Aula 1 Elementos I

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Universidade Federal do Pará – UFPA
Campus Universitário de Tucuruí – CAMTUC
Faculdade de Engenharia Mecânica – FEM
Disciplina: Elemento de Máquinas I
Prof. Eng.º Maciel da Costa Furtado
Tucuruí
2014
Bibliografia Recomendada 
Shirgley, Joseph E.; Mischke, Charles R.; Budynas, Richard G. “Projeto de Engenharia Mecânica”, 7ª Ed., Artmed Editora S.A, 2005.
Demais Bibliografias
Norton, R.L.; Projeto de Máquinas: Uma Abordagem Integrada. Bookman, 2004
Juvinall, R.C; Marshek, K. M.; Fundamentos do Projeto de Componentes De Maquinas. LTC, 4ª Ed, 2008
Mott, R. L., Machine Elements in Mechanical Design, Prentice Hall, 2004.
Collins, J.; Projeto Mecânico De Elementos De Maquinas. LTC, 1ª Ed, 2006.
Neudorfer, A.; Design of Safe Machines, The Corresponding to International Standards. Springer Verlag Ny, 1ª Ed, 2006.
Eckhardt, H. D.; Kinematic Design Of Machines And Mechanisms. McGraw-Hill, 1ª ed, 1998.
Blake, A.; Practical Stress Analysis In Engineering Design. Marcel Dekker, 2ª ed, 1990.
INTRODUÇÃO AO PROJETO DE MÁQUINAS
TEORIA DE FALHAS 
FADIGA DOS MATERIAIS 
EIXOS, CHAVETAS E ACOPLAMENTOS 
MANCAIS DE ROLAMENTO E DESLIZAMENTO
UNIÕES PARAFUSADAS 
UNIÕES SOLDADAS 
MOLAS
Pré-requisito para:
A Área de Projetos de Máquinas e de Manutenção Mecânica
Manutenção Mecânica, Vibrações Mecânica e Dinâmica de Máquinas
Emenda 
Objetivo: Compreender as diferenças entre projeto e análise, além de introduzir noções fundamentais de projeto. 
Aula 1: Introdução ao Projeto de Máquina 
Aplicações em Engenharia Mecânica
	O exercício da engenharia é uma arte, capaz de recompensar seu artista, o engenheiro, e beneficiar os seres cujas as necessidades serão atendidas pela soluções encontradas e implantadas. O engenheiro é então um artista, cujo o trabalho é resolver problemas de engenharia com materiais e com ferramentas cientificas disponíveis. No entanto, a maior da ferramenta que possui é a si próprio e o correto emprego dessa ferramenta pode ser expresso através da dedicação, suas disposição em conhecer e principalmente, seu bom senso.
Introdução
	O projeto mecânico surge de uma necessidade. Supri-la, resolver o problema utilizando algum tipo de artefato, é tarefa do engenheiro. A necessidade nem sempre é evidente. Muitas vezes, esconde-se atrás do próprio palavreado ou da forma de utiliza-lo para expressá-lo. Saber definir a necessidade claramente permite que o projeto realmente atenda o objetivo, além de ser uma qualidade importante para diferenciar um engenheiro de um projetista mecânico competente.
	A segunda tarefa do projetista é a clara definição do problema. A tarefa de definir o problema com todas as suas limitações é tão importante quando a definição da necessidade e, na grande maioria das vezes, mais importante que o modelo utilizado para o calculo de esforços e solicitações. Custo é uma limitação importante a ser definida nessa etapa. 
Projeto Mecânico
Projeto Mecânico
	A terceira fase é a da síntese. Essa fase é a que todos associamos com engenharia. É o momento de pensar nas soluções, tendo em mente a necessidade real e a definição do problema. As soluções que passarem por esses critérios iniciais serão analisados na próxima fase.
	Analisar as soluções propostas implica em avaliar se as mesma atendem as limitações do problema e otimizar as que atendem para que atendam melhor. 
	O passo de avaliar define a solução a ser implementada. Nessa fase, poderão ser utilizados parâmetros de comparação ainda não avaliados, como consumo de potência, o número de profissionais necessário para operar a máquina, possibilidade de empacotamento e transporte do produto, e entre outros. Obviamente, além da qualidade de seu projeto, a forma de apresenta-lo influenciará decisivamente na aceitação do mesmo
Projeto Mecânico
Figura 1 – Fluxograma simplificado de um projeto mecânico (Shigley, 1986) 
Considerações de Projeto
	Quando utilizamos a expressão considerações de projeto, estamos nos referindo a alguma característica que influencia o projeto do elemento ou, talvez o sistema inteiro. Muitas das características importantes são as que se seguem.
 Resistência/tensão
Distorção/deflexão/rigidez
Desgaste
Corrosão
Segurança
Custo
Peso
Vida
Propriedades térmicas
Lubrificação
Manutenção
Responsabilidade
Controle
Superfície 
Refabricação/recuperação de recursos
Ferramentas de Projeto e Recursos
	Atualmente, os engenheiros contam com uma grande variedade de ferramentas e recursos para assisti-los na soluções de problemas de projetos. Microcomputadores baratos e pacotes de programas robustos proveem ferramentas de imensa capacidade para o projeto, a análise e a simulação de componentes mecânicos. Além dessas ferramentas, os engenheiros sempre necessitam de informação técnica, seja na forma de ciência básica/comportamental de engenharia ou na características de componentes específicos de catálogo. Aqui, os recursos podem variar desde livros-textos de ciência/engenharia até brochura de fabricantes ou catálogos. Também o computador desempenha um papel relevante na coleta de informações. 
Ferramentas de Projeto e Recursos
Ferramentas Computacionais
Programas de projetos auxiliados por computador (CAD) permitem o desenvolvimento de projetos tridimensionais (3D) a parti dos quais visualizações ortográfica bidimensionais convencionais com dimensionamento automático podem ser produzidas. Dentre as vantagens de um base de dados tridimensionais é que ela permite o cálculo rápidos e precisos das propriedades de massa, tais como massa, localização do centro de gravidade e momentos de inércia de massa. Outras propriedades geométricas, como área e distância entre pontos, são provavelmente obtidas de maneira fácil. Há diversos pacotes de programas CAD disponível, tais como Aries, AutoCAD, Cadkey, I-Deas/Unigraphics, SolidWorks e Pro-Engineer.
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Ferramentas de Projeto e Recursos
Ferramentas Computacionais
O termo engenharia auxiliada por computador (CAE) geralmente se aplica a todas as aplicações de engenharia relacionada a computadores. Com essa definição, o CAD pode ser considerado um subconjunto da CAE. Alguns pacotes de programas de computador realizam a análise específica de engenharia e/ou tarefas de simulação que auxiliam o projetista, mas não são considerados ferramentas para a criação do projeto da mesma maneira que o CAD. Tais programas ajustam-se em duas categorias: a dos fundamentados na engenharia e a dos não específico dela. 
Ferramentas de Projeto e Recursos
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Ferramentas Computacionais
.Alguns exemplos de programas fundamentados na engenharia, para aplicações de engenharia mecânica, incluem os seguintes: programas de análise de elementos finitos (FEA) para análise de tensões e deflexões, vibrações e transferência de calor (Ex.: Algor, ANSYS e MSC/NASTRAN).
Ferramentas de Projeto e Recursos
Ferramentas de Projeto e Recursos
Ferramentas de Projeto e Recursos
Ferramentas Computacionais
.Programas de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para análise de fluxo de fluido e simulação (Ex.: CFD++, FIDAP , ANSYS CFD e Fluent).
Ferramentas Computacionais
.Exemplos de aplicação auxiliadas por computador não específico da engenharia incluem os seguintes: programas para processamento de palavras, programas de planilhas (Ex.: Excel, Lotus e Quattro-Pro) e solucionadores matemáticos (Ex.: Maple, MathCad, Matlab, Mathematica e Tksolver).
 
Ferramentas de Projeto e Recursos
Incerteza em Projetos
São muitas as incertezas em projeto de máquinas. Alguns exemplos relativos à tensão e à resistência incluem o seguinte:
 Composição do material e efeito da variação nas propriedades.
 Variação nas propriedades de ponto a ponto, no interior de uma barra em estoque.
 Efeitos do processamento local, ou nas proximidades, sobre as propriedades.
 Efeitos de montagens próximas, tais como soldagens e ajustes por contração em condições de tensões.
 Efeito de tratamento termomecânico
sobre as propriedades.
 Validade de modelo matemático utilizado para representar a realidade.
 Intensidade de concentração de tensões.
Incerteza em Projetos
Os engenheiros devem se adaptar à incerteza, que sempre acompanha a mudança. As propriedades dos materiais, a variabilidade de carga, fidelidade de fabricação e a validade dos modelos matemáticos estão entre as preocupações dos projetistas.
Existem métodos matemáticos para considerar as incertezas. A técnica primária constitui-se nos métodos determinísticos e estocásticos. O método determinística estabelece um fator de projeto (fator de segurança) baseado em incertezas absolutas de um parâmetro de perda de função (que poderia ser a carga que provoca a falha) e de um parâmetro máximo admissível (que poderia ser a carga máxima permissível). Aqui o fator de projeto, nd, é definido como:
Incerteza em Projetos
Se o parâmetro for a carga, então a carga máxima admissível poderá ser encontrada a parti de:
Conceitos Básicos 
Trabalho e Energia
Um dos mais importantes conceitos de engenharia é o da Energia. Sempre que tratado em textos didáticos, energia é definida como a capacidade de realizar trabalho, ou produzir um determinado efeito desejado. Em sua definição mais simples:
 Onde: T é o trabalho capaz de produzir mudança no deslocamento (J), F é a força aplicada em (N) e d é o deslocamento
Uma vez que o trabalho é realizado sobre um sistema, este perde parte da energia que inicialmente possuía, ou ganha. Assim, o trabalho pode ser definido também como a variação da energia E.
Trabalho e Energia
A energia pode se apresentar sobre diversas formas, mas as que são de maior importância para a engenharia mecânica são a Energia Cinética (Ec) e a Energia Potencial (Ep), com crescente ganho de importância da Energia Acústica.
A Energia Cinética, como o nome já diz, representa a energia do novimento. 
A Energia Potencial representa a energia de posição.
Conceitos Básicos 
Torque e Potência
A capacidade de torque dos acionamentos utilizados em máquinas rotativas é o primeiro critério a ser analisado. Para executar o trabalho, o acionamento tem que ser capaz de mover os eixos. Qualquer que seja o motor, existem valores limites para o torque. Muitas vezes, o motor pode suprir valores maiores do que o previsto em regime permanente, desde por curto período de tempo.
Em alguns tipos de motores, principalmente a combustão, o torque depende da rotação. O produto do torque (T) pela rotação (ω) é chamado de Potência (P).
 
Conceitos Básicos 
Equilíbrio e movimento
A condição de equilíbrio é fundamental para a determinação dos esforços agindo no corpo, já que permite que as solicitações desconhecidas passam a ser determinadas igualando seus efeitos com os esforços conhecidos. A forma mais simples de utilizar o conceito de equilíbrio é considerar que a somatória de todas as forças atuando sobre o corpo é nula e que a somatória de todos os momentos é nula, simultaneamente.
Conceitos Básicos 
Materiais de Construção Mecânica 
Os principais materiais utilizados na construção de dispositivos mecânicos são os metais, seguidos pelos plásticos e os cerâmicos. Os materiais metálicos têm como vantagens a disponibilidade, o baixo custo, a elevada resistência mecânica e ao desgaste e o fato de que não são poluentes, na maioria das vezes. Os plásticos são fáceis de moldar e possuem uma boa relação entre resistência e peso; a grande quantidade de tipos possibilita a seleção adequada para cada tipo de aplicação. Os materiais cerâmicos, com aplicação cada vez mais intensa em projetos mecânicos, possuem pouca variação de resistência com a temperatura e boa resistência mecânica como características principais. São usados em motores a combustão, chassis, transmissões, etc... 
Conceitos Básicos 
Propriedade dos Materiais Metálicos 
As propriedades dos materiais metálicos para o uso em estrutura são
Resistência a tração
Ao escoamento
Ao desgaste
Ao impacto
À fadiga
Dureza superficial
Conceitos Básicos 
Conceitos Básicos 
Propriedade dos Materiais Metálicos 
A resistência a tração e ao escoamento são obtidas através do ensaio convencional de tração, que permite também obter a relação entre a tensão e a deformação de uma amostra normalizada do material. A relação matemática que nos permite determinar a deformação (ou percentual de alongamento) de um corpo em regime elástico é dado pela equação:
Se o material usado for ainda linear-elástico , a Lei Hook se aplica e o declive da curva é chamado de módulo de elasticidade E dado pela formula:
Conceitos Básicos