falha nominalmente de 2000 lbf, determine o fator de projeto e a carga mxima admissvel que compensar as incertezas absolutas. Para levar em conta sua incerteza, a carga de perda de funo deve ser aumentada para 1/0,85, ao passo que a carga mxima admissvel deve ser diminuda para 1/1,2. Logo, para compensar as incertezas absolutas, o fator de projeto deve ser 1/0,85 nd 1/1,2 - 1,4 A partir da Equao (1-2), a carga mxima admissvel deve ser 2000 carga mxima admissvel 1,4 = 1400 lbf Os mtodos estocsticos so baseados na natureza estatstica dos parmetros de projeto e enfocam a probabilidade de sobrevida da funo de projeto (isto , a confiabilidade). O Captulo 2 contm o material de formao sobre estatstica aplicada a projeto. 1-11 Tenso e Resistncia A sobrevivncia de muitos produtos depende do modo como o projetista ajusta as tenses mximas em uma componente, para que elas sejam menores que a resistncia desta em locais especficos de interesse. O pro- jetista deve permitir que a tenso mxima seja menor que a resistncia por uma margem suficiente, para que a ocorrncia de falha seja o mais prxima de zero, mesmo com todas as incertezas possveis. Ao focalizar a comparao tenso-resistncia em um local crtico, freqentemente procuramos a "re- sistncia na geometria e na condio de uso". Resistncias so tenses nas quais algo de interesse ocorre, tal como o limite de proporcionalidade, o escoamento de 0,2% de deformao ou a fratura. Em muitos casos, tais eventos representam o nvel de tenso em que ocorre perda de funo. Resistncia uma propriedade de um material ou de um elemento mecnico. A resistncia de um ele- mento depende da escolha, do tratamento e do processamento do material. Considere, por exemplo, um car- 37. 4 2 PROJETO DE ENGENHARIA MECNICA regamento de molas, Podemos associar uma resistncia a uma mola especfica. Quando essa mola incor- porada a uma mquina, foras externas so aplicadas, resultando em tenses induzidas pelas cargas na mo- la, cujas magnitudes dependem de sua geometria, mas so independentes do material e de seu processamen- to. Se a mola for removida da mquina sem que esteja danificada, a tenso devida s foras externas ir re- tornar a zero. No entanto, a resistncia se mantm como uma das propriedades da mola. Lembre-se, ento, de que a resistncia uma propriedade inerente de uma pea, urna propriedade intrnseca mesma pelo uso de um determinado material e de um processo. Vrios processos de conformao e tratamento trmico de metais, como forjamento, laminao e con- formao a frio, causam variaes na resistncia de ponto a ponto no interior da pea. E bastante provvel que a mola supracitada tenha uma resistncia na parte externa das espiras diferente de sua resistncia na par- te interna, uma vez que foi fabricada por meio de um processo de enrolamento a frio e que os dois lados po- dem no ter sido deformados da mesma maneira. Portanto, lembre-se de que um valor de resistncia dado a uma pea pode se aplicar a um ponto particular apenas ou a um conjunto de pontos da mesma. Neste livro, utilizaremos a letra maiscula S para denotar resistncia, com marcas apropriadas e subs- critos para o tipo de resistncia. Assim, Ss uma resistncia a cisalhamento; Sv, uma resistncia a escoamen- to; Su, um limite de resistncia (resistncia ltima); e 5, uma tenso mdia obtida por meio de uma amostra- gem de dados de ensaio. De acordo com a prtica aceita em engenharia, utilizaremos as letras gregas + + J 2 F s c ( ] - 4 ) em que F a. fora a ser utilizada na equao apropriada de tenso; ver Captulo 4, por exemplo. As compo- nentes dessa fora so definidas como segue. O termo ^ W j a soma de todas as cargas mortas. Estas consistem no peso do ao, nos materiais fi- xados a ele e nas partes por ele suportadas. O termo a soma de todas as cargas vivas, estacionrias ou estticas. Estas incluem o peso