1 Introducao Projeto

Prévia do material em texto

Apontamentos Teóricos 
de 
Elementos de Máquinas I: 
Introdução ao Projeto 
 
 
Redigido, adaptado e adoptado para a disciplina por: 
Rosa Marat-Mendes 
(Departamento de Engenharia Mecânica, DEM-MMS) 
 
 
 
 
2017 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-1	
	
Índice		 Introdução	ao	Projeto	......................................................................................................................	2	1.
1.1.	 Breves	Notas	................................................................................................................................................	2	
1.2.	 Introdução	....................................................................................................................................................	3	
1.3.	 Definição	de	Projeto	.................................................................................................................................	3	
1.4.	 Fases	do	Projeto	.........................................................................................................................................	6	1.4.1.	 Descrição	das	principais	fases	...........................................................................................................................	6	1.4.2.	 Relatório	do	projeto	...............................................................................................................................................	7	1.4.3.	 Memória	Descritiva	................................................................................................................................................	8	
1.5.	 Fatores	a	considerar	no	projeto	...........................................................................................................	8	1.5.1.	 Resistência	.................................................................................................................................................................	8	1.5.2.	 Fiabilidade	..............................................................................................................................................................	10	1.5.3.	 Custo	..........................................................................................................................................................................	10	1.5.4.	 Prevenção	................................................................................................................................................................	10	1.5.5.	 Fabrico	......................................................................................................................................................................	10	
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-2	
	
 
 
 
 
 
 
 
 Introdução ao Projeto 1.
 
 
1.1. Breves Notas 
 
O texto apresentado através dos seguintes capítulos, resume algumas notas e outras considerações 
sobre várias matérias sobre Elementos de Máquinas, e pretende assim servir como referência teórica de 
suporte à matéria ministrada ao nível da disciplina de Elementos de Máquinas I, leccionada ao segundo ano 
da Licenciatura em Engenharia Mecânica. 
Desta forma, os capítulos aqui apresentados foram redigidos com base nas referências bibliográficas 
seguintes, que, para o leitor mais atento, poderá servir como complemento de estudo ao texto aqui 
apresentado: 
- J.K. Nisbett, R.G. Budynas, “Elementos de Máquinas de Shigley”, oitava Edição, McGraw-Hill, 2011. � 
- B.J. Hamrock, R.S. Shmid, B.O. Jacobson, “Fundamentals of Machine Elements”, third Edition, CRC 
Press, 2014. 
- A.C. Ugural, “Mechanical Design of machine components” second edition, CRC Press, 2016. 
- F.P. Beer, E.R. Johnston Jr., J.T. Wolf, “Resistência dos Materiais”, quarta Edição, McGraw-Hill, 2006. 
- A. Silva, C.T. Ribeiro, J. Dias, L. Sousa, “Desenho Técnico Moderno”, quarta Edição, Lidel, 2004. 
- H. Carinhas, “Folhas de Introdução ao Projeto Mecânico”, IST-UTL. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-3	
	
1.2. Introdução 
Um projeto surge quase sempre da obrigação em satisfazer uma necessidade. Nasce da necessidade 
em “transformar” uma ideia num projeto que se destina a executar uma tarefa qualquer. 
A partir dai, segue-se o estudo detalhado das suas partes: a forma como serão montadas, tamanho e 
localização dos componentes, tais como: veios, engrenagens, parafusos, molas, rolamentos, etc... Este 
processo passa por várias revisões onde melhores ideias substituem as iniciais até que se escolhe a que 
melhor se adequa à necessidade. 
Existem algumas características ou considerações que influenciam a seleção de elementos de máquinas, 
ou seja, a resistência, fiabilidade, utilidade, custo e peso são alguns exemplos. A partir do exposto pode-se 
perceber que a escolha e o dimensionamento dos elementos de máquinas exigem do projetista alguns 
conhecimentos básicos de resistência dos materiais, de mecânica e das propriedades dos materiais, para 
poder analisar corretamente os esforços que agem sobre as peças e determinar a sua forma e dimensões 
adequadas para que o componente possa suportar as solicitações aplicadas. 
Projetar um sistema mecânico é um tipo de problema diferente do que selecionar um componente. Muitas 
vezes, as exigências do sistema tornam evidentes os requisitos funcionais de um componente. Entretanto, 
projetar um sistema mecânico grande, compreendendo potencialmente milhares ou mesmo milhões de 
elementos da máquina, é um problema muito mais aberto. 
Para projetar sistemas mecânicos superiores, um engenheiro deve ter experiência em relação aos 
elementos da máquinas. Por exemplo, um sistema mecânico não irá incorporar uma engrenagem de 
parafuso sem-fim ou uma mola de Belleville se o projetista não tiver conhecimento de que estes dispositivos 
existem. 
1.3. Definição de Projeto 
Projeto significa coisas diferentes para pessoas diferentes. Um fabricante de roupas acredita que a 
incorporação de diferentes materiais ou cores num vestido novo constitui design. Um arquiteto projeta 
fachadas ornamentais para casas. Um engenheiro escolhe um rolamento de um catálogo e incorpora-o num 
redutor de velocidades. Essas atividades de projeto, embora parecem ser fundamentalmente diferentes, têm 
algo em comum: todos eles exigem criatividade, prática e visão significativas para serem bem feitos. 
Para efeitos desta disciplina, o projeto é a transformação de conceitos e ideias em máquinas úteis. Uma 
máquina é uma combinação de mecanismos e outros componentes que transformam, transmitem ou usam 
energia, carga ou movimento para uma finalidade específica. 
Uma máquina compreende vários elementos de máquinas diferentes devidamente concebidos e dispostos 
para trabalhar juntos como um todo. As decisões fundamentais relativas à carga, cinemática e escolha de 
materiais devem ser feitas durante o projeto de uma máquina. Outros fatores, como força, fiabilidade, 
deformação, tribologia (fricção, desgaste e lubrificação), custo e requisitos de espaço também precisam ser 
considerados. O objetivo é então produzir uma máquina que não só seja suficientemente robusta para 
funcionar adequadamente por um tempo razoável, mas também seja economicamente viável. 
Desta forma, pode-se definir Projeto como sendoa: 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-4	
	
 “Formulação de um plano capaz de proporcionar uma solução satisfatória e exequível a uma 
necessidade humana”. 
A necessidade humana pode ser precisa ou pelo contrário, pode ser imprecisa e requerer maior esforço ao 
projetista na especificação dos seus requisitos. 
Um exemplo de uma necessidade precisa e de uma necessidade imprecisa são as seguintes: 
1) “O veio motor deste redutor está a dar problemas; houve 8 falhas nos últimos 6 meses. Temos de corrigir 
esta situação.” 
2) “A linha de produção continua a fabricar produtos com demasiados defeitos.” 
Deste modo, depreende-se que uma necessidade nunca tem uma resposta única nem uma solução correta. 
O “bom” hoje, pode ser “mau” amanhã devido ao aperfeiçoamento e ao crescimento dos conhecimentos, 
assim como da alteração da sociedade. 
Um dos exemplos mais dramáticos dessa alteração, em termos de materiais aplicados na engenharia, é o 
caso da aviação. Os primeiros aviões eram feitos de madeira de baixa densidade (ex: balsa), arame de aço 
e seda (Figura 1.1(a)). No entanto à medida que os aviões ficavam maiores, a madeira tornava-se menos 
prática, passou-se à utilização do alumínio, como por exemplo no DC3 (Figura 1.1(b)) proporcionando alta 
rigidez à flexão e baixo peso. Devido à pressão por uma economia de combustível e menor emissões de 
carbono, houve a necessidade da utilização de materiais ainda de menor peso. Desta forma, no final do 
século XX passou-se a utilizar materiais compósitos, como por exemplo no Boeing 787 (Figura 1.1(c)), em 
que 80% do volume é de plástico reforçado com fibra de carbono. 
 
(a) (b) (c) 
Figura 1.1 – (a) biplano Wright de 1903; (b) Douglas DC3 de 1935; (c) Boeing 787 Dreamliner de 2010. 
Tal como se disse, não há uma solução correta, há uma solução satisfatória, adequada ao fim em vista e 
formulada com o conhecimento atual. No entanto a solução terá de ser exequível, ou seja, deverá ter 
possibilidade de execução quer em termos técnicos quer em termos económicos. 
Um exemplo, de várias soluções possíveis e satisfatórias, são os saca rolhas apresentados na Figura 1.2, 
em que todos eles satisfazem o fim em vista. 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-5	
	
 
Figura 1.2 – diversos tipos de saca rolhas. 
Os projetos podem-se classificar quanto à área de conhecimento relativa à necessidade. No caso especifico 
destas folhas, pretende-se que o tema seja o Projeto em Engenharia Mecânica. No entanto a Engenharia 
Mecânica é sempre interdisciplinar, podendo englobar aspectos de várias disciplinas de Engenharia 
Mecânica e aspetos de outras áreas de Engenharia, como sejam a Electrónica, Química, etc... não 
esquecendo no entanto que envolve sempre uma análise económica. 
Os principais objectivos de um projeto em Engenharia Mecânica são os de criar e/ou recondicionar e/ou 
melhorar e/ou adaptar um sistema. “A Engenharia oferece à sociedade opções adequadas e exequíveis que 
constituem uma alternativa desejada ao curso natural dos acontecimentos” (Figura 1.3). 
 
Figura 1.3 – Desenvolvimento de um projeto. 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-6	
	
1.4. Fases do Projeto 
O projeto é um processo de iteração no qual se trabalha em etapas, avaliam-se os resultados e então 
retorna-se a uma fase anterior. Assim, podem-se sintetizar diversos componentes de um sistema, analisá-
los e optimizá-los. 
O processamento total de um projeto passa por várias fases, desde o reconhecimento de uma necessidade 
até ao seu fabrico. Na Figura 1.4 está representado um exemplo de um diagrama de fluxo com as principais 
fases a ter em conta num projeto. As ligações do diagrama de fluxo estabelecem uma sequência. 
 
 
Figura 1.4 – Diagrama de Fluxo de um Projeto. 
1.4.1. Descrição das principais fases 
Necessidade – Origem do projeto, melhor ou pior definida. 
Especificações – Definição precisa do problema. 
Estabelecimento de todos os requisitos (quantidade, vida e ambiente de serviço pretendidos, etc.) e 
constrangimentos (custo máximo, dimensões e peso máximo, limitações de tecnologia e de materiais 
existentes). 
Exequibilidade – Análise de possibilidade/Interesse do projeto. 
Aspectos tecnológicos e económicos: Há dependência de materiais escassos? O produto final é 
economicamente rentável? 
 
 
Necessidade 
Especificações 
Exequibilidade 
Anteprojeto 
Projeto de Conjunto 
Projeto Detalhado 
Avaliação 
Decisão 
Fabrico 
Optimização 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-7	
	
Anteprojeto – Síntese do projeto. 
Resulta de conhecimento técnico científico, criatividade e experiência. Resistência dos elementos, aspeto 
agradável, manutenção simples e económica. 
Projeto de conjunto e detalhado – Desenhos de conjunto e de detalhe pormenorizados. 
Dimensionamento dos componentes ou dos elementos individuais. Seleção de unidades/peças 
normalizadas (catálogos/normas); optimização; notas de cálculo; desenhos de fabrico. 
Avaliação – A avaliação do projeto é a verificação final do seu êxito. 
São realizados ensaios e protótipos. Esta fase é a grande geradora de alterações ao projeto. 
Apresentação do projeto – A comunicação do projeto aos outros, por exemplo ao responsável 
Superior, ao cliente ou ao investigador é um passo vital do projeto. 
Nesta fase não há regras fixas, mas há linhas de orientação para a sua forma mais corrente que é a escrita, 
ou seja através de um Relatório de Projeto. 
1.4.2. Relatório do projeto 
Num relatório de projeto há que ter em conta os seguintes aspetos que deverão ser incluídos: 
1. Capa com título e identificação do projetista; 
2. Índices (geral, de figuras, de tabelas, nomenclatura e siglas); 
3. Bibliografia ou Referências bibliográficas; 
4. Memória Descritiva onde se faz o relato sucinto das fases do projeto relativas à necessidade, 
especificações e exequibilidade; 
5. Notas de cálculo relativas às fases do projeto final (de conjunto e detalhado): 
Deve-se referir o critério de cálculo utilizado, assim como as expressões de cálculo apresentadas na 
sua forma literal, seguida da forma numérica e resultados. 
Os resultados iterativos não deverão ser incluídos. 
6. Desenhos das formas, dimensões, instruções de montagem, de fabrico, etc., relativas a todo o 
projeto. 
• Desenho geral de conjunto/subconjuntos com lista de peças e cotas gerais de atravancamento e 
de montagem, com numero de vistas necessárias e suficientes à compreensão do 
funcionamento; 
• Desenhos de fabrico das peças exaustivamente cotados com todas as instruções necessárias ao 
fabrico. 
7. Anexos, onde se deverão incluir: 
• Anteprojeto; 
• Cálculos repetitivos – quadro de valores; 
• Descrições sucintas – Uso de esquemas, gráficos, esboços; 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-8	
	
• Fundamentos Longos; 
• normas/catálogos; 
• Análises comparativas entre soluções e tentativas e iterações. 
1.4.3. Memória Descritiva 
Uma das componentesmais importantes do relatório de projeto é a memória descritiva. Esta deve 
incluir alguma informação (não demasiadamente técnica e exaustiva) sobre as principais características do 
produto. O projetista deverá colocar-se na posição de um vendedor que está a expor as características e a 
demonstrar as principais funcionalidades de um produto a outra entidade a quem interesse esse produto. 
Em geral deve incluir a seguinte informação: 
1. Introdução geral onde deve ser identificado o produto (com marcas, referência do produto, número 
de série, ano de fabrico, etc.) identificando o motivo que o levou a escolher e a desenhar o presente 
objeto. 
2. Explicar detalhadamente as funções do objeto. O que faz? Para que serve? Onde se utiliza? 
Sempre que necessário deverá incluir imagens 3D dos objetos. 
3. Explicar resumidamente como é que se opera o equipamento e como é que se pode manusear 
corretamente. 
4. Dar informações sobre a constituição física do objeto. Justificar quais os materiais utilizados, cores 
dominantes, etc.. Tem subconjuntos ou módulos? Tem acessórios opcionais? 
5. Identificar as características técnicas do equipamento, potência, cilindrada, tipo de energia, peso, 
dimensões globais, número de velocidades, etc.. É produto certificado? Que tipo de certificação? 
1.5. Fatores a considerar no projeto 
A grande maioria de decisões a tomar durante um projeto sobre o dimensionamento da peça não 
depende do cálculo, mas sim do constrangimentos impostos, por exemplo a espessura mínima, as 
dimensões de outras peças adjacentes, ou mais importante ainda, a resistência do material utilizado na 
construção do projeto. 
Na fase do desenho (que se deve iniciar antes do cálculo) deve-se proceder à comparação de 
formas/dimensões e fica grande parte do projeto definido. Apenas se devem seguir cálculos de verificação, 
em regra simples, de pormenores críticos. Um factor a considerar no projeto será portanto toda e qualquer 
característica que influencie de forma essencial o projeto de um componente ou de todo o sistema. Alguns 
dos fatores que se deverão ter em conta aquando do dimensionamento e cálculo de um projeto são os que 
se apresentam de seguida. 
1.5.1. Resistência 
A resistência é uma propriedade do material, da forma, das dimensões da peça, do modo de 
carregamento e do meio ambiente (entre outros). Portanto, adicionalmente à incerteza relativa à 
determinação da carga real, há que considerar a incerteza quanto à capacidade de carga. Desta forma, as 
incertezas relativas à resistência podem ser devidas a: 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-9	
	
• Variações nas propriedades do material (heterogeneidade de lote para lote, no mesmo lote e na 
própria peça); 
• Efeito de escala (a resistência de uma peça grande é menor do que a de uma peça mais pequena, 
ex: provete); 
• Tipo de carregamento (a resistência é diferente se o carregamento cresce gradualmente ou 
bruscamente; se o estado de tensão é uniaxial ou multiaxial); 
• Processo de fabrico (a resistência depende do acabamento superficial, de alterações do estado 
mecânico e do estado metalúrgico – tratamento térmico, provocado pelo processo de fabrico); 
• Meio Ambiente (redução da tensão de cedência com o aumento da temperatura, redução da 
tenacidade com a redução da temperatura, das propriedades com a oxidação/corrosão). 
No caso geral, o projetista deve prevenir-se destas varáveis aplicando um Coeficiente de Segurança, dado 
pela letra 𝑛 ou 𝑐. 𝑠. pela equação ( 1.1 ): 
 𝑛 = !"#$#%ê!"#$!"##$%"&$'() ou 𝑛 = !"#"$%&"&' !" !"#$"!"#$" !"#$ ( 1.1 ) 
 
Em que 𝑛 é um factor de correção da propriedade para lhe definir um valor admissível a não ser 
ultrapassado, de forma a que desastres como os da Figura 1.5 não ocorram. No caso da fratura do 
navio Liberty (Figura 1.5(a)), em que mais de 200 navios fraturaram, chegou-se à conclusão de que, o 
efeito das concentrações de tensões e das tensões residuais na soldadura, não tinham sido tomadas em 
conta. A partir daí “nasceu o estudo da mecânica da fratura”. Já no caso da ponte Silver Bridge no Ohio 
(Figura 1.5(b)), chegou-se à conclusão de que colapsou devido a falhas na manutenção e a carga 
excessiva (mais do que o seu projeto inicial determinava). 
 
(a) (b) 
Figura 1.5 – (a) fratura frágil no navio Liberty (1943); (c) fratura da ponte Silver Bridge (1967). 
A especificação de um coeficiente de segurança não é tarefa simples, é fundamentalmente um factor 
empírico, dependendo em grande parte da experiencia acumulada com o tipo de projeto em causa. 
Folhas	de	Apoio	à	unidade	curricular	Elementos	de	Máquinas	I									 	 	 	 															Introdução	ao	Projeto	
 
ESTSetúbal/IPS	-	Rosa	Marat-Mendes	-	2017	 	 	 	 	 	 	 													Página	IP-10	
	
Em projetos de Grande responsabilidade, só com experimentação e cuidadosa análise estatística se pode 
definir um coeficiente de segurança. Em certos projetos específicos, o coeficiente de segurança é indicado 
por normas e códigos de projeto respectivos. 
Em projetos simples e de pouca responsabilidade, o coeficiente de segurança pode ser atribuído com base 
em indicações de certos livros da especialidade. 
A escolha do coeficiente de segurança será tratado novamente no Capítulo 2 destas folhas 
1.5.2. Fiabilidade 
A fiabilidade é a probabilidade de desempenhar sem falha a função destinada, em condições 
estabelecidas (modo de operação, ambiente de serviço, vida pretendida, etc.) A fiabilidade é, portanto, uma 
medida de confiança que se pode ter num órgão. A fiabilidade de 100% nunca se consegue obter, pois 
significa que a falha do elemento será completamente impossível. 
1.5.3. Custo 
O cálculo do custo do projeto é essencial na análise de exequibilidade, importante em todas as fases 
do projeto e para isso terá de se ter em conta as variáveis seguintes: 
• adopção de materiais baratos, concepções simples, processos de fabrico rentáveis; 
• máxima utilização de consumíveis normalizados e já fabricados de série (ex: parafusos); 
• especificação de tolerâncias de fabrico razoáveis (a precisão é diretamente proporcional ao custo). 
• aplicação de gráficos de “Ponto de equilíbrio”. (Indicam a solução mais rentável para o fim em 
vista). 
1.5.4. Prevenção 
O fabricante de um produto é responsável por danos materiais e humanos devido a falha intrínseca ou 
à sua operação se não foram tomadas as medidas preventivas. Para tal deverá ter em conta com os 
seguintes pontos entre outros: 
• evitar arestas vivas/obstáculos à operação; 
• colocar redes/proteções; 
• prover dispositivos de proteção/segurança; 
1.5.5. Fabrico 
O elemento a projetar necessitará de ser fabricado e montado a um custo competitivo e os materiais 
e o cálculo vão depender dos processos de fabrico escolhidos e adoptados. O projetista deverá então estar 
bem informado sobre os processos de fabrico existentes.