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Projetos de Máquinas CCE0695 Prof. MSc. Antônio Barroso 04/02/2020 Perfil do Docente • Mestrado em Engenharia Elétrica – Instrumentação, Automação e Controle Universidade Federal de Campina Grande - UFCG • Bacharelado em Engenharia Mecânica - Mecatrônica Universidade de Pernambuco – UPE • Dupla Titulação em Engenharia Automotiva Politecnico di Torino (Itália) • Professor Auxiliar – Estácio 2020.1 – Materiais de Construção Mecânica (5º Período) – Projetos de Máquinas (6º Período) – Processos de Fabricação 1 (8º Período) Contextualização da Disciplina • A grade de formação do Engenheiro Mecânico capacita o mesmo a realizar, com precisão, cálculo e dimensionamento de elementos de máquinas e estruturais. Contextualização da Disciplina • Nesse contexto, ao obter essa especialização, o engenheiro tem amplas condições de suprir o mercado de trabalho em um segmento que oferece uma muitas oportunidades de alocação do profissionais com domínio e conhecimento direcionado em Projetos de Maquinas e seus elementos estruturais. Ementa da Disciplina Unidade 1: Introdução ao Projeto de Máquinas Unidade 2: Conceitos de Projetos de Engenharia Unidade 3: Materiais de Engenharia e suas Propriedades Mecânicas Unidade 4: Estudo de Tensões Desenvolvidas em Elementos de Máquinas e Estruturais Unidade 5: Coeficientes de Segurança e Normas de Projetos Unidade 6: Critérios de Resistência Unidade 7: Projeto de Eixos e seus componentes Unidade 8: Projeto de Engrenagens de Dentes Retos, Helicoidais e Cônicas Unidade 9: Projeto de Transmissão de Coroa e Parafusos Sem-fim Unidade 10: Projeto de Mancais de Rolamento Unidade 11: Projeto de Elementos de Máquinas e Estruturais Soldados Unidade 12: Projeto final de transmissão de potência desenvolvido pelo graduando Objetivos Gerais • Habilitar o engenheiro a atuar na área de projeto de máquinas e equipamentos. • O mercado de trabalho do engenheiro mecânico, de modo geral, carece de profissionais habilitados a desenvolverem projetos de máquinas e equipamentos. • Trata-se de uma área que exige do engenheiro projetista uma visão interdisciplinar e integradora: mecânica (estática e dinâmica), propriedades dos materiais, resistência dos materiais, mecanismos, dinâmica das máquinas, vibrações, fadiga, elementos de máquinas, soldagem, corrosão, entre outros, são de vital importância para a capacitação do engenheiro projetista. Objetivos Específicos • Ao término da disciplina o aluno deve estar capacitado a realizar projetos de componentes de mecânicos e estruturais . Conteúdo Unidade 1 : Introdução ao Projeto de Máquinas 1.1. Conceitos Fundamentais; 1.2. Apresentação de caso concretos de projetos de elementos de máquinas e equipamentos. 1.3. Responsabilidades profissionais do engenheiro de projeto Unidade 2 : Conceitos de Projetos de Engenharia 2.1 Definições 2.2 Conceito de Viabilidade de Projeto 2.3 Conceito de Projeto Preliminar 2.4 Conceito de Projeto Executivo ou Detalhado 2.5 Documentação de Projetos Conteúdo Unidade 3: Materiais de Engenharia e suas Propriedades Mecânicas 3.1 Classificação dos Materiais de Engenharia 3.2 Propriedades Mecânicas dos Materiais de Engenharia 3.3 Conceitos de Propriedades Mecânicas em relação a Processo de Fabricação e Tratamentos Térmicos 3.4 Conceitos de Tratamentos anti-corrosivos aplicados a elementos de máquinas e estruturais Conteúdo Unidade 4 : Estudo de Tensões Desenvolvidas em Elementos de Máquinas e Estruturais 4.1 Estudo de casos de dimensionamento de elementos de máquinas sujeitos a : 4.1.1 de Tensões Uniaxiais, Cisalhamento puro, Flexão simples, Cisalhamento na Flexão, Torção e de Flambagem; 4.1.2 Tensões Combinadas; 4.1.3 Tensões em Cilindros de Paredes Finas e Grossas; 4.1.4 Deflexão em Vigas; 4.1.5 Concentração de Tensões. Conteúdo Unidade 5: Coeficientes de Segurança e Normas de Projetos 5.1 Conceito de Tensão Admissível 5.2 Coeficientes de Segurança 5.3 Normas de Projeto e Segurança Unidade 6 : Critérios de Resistência 6.1 Teoria da Energia de Distorção de Von Mises-Hencky 6.2 Teoria da Máxima Tensão de Cisalhamento ou de Tresca 6.3 Teoria da Máxima Tensão Normal 6.4 Teoria de Coulomb-Mohr 6.5 Teoria de Coulomb-Mohr modificada Conteúdo Unidade 7 : Projeto de Eixos e seus componentes 7.1 Introdução 7.2 Carga em eixos 7.3 Conexões e concentração de tensões 7.4 Materiais para eixo 7.5 Potência no eixo 7.6 Cargas no eixo 7.7 Tensões no eixo 7.8 Falha do eixo em carregamento combinado 7.9 Projeto do eixo 7.10 Projeto para flexão alternada e torção fixa 7.11 Projeto para flexão variada e torção variada 7.12 Deflexão do eixo 7.13 Velocidades críticas de eixos 7.14 Chavetas e rasgos de chaveta 7.15 Acoplamentos Conteúdo Unidade 8 : Projeto de Engrenagens de Dentes Retos, Helicoidais 8.1 Equação de flexão de Lewis 8.2 Durabilidade superficial 8.3 Equações de tensão AGMA 8.4 Equações de resistência AGMA 8.5 Fatores geométricos I e J (ZI e YJ) 8.6 Coeficiente elástico Cp(ZE) 8.7 Fator dinâmico Kv 8.8 Fator de sobrecarga Ko 8.9 Fator de condição de superfície Cf (ZR) 8.10 Fator de tamanho Ks 8.11 Fator de distribuição de carga Km (KH) 8.12 Fator de razão de dureza CH (ZW) 8.13 Fatores de ciclagem de tensão YN eZN 8.14 Fator de confiabilidade KR (YZ) 8.15 Fator de temperatura KT (Yμ) 8.16 Projeto de um par de engrenagens 8.17 Projeto de Caixas Redutoras Conteúdo Unidade 9 : Projeto de Engrenagens Cônicas e Transmissão de Coroa e Parafusos Sem-fim 9.1 Engrenamento cônico – Geral 9.2 Tensões e resistências de engrenagens cônicas 9.3 Fatores para equação AGMA 9.4 Análise de engrenagens cônicas de dentes retos 9.5 Projeto de um engrazamento de engrenagem cônica de dentes retos 9.6 Engrenamento de sem-fim – Equação AGMA 9.7 Análise de engrenagem sem-fim 9.8 Projetando uma transmissão de engrenagem sem-fim 9.10 Carga de desgaste de Buckingham Conteúdo Unidade 10: Projeto de Mancais de Rolamento 10.1.Tipos; 10.2. Características; 10.3. Aplicações; 10.4. materiais, 10.5. Vida e carregamento; 10.6. Seleção de rolamento; 10.7. Montagens de rolamento; 10.8. lubrificação Conteúdo Unidade 11 : Projeto de Elementos de Máquinas e Estruturais Soldados 11.1 Conceitos gerais de processos de Soldagem 11.2 Tensões em juntas soldadas em torção 11.3 Tensões em juntas soldadas em flexão 11.4 A resistência de juntas soldadas 11.5 Carregamento estático 11.6 Carregamento de fadiga Conteúdo Unidade 12: Projeto final de Transmissão de Potência desenvolvido pelo graduando 12.1 Procedimento para dimensionamento de transmissão de Potência de um conjunto mecânico 12.2 Requisitos de torque e potência 12.3 Especificação das engrenagens 12.4 Disposição de eixo 12.5 Análise de forças 12.6 Seleção do material de eixo 12.7 Dimensionamento do eixo por tensão 12.8 Dimensionamento do eixo por deflexão 12.9 Seleção de mancais 12.10 Seleção de chaveta e anel de retenção 12.11 Análise final Conteúdo • Conteúdo bastante extenso; • 3 feriados nas terças-feiras; • Foco nos principais tópicos necessários para realizar o projeto ao final do semestre; Procedimentos de Avaliação Procedimentos de Avaliação • AV1 – A ser decidido: 69 alunos matriculados; • AV2 – Projeto final de transmissão de potência em grupo; – 69 alunos (atualmente) : Grupos de no máximo 6 integrantes; – A ser entregue até a data da AV2 ( 09 /06 / 2020) • AV3 – Prova teórica aberta no valor de 10,0 Conteúdo Aula Conteúdo 04/02 Introdução da Disciplina, Plano de Ensino e Unidade 1 (Introdução) 11/02 18/02 25/02 FERIADO - CARNAVAL 03/03 10/03 17/03 FERIADO – ANIVERSÁRIO ARACAJU 24/03 31/03 07/04 14/04 21/04 FERIADO – TIRADENTES Conteúdo Aula Conteúdo 28/04 PROVA - AV1 05/05 12/05 19/05 26/05 02/06 09/06 ENTREGA DOS PROJETOS – AV2 16/06 Entrega das Notas AV2 e Revisão para AV3 23/06 PROVA – AV3 28/06 Prazo final lançamentos notas AV3 – Fim do semestre Regime Especial • Deve ser formalizado com a coordenação; • Dispensado depresença; • Faz prova – Flexibilidade; • Material: Online (pdf’s) e Bibliotecas (online e presencial); • Alunos que se enquadram: – Trabalho embarcado; – Militar; – Gravidez; – Doença Contagiosa; – Casos particulares a serem avaliados. Bibliografia Básica: • 1- SHIGLEY.J.E. , projetos de engenharia mecânica e outros. Porto Alegre: Bookman, 2006. • 2- NORTON, Robert .L. Projeto de Máquinas: uma abordagem Integrada, 2ª Edicao. Porto alegre: Bookman, 2004. • 3- Gustav Niemann. Elementos de Máquinas. Volume III. São Paulo: Edgard Blucher, 1971. • 4- Gustav Niemann. Elementos de Máquinas. Volume IIII. São Paulo: Edgard Blucher, 1971. Bibliografia Complementar: 1- SHIGLEY.J.E. e outros, projetos de engenharia mecânica. Porto Alegre: Bookman, 2006. 2- NORTON, R.L. Projeto de Máquinas 2ª Ed. Porto Alegre: Bookman, 2003. 3- NORTON, R.L, Exercícios de Elementos de Máquinas. São carlos: Escola de Engenharia Mecânica de São Carlos, USP, 2005. 4- Niemann, Gustav. Elementos de Máquinas. Volume I. São Paulo: Edgard Blucher, 1971. 5- Niemann, Gustav. Elementos de Máquinas. Volume II. São Paulo: Edgard Blucher, 1971. Ferramentas Computacionais – Sugestão • Recomenda-se a utilização de alguma ferramenta computacional na realização dos projetos da disciplina: – MATHCAD – MATLAB – TKSOLVER – EXCEL – ... Semana 1 • Apresentação do plano de ensino da disciplina • Unidade 1 – Introdução ao Projeto de Máquinas – Conceitos Fundamentais – Casos concretos de projetos – Responsabilidades profissionais do engenheiro de projeto Conceitos Fundamentais • A identificação dos possíveis modos de falha de um componente, a partir das suas condições de uso, bem como definir qual a tensão admissível a ser utilizada no projeto, compatível com o modo de falha do componente, e com o nível de segurança necessário é o principal objetivo do curso. • Os conhecimentos das disciplinas: Resistência dos Materiais e Materiais de Construção Mecânica, são de fundamental importância no desenvolvimento do nosso estudo. Conceitos Fundamentais • O Projeto de Máquinas trata da criação de uma máquina, que funcione bem, com segurança e confiabilidade e que seja economicamente viável. • Metodologia de projetos: Criação de algum objeto de utilidade, o que envolve toda uma sequência de atividades, desde a concepção do produto, até a sua produção propriamente dita, passando pelo projeto preliminar, detalhamento, análise, planejamento da produção, produção, controle de qualidade e assistência ao usuário. Conceitos Fundamentais • No caso dos elementos de máquinas, que são solicitados por cargas e esforços durante a operação, um dos pontos mais críticos do projeto é a escolha do material a ser utilizado; • Além disso, é necessário o seu correto dimensionamento para suportar as cargas e condições de trabalho que irão se desenvolver ao longo da sua vida útil. Metodologia de Projeto Variáveis • Grande número de variáveis, que formam o chamado espaço de projeto, ou seja, o conjunto de todos os fatores que influem sobre a configuração do projeto, seu custo de fabricação e operação, seu desempenho em serviço... • Principais variáveis de projeto: – Valores nominais de carga: forças, momentos e pressão; – Valores máximos de carregamento; – Variação de temperatura durante a operação; – Propriedades dos materiais usados; – Tipos de vínculos e restrições; – Nível de segurança. Variáveis - icógnitas • Destas variáveis muitas são incógnitas (valores desconhecidos) quando da etapa de projeto preliminar, embora, em muitos casos, conheça-se ao menos a ordem de grandeza (10, 10², 10³...) que os valores numéricos podem assumir; • Usualmente tem-se como incógnitas em um projeto preliminar variáveis como, por exemplo, as dimensões da seção transversal do componente, a espessura de parede de um reservatório, ou a especificação do tipo de material. Organização e registro • Com tantas etapas em um projeto, é necessário ao engenheiro ser organizado e manter registro de todas decisões tomadas; • Exemplo: – 1 - Definir o problema; – 2 - Declarar os dados; – 3 - Elaborar hipóteses apropriadas; – 4 - Decisões preliminares do projeto; – 5 - Croquis do projeto; – 6 - Modelos matemáticos; – 7 - Análise do projeto; – 8 - Avaliação dos resultados; – 9 - Documentar detalhadamente o projeto. Modelo de Engenharia • O sucesso de qualquer projeto depende muito da validade e adequação dos modelos de engenharia utilizados para prever e analisar o seu comportamento; • A escolha destes modelos é a parte mais difícil e, seu sucesso, depende tanto da experiência quanto da habilidade do projetista, e os computadores são parte fundamental nesse auxílio; Modelo de Engenharia Conceitos Fundamentais • Ao final, deve existir um relatório, que facilita a comunicação das suas ideias, pois o engenheiro precisa: – Elaborar propostas, relatórios técnicos, apresentações e interagir com outras pessoas. – Desenvolver suas habilidades de comunicação. Não é possível vender uma ideia, um serviço ou um produto, se você não consegue transmitir de forma clara e precisa aquilo que você fez ou pretende fazer. – É claro, que a visão ética e moral deve sempre estar presente na vida do engenheiro, consciente do que deve ser feito e como deve se comportar no exercício da sua profissão, tendo em mente o bem estar público, a preservação do meio ambiente, dos recursos naturais, sustentada pela qualidade, confiabilidade e segurança dos seus projetos. Exemplos de projetos • União Parafusada: Exemplos de projetos • Dados fornecidos: Pressão, C.S. e dimensões da figura; • Incógnitas: Forças, quantidade de parafusos necessários, material e dimensões dos parafusos, tensões aplicadas e suportadas, ... Exemplos de projetos • União Soldada Exemplos de projetos • Dados fornecidos: cargas (Pmin e Pmax), C.S. e dimensões (a,b); • Incógnitas: pontos de solda, dimensões da solda, tensões aplicáveis e suportadas pela solda, .... Responsabilidades profissionais do engenheiro projetista • Cada um é responsável pelas suas atitudes e condutas; • Nós engenheiros somos cidadãos que utilizamos das ciências para solucionar problemas técnicos da sociedade; • O projetista assumirá a responsabilidade tanto na elaboração do projeto como na execução do mesmo, devendo considerar as mais recentes especificações das normas técnicas; • Responsabilidade pela solidez e segurança do projeto; • Responsabilidade pelos materiais utilizados; • Responsabilidade por quaisquer danos causados a terceiros; Responsabilidades profissionais • Devemos então seguir as NORMAS! Normas – Sistemas de Unidades • Os sistemas de unidades mais utilizados são: – FPS: pé-libra-segundo; – IPS: polegada-libra-segundo; – SI: Sistema Internacional; – CGS (Métrico): centímetro-grama-segundo. • Todos os sistemas foram criados a partir de três quantidades da expressão geral da lei de Newton; Normas – Sistemas de Unidades • Alguma confusão envolve a conversão de valores dos sistemas do SI e o sistema americano, em função do último utilizar um grupo diferente de unidades básicas; • Os sistemas americanos têm como unidades básicas: força, comprimento e tempo; • O Sistemas Internacional tem como unidades básicas: massa, comprimento e tempo; • É necessário bastante cuidado e consultar material na hora de converter unidades! Normas – Sistemas de Unidades Normas – Coeficientes de Segurança Normas – Coeficientes de Segurança APLICAÇÕES FATOR DE SEGURANÇA Cabo estático 3 – 4 (depende da carga) Cabo para tração 4 – 5 Guincho 5 Pá, Guindaste e Escavadeiras 5 Ponte rolante 5 – 8 Talha elétrica 7 Elevador baixa velocidade (carga) 8 – 10 Elevador alta velocidade (humano) 10 – 12 • Utilizaremos na prática! • Nosso projeto pode apresentar cargas estática, dinâmicas e/ou alternadas Normas – Coeficientes de Segurança • Fatores complementares: – Garantia do Material;– Garantia do Equipamento/Ferramental; – Capacidade Técnica Profissional; – Responsabilidade Ambiental/Social/Humana; – Responsabilidade Financeira; – Condições Climáticas; – Vida útil estimada da estrutura/equipamento; – Tipo e possibilidade de inspeção/manutenção. Reflexão – Responsabilidade e ética Conteúdo Unidade 1 : Introdução ao Projeto de Máquinas 1.1. Conceitos Fundamentais; 1.2. Apresentação de caso concretos de projetos de elementos de máquinas e equipamentos. 1.3. Responsabilidades profissionais do engenheiro de projeto Unidade 2 : Conceitos de Projetos de Engenharia 2.1 Definições 2.2 Conceito de Viabilidade de Projeto 2.3 Conceito de Projeto Preliminar 2.4 Conceito de Projeto Executivo ou Detalhado 2.5 Documentação de Projetos Conceitos de Projetos • Empresa contratada = Apresentar melhores condições (técnicas e comerciais); • Atividades para produzir o produto previsto em contrato; • Organizadas e restritas aos recursos possuídos; • Juntamente com limitações de tempo, qualidade, custo e escopo do contrato, temos a denominação de PROJETO; Conceitos de Projetos • PROJETO = “Esforço temporário empreendido para criar um produto, serviço ou resultado exclusivo” (Guia PMBOK@ 2015); – Temporário = Projetos não duram eternamente. Existe prazo a ser cumprido (início, meio e fim); – Empreendido = Investir recursos e administração; – Exclusivo = É preciso muito cuidado caso seja um projeto inédito (1ª vez) – Segurança! • PROJETO DE ENGENHARIA= Empreendimento (negócio) seja industrial, civil, comercial ou outros, que deverá acontecer dentro de um prazo estabelecido, custo negociado, qualidade imposta e escopo acordado entre Contratante e Contratado. Viabilidade de Projeto • Meu PROJETO é viável? Como saber? • Viabilidade = Analisar como algo pode alcançar resultados positivos; • Viabilidade econômica = Analisada através de parâmetros econômicos? – Valor Presente Líquido (VPL)= valor final do projeto para um prazo estipulado (positivo = lucro); – Taxa Mínima de Atratividade (TMA) = mínimo de retorno do investimento estipulado pela empresa; – Taxa Interna de Retorno (TIR) = retorno com o tempo do investimento (quando VPL = 0). Se for maior que a TMA, o projeto é visto como viável; – Payback Time = tempo no qual o investimento inicial é recuperado, ou seja, tempo a partir do qual o projeto começa a gerar lucro. • Podemos aplicar o PDCA. Viabilidade de Projeto Premissas e Restrições • Premissas: – Trata-se de tudo que deverá ser considerado como verdadeiro (e necessário) no início do projeto; – São definidas após pleno conhecimento do objeto do contrato de construção e montagem; – Serão os primeiros itens a serem tratados como riscos no projeto, pois o seu adiamento irá adiar também o início do projeto; • Exemplos: – Local de fabricação disponível; – Matéria-prima disponível; – Trajeto entre fábrica e local de instalação liberado; – Documentos de engenharia finalizados (autorizações). Premissas e Restrições • Restrições: – Os limites do projeto são estabelecidos; – Aquilo que não pode ou não deve ser feito; – São estabelecidas e negociadas ainda na fase de proposta (visita técnica criteriosa. • Exemplos: – Restrição de horário; – Quantidade disponível de material; – Habilidade do funcionários; – Disponibilidade de equipamento; Planejamento e Custo • Planejamento = Estabelecer um cenário futuro plausível, analisando os riscos e recursos necessários nesse ambiente futuro. – O planejamento gera a linha de base para escopo, qualidade, custo e prazo, ou seja, um acordo entre os envolvidos do projeto para que as expectativas e interesses possam ser alcançados; – Dinamismo é fundamental; – Deverá ser atualizado ao longo do tempo e mudanças (qualidade, custo, prazo e escopo); Planejamento e Custo Projeto Preliminar • Projeto Preliminar = Fase de estudo e análise a respeito da possibilidade de concepção do produto, assim como idealizar, otimizar e avalia-lo; • Aspectos: – Técnicos; – Econômicos; – Ambientais; – Materiais; Projeto Executivo (Detalhado) • Projeto Executivo = Fase de definição da forma final do produto, especificação de materiais e tolerâncias, revisão de custos, documentação (desenhos) e especificação dos componentes; Fabricação • Fabricação = Fase de concepção física (projeto de fabricação) do produto, assim como análise, inspeção e controle de qualidade após produzido, e por fim, embalagem e estocagem caso necessário. Consumo (Pós-Desenvolvimento) • Consumo = Fase final, onde o produto chega as mãos do cliente, através da distribuição (logística). Geralmente, é previsto em contrato um serviço de manutenção e assistência técnica por parte do fornecedor, e também, caso necessário, um projeto de remoção do produto. Fases de um Projeto Fases de um Projeto Fases de um Projeto • Projeto: Desenvolver um dispositivo de ensaio de cisalhamento simples em elementos de fixação. • Ser economicamente viável; • Ser compacto; • Ser de fácil fabricação e montagem; • Suportar uma carga de 10 toneladas; • Atender a norma internacional para ensaios de cisalhamento em elementos de fixação: NASM 1312-20. Fases de um Projeto • Brainstorm: • Eliminação e simplificação; • Material mais barato; • R$ 950,00 • R$ 4000,00 Fases de um Projeto Fases de um Projeto • Dimensionamento: Análise de Tensões ( Carga de 10 toneladas) Fases de um Projeto • Dimensionamento: Análise de Tensões ( Carga de 10 toneladas) Regiões mais sujeitas a falha; Fases de um Projeto Fases de um Projeto • Processos de Fabricação (Usinagem) • Esse deve ter sido pré-avaliado na fase preliminar (viabilidade) Fases de um Projeto • Processos de Fabricação (Usinagem) Fases de um Projeto • Tratamento Térmico (Têmpera e Revenimento) Fases de um Projeto • Ensaio de Dureza Fases de um Projeto • Produto Finalizado Fases de um Projeto • Entregue ao cliente para utilização Fases de um Projeto • Caso necessário: • Manutenção; • Assistência • Teste de carga Fases de um Projeto Fases de um Projeto Fases de um Projeto Fases de um Projeto • Ensaio durante utilização Fases de um Projeto Fases de um Projeto Fases de um Projeto • Caso esteja fora dos padrões de projeto, o produto deve ser removido e refeito o projeto. Documentação de Projetos • Documentação = Registro de informações a respeito de todas atividades do projeto, fundamental para um bom controle de projetos; – Escrita simples e clara; – Histórico; – Flexibilidade para o cliente (alteração e registro); – Alinhamento de novas informações; • Assim como diversas etapas do projeto, a documentação também vem gradativamente sofrendo influência da computação, com ferramentas (softwares) que facilitam muito o gerenciamento de tantas informações. Documentação de Projetos • Exemplos = – Termo de início do projeto; – Desenhos técnicos; – Plano de gerenciamento; – Cronograma; – Detalhamento da Equipe; – Plano de qualidade e riscos; – Fluxograma geral;
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