Elementos de Máquinas de Shigley - 10.ed.

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Clássico da área de projeto em engenharia mecânica, há 50 anos no mercado, este livro combina uma linguagem direta e focada em fundamentos com uma discussão detalhada e abrangente dos componentes. Estas características o tornaram uma referência indispensável para engenheiros praticantes. Inclui capítulo sobre dimensionamento e toleranciamento geométricos, que possbilita ao aluno melhor leitura e compreensão das especificações de projeto.

 

22 capítulos

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1 - Introdução ao projeto de engenharia mecânica

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1

Introdução ao projeto de engenharia mecânica

1–1 Projeto 

4

1–2

Projeto de engenharia mecânica 

1–3

Fases e interações do processo de projeto 

1–4

Recursos e ferramentas para projeto 

1–5

Responsabilidades profissionais do engenheiro de projeto 

1–6

Padrões e códigos 

5

5

8

10

12

1–7 Economia 

13

1–8

Segurança e responsabilidade pelo produto 

1–9

Tensão e resistência 

15

16

1–10

Incerteza 

1–11

Fator de projeto e fator de segurança 

1–12

Confiabilidade e probabilidade de falha 

1–13

Relacionando o fator de projeto à confiabilidade 

1–14

Dimensões e tolerâncias 

1–15

Unidades 

1–16

Cálculos e algarismos significativos 

1–17

Interdependência de tópicos de projetos 

1–18

Especificações para o estudo de caso de transmissão de potência 

 

2 - Materiais

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2

Materiais

2–1

Resistência e rigidez dos materiais 

2–2

A significância estatística das propriedades dos materiais 

2–3

Resistência e trabalho a frio 

41

48

2–4 Dureza 

50

2–5

Propriedades de impacto 

2–6

Efeitos da temperatura 

2–7

Sistemas de numeração 

2–8

Fundição em areia 

2–9

Moldagem em casca 

52

53

54

56

56

2–10

Fundição de revestimento 

2–11

O processo de metalurgia do pó 

2–12

Processos de trabalho a quente 

2–13

Processos de trabalho a frio 

2–14

Tratamento térmico do aço 

2–15

Aços-liga 

2–16

Aços resistentes à corrosão 

2–17

Materiais para fundição 

2–18

Metais não ferrosos 

2–19

Plásticos 

2–20

Materiais compósitos 

2–21

Seleção de materiais 

57

58

59

62

 

3 - Análise de cargas e tensões

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3

Análise de cargas e tensões

3–1

Equilíbrio e diagramas de corpo livre 

3–2

Força de cisalhamento e momentos fletores em vigas 

3–3

Funções de singularidade 

83

88

3–4 Tensão 

90

3–5

Componentes cartesianas de tensão 

90

3–6

Círculo de Mohr para tensões planas 

92

3–7

Tensão tridimensional geral 

3–8

Deformação elástica 

3–9

Tensões uniformemente distribuídas 

98

99

100

3–10

Tensões normais para vigas em flexão 

3–11

Tensões de cisalhamento para vigas em flexão 

3–12

Torção 

3–13

Concentração de tensão 

3–14

Tensões em cilindros pressurizados 

3–15

Tensões em anéis rotativos 

3–16

Ajuste por interferência 

128

3–17

Efeitos da temperatura 

129

3–18

Vigas curvas em flexão 

130

3–19

Tensões de contato 

 

4 - Deflexão e rigidez

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4

Deflexão e rigidez

4–1

Razões de mola 

4–2

Tração, compressão e torção 

4–3

Deflexão por flexão 

4–4

Métodos de deflexão de viga 

4–5

Deflexões de vigas por superposição 

4–6

Deflexões de vigas por funções de singularidade 

4–7

Energia de deformação 

175

4–8

Teorema de Castigliano 

178

4–9

Deflexão de elementos curvos 

161

162

163

166

167

170

184

4–10

Problemas estaticamente indeterminados 

4–11

Elementos em compressão — Generalidades 

4–12

Colunas longas com carregamento central 

4–13

Colunas de comprimento intermediário com carregamento central 

4–14

Colunas com carregamento excêntrico 

4–15

Pilaretes ou elementos curtos sob compressão 

4–16

Estabilidade elástica 

4–17

Choque e impacto 

205

206

189

195

 

5 - Falhas resultantes de carregamento estático

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5

Falhas resultantes de carregamento estático

5–1

Resistência estática 

5–2

Concentração de tensão 

5–3

Teorias de falha 

5–4

Teoria da tensão de cisalhamento máxima para materiais dúcteis 

5–5

Teoria da energia de distorção para materiais dúcteis 

5–6

Teoria de Coulomb-Mohr para materiais dúcteis 

5–7

Resumo das teorias de falha de materiais dúcteis 

5–8

Teoria da tensão normal máxima para materiais frágeis 

5–9

Teoria de Mohr modificada para materiais frágeis 

228

229

231

5–10

Resumo de falha de materiais frágeis 

5–11

Seleção de critérios de falha 

5–12

Introdução à mecânica da fratura 

5–13

Equações de projeto importantes 

249

250

251

260

233

239

242

247

246

231

226    Elementos de máquinas de Shigley

No Capítulo 1 aprendemos que resistência é uma propriedade ou característica de um elemento mecânico. Essa propriedade resulta da identidade do material, do tratamento e processamento incidental para criar sua geometria e do carregamento, e está na localização de controle ou crítica.

 

6 - Falha por fadiga resultante de carregamento variável

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6

Falha por fadiga resultante de carregamento variável

6–1

Introdução à fadiga em metais 

6–2

Abordagem da falha por fadiga em análise e projeto 

6–3

Métodos fadiga-vida 

6–4

O método tensão-vida 

6–5

O método deformação-vida 

6–6

O método da mecânica de fratura linear elástica 

6–7

O limite de resistência à fadiga 

6–8

Resistência à fadiga 

6–9

Fatores modificadores do limite de resistência à fadiga 

269

275

276

276

279

281

285

286

289

6–10

Concentração de tensão e sensitividade de entalhe 

6–11

Caracterização de tensões flutuantes 

6–12

Critério de falha por fadiga para tensão flutuante 

6–13

Resistência à fadiga torcional sob tensões flutuantes 

6–14

Combinação de modos de carregamento 

6–15

Tensões flutuantes variáveis; dano cumulativo por fadiga 

 

7 - Eixos e componentes de eixo

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7

Eixos e componentes de eixo

7–1 Introdução 

346

7–2

Materiais de eixo 

7–3

Disposição do eixo 

7–4

Projeto do eixo por tensão 

353

7–5

Considerações da deflexão 

365

7–6

Velocidades críticas de eixos 

7–7

Componentes diversos de eixo 

7–8

Limites e ajustes 

346

347

381

369

375

346    Elementos de máquinas de Shigley

7–1 Introdução

O eixo é um membro rotativo, usualmente de seção transversal circular, usado para transmitir potência ou movimento. Ele provê o eixo de rotação, ou oscilação, de elementos tais como engrenagens, polias, volantes, manivelas, rodas dentadas e similares, e controla a geometria de seus movimentos. O eixo fixo é um membro não rotativo que não transmite torque e é usado para suportar rodas girantes, polias e similares. O eixo automotivo não é um eixo fixo verdadeiro; o termo é uma transposição da era da charrete puxada por cavalos, quando as rodas giravam em elementos não rotativos. O eixo não rotativo pode prontamente ser desenhado e analisado como uma viga estática, e não receberá a atenção especial dada neste capítulo a eixos rotativos que estão sujeitos a carregamento de fadiga.

 

8 - Parafusos, elementos de fixação e o projeto de juntas não permanentes

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8

Parafusos, elementos de fixação e o projeto de juntas não permanentes

 8–1

Padrões de rosca e definições 

 8–2

Mecânica dos parafusos de potência 

 8–3

Conectores rosqueados 

 8–4

Juntas – Rigidez de conectores 

 8–5

Juntas – Rigidez de elementos de ligação 

 8–6

Resistência do parafuso 

 8–7

Juntas tracionadas – Carga externa 

 8–8

Relacionando o torque no parafuso à tração no parafuso 

 8–9

Junta estaticamente carregada à tração com pré-carga 

8–10

Juntas de vedação 

8–11

Carregamento de fadiga em juntas tracionadas 

8–12

Carregamento de cisalhamento em juntas parafusadas e rebitadas 

395

399

407

410

413

418

421

422

425

429

430

437

Capítulo 8  Parafusos, elementos de fixação e o projeto de juntas não permanentes   395

O parafuso de rosca helicoidal foi sem dúvida uma invenção mecânica extremamente importante. Ele é a base dos parafusos de potência, que transformam o movimento angular em movimento linear para transmitir potência ou desenvolver grandes forças (prensas, macacos etc.), e os conectores rosqueados, um elemento importante em juntas não permanentes.

 

9 - Soldagem, colagem e o projeto de juntas permanentes

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9

Soldagem, colagem e o projeto de juntas permanentes

9–1

Símbolos de soldagem 

460

9–2

Soldas de topo e filete 

462

9–3

Tensões em junções soldadas em torção 

466

9–4

Tensões em junções soldadas em flexão 

471

9–5

A resistência de junções soldadas 

9–6

Carregamento estático 

9–7

Carregamento de fadiga 

9–8

Soldagem por resistência 

9–9

Colagem por adesivo 

476

480

483

482

472

460    Elementos de máquinas de Shigley

A forma pode mais prontamente desempenhar a função com a ajuda de processos de união, tais como soldagem, brasagem, fusão de liga de baixa fusão, cementação e colagem – processos que são hoje usados extensivamente em manufatura. Sempre que partes tiverem de ser montadas ou fabricadas, existe usualmente um bom motivo para considerar um desses processos em trabalho preliminar de projeto. Particularmente quando as seções a serem unidas são finas, um desses métodos pode levar a uma economia significativa. A eliminação de conectores individuais, com seus orifícios e custos de montagem, é um fator importante. Dessa forma alguns desses métodos permitem também rápida montagem em máquina, promovendo a atratividade deles.

 

10 - Molas

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10

Molas

 10–1

Tensões em molas helicoidais 

 10–2

O efeito da curvatura 

 10–3

Deflexão de molas helicoidais 

 10–4

Molas de compressão 

502

503

504

504

 10–5 Estabilidade 

506

 10–6

Materiais para molas 

 10–7

Projeto de molas helicoidais para compressão estática em serviço 

 10–8

Frequência crítica de molas helicoidais 

 10–9

Carregamento de fadiga em molas helicoidais de compressão 

10–10

Projeto de molas helicoidais para fadiga em compressão 

10–11

Molas de extensão 

10–12

Molas helicoidais de torção 

10–13

Molas Belleville 

10–14

Molas diversas 

10–15 Resumo 545

526

542

543

507

534

512

518

523

520

502    Elementos de máquinas de Shigley

Quando um projetista deseja rigidez, deflexão desprezível é uma aproximação aceitável, contanto que não comprometa a função. A flexibilidade é algumas vezes necessária e é com frequência fornecida por corpos metálicos com a geometria controlada engenhosamente. Esses corpos podem exibir flexibilidade no grau que o projetista busca. Tal flexibilidade pode ser linear ou não linear ao relacionar deflexão e carga. Esses dispositivos permitem a aplicação controlada da força ou do torque; o armazenamento e a liberação da energia pode ser um outro objetivo. A flexibilidade permite distorção temporária para acesso e restauração imediata da função. Por causa do valor da maquinária para os projetistas, as molas têm sido intensamente estudadas; além disso, são produzidas em grandes quantidades (por isso, custam pouco) e configurações engenhosas foram encontradas para uma variedade de aplicações desejadas. Neste capítulo, discutiremos os tipos de molas mais usados, suas relações paramétricas necessárias e seus projetos.

 

11 - Mancais de rolamento

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11

Mancais de rolamento

11–1

Tipos de mancais 

11–2

Vida do mancal 

11–3

Vida do mancal sob carga na confiabilidade indicada 

11–4

Confiabilidade versus vida – A distribuição de Weibull 

11–5

Relacionando carga, vida e confiabilidade 

11–6

Carregamento combinado: radial e axial 

11–7

Carregamento variável 

11–8

Seleção de mancais de esferas e de rolos cilíndricos 

11–9

Seleção de mancais de rolos cônicos 

553

556

557

559

560

562

568

571

573

11–10

Avaliação de projeto para mancais de rolamento selecionados 

11–11

Lubrificação 

11–12

Montagem e caixa de mancal 

587

587

582

Capítulo 11  Mancais de rolamento   553

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

 

12 - Lubrificação e mancais de deslizamento

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12

12–1

Lubrificação e mancais de deslizamento

Tipos de lubrificação 

600

12–2 Viscosidade 

601

12–3

Equação de Petroff 

604

12–4

Lubrificação estável 

605

12–5

Lubrificação de película espessa 

12–6

Teoria hidrodinâmica 

12–7

Considerações de projeto 

12–8

As relações entre as variáveis 

12–9

Condições de estado estável em mancais autocontidos 

606

607

612

614

12–10 Folga 631

12–11

Mancais com lubrificação forçada 

12–12

Cargas e materiais 

12–13

Tipos de mancais 

12–14

Mancais de escora 

12–15

Mancais de contorno lubrificado 

633

639

641

642

643

627

600    Elementos de máquinas de Shigley

O objetivo da lubrificação é reduzir o atrito, o desgaste e aquecimento de partes de máquinas que se movem em relação umas às outras. Um lubrificante é qualquer substância que, quando inserida entre superfícies que se movem, alcança esses propósitos. Em um mancal de deslizamento, um eixo, ou munhão, roda ou oscila dentro da manga, ou bucha, e o movimento relativo é de deslizamento. Em um mancal antiatrito, o movimento relativo principal é o rolamento.

 

13 - Uma visão geral sobre engrenagens

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13

Uma visão geral sobre engrenagens

13–1

Tipos de engrenagens 

13–2

Nomenclatura 

13–3

Ação conjugada 

13–4

Propriedades da involuta 

13–5

Fundamentos 

13–6

Razão de contato 

13–7

Interferência 

13–8

Conformação de dentes de engrenagens 

13–9

Engrenagens cônicas de dentes retos 

656

658

659

660

661

666

667

670

673

13–10

Engrenagens helicoidais de eixos paralelos 

13–11

Engrenagens sem-fim 

13–12

Sistemas de dentes 

13–13

Trens de engrenagens 

13–14

Análise de força – Engrenamento cilíndrico de dentes retos 

13–15

Análise de força – Engrenamento cônico 

13–16

Análise de força – Engrenamento helicoidal 

13–17

Análise de força – Engrenamento sem-fim 

674

677

679

681

692

695

698

689

 

14 - Engrenagens cilíndricas de dentes retos e engrenagens cilíndricas helicoidais

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14

Engrenagens cilíndricas de dentes retos e engrenagens cilíndricas helicoidais

14–1

Equação de flexão de Lewis 

14–2

Durabilidade superficial 

717

726

14–3 Equações de tensão AGMA 

729

14–4 Equações de resistência AGMA 

730

14–5 Fatores geométricos I e J (ZI e YJ) 

14–6 Coeficiente elástico Cp (ZE) 

14–7 Fator dinâmico Kv 

735

739

739

14–8 Fator de sobrecarga Ko 

740

14–9 Fator de condição de superfície Cf (ZR) 

14–10

Fator de tamanho Ks 

14–11

Fator de distribuição de carga Km (KH) 

14–12

Fator de razão de dureza CH(ZW) 

742

742

743

744

14–13 Fatores de ciclagem de tensão YN e ZN 

14–14

Fator de confiabilidade KR (YZ) 

14–15

Fator de temperatura KT (Yθ ) 

14–16

Fator de espessura de aro (borda) KB 

14–17

Fatores de segurança SF e SH 

746

 

15 - Engrenagens cônicas e sem-fim

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15

Engrenagens cônicas e sem-fim

15–1

Engrenamento cônico – Geral 

15–2

Tensões e resistências de engrenagens cônicas 

15–3

Fatores para equação AGMA 

15–4

Análise de engrenagens cônicas de dentes retos 

15–5

Projeto de um engrazamento de engrenagem cônica de dentes retos 

15–6

Engrenamento de sem-fim – Equação AGMA 

15–7

Análise de engrenagem sem-fim 

15–8

Projetando uma transmissão de engrenagem sem-fim 

15–9

Carga de desgaste de Buckingham 

770

772

775

786

793

797

804

801

790

770    Elementos de máquinas de Shigley

A American Gear Manufacturers Association (AGMA) estabeleceu as padronizações para a análise e projeto dos vários tipos de engrenagens cônicas e engrenagens sem-fim. O Capítulo

14 foi uma introdução aos métodos da AGMA para engrenagens cilíndricas de dentes retos e engrenagens helicoidais e engrenagens helicoidais e contém muitas das definições dos termos usados neste capítulo. A AGMA também estabeleceu métodos similares para outros tipos de engrenamentos, todos seguindo o mesmo procedimento geral.

 

16 - Embreagens, freios, acoplamentos e volantes

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16

Embreagens, freios, acoplamentos e volantes

 16–1

Análise estática de embreagens e freios 

 16–2

Embreagens e freios tipo tambor com sapatas internas 

815

 16–3

Embreagens e freios tipo tambor com sapatas externas 

823

 16–4

Embreagens e freios de cinta 

827

 16–5

Embreagens de contato axial 

829

 16–6

Freios de disco 

 16–7

Embreagens e freios cônicos 

 16–8

Considerações energéticas 

 16–9

Elevação de temperatura 

16–10

Materiais de atrito 

16–11

Embreagens variadas e acoplamentos 

16–12 Volantes 

850

810

832

838

840

841

845

846

Capítulo 16  Embreagens, freios, acoplamentos e volantes   809

Este capítulo diz respeito a um grupo de elementos usualmente associados com rotação que têm em comum a função de armazenar e/ou transferir energia rotacional. Por causa dessa similaridade de função, embreagens, freios, acoplamentos e volantes são tratados em conjunto neste capítulo.

 

17 - Elementos mecânicos flexíveis

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17

Elementos mecânicos flexíveis

17–1

Correias 

17–2

Transmissões por correias planas e redondas 

17–3

Correias em V 

17–4

Correias de sincronização 

17–5

Corrente de roletes 

17–6

Cabos de aço 

901

17–7

Eixos flexíveis 

911

863

883

892

891

867

Capítulo 17  Elementos mecânicos flexíveis   863

Correias, cabos, correntes e outros similares elásticos ou elementos de máquinas flexíveis são utilizados em sistemas de transporte e na transmissão de potência sobre distâncias comparativamente grandes. Frequentemente se empregam esses elementos como substitutos de engrenagens, eixos, mancais ou outros dispositivos relativamente rígidos de transmissão de potência. Em muitos casos, seu uso simplifica o projeto de uma máquina e reduz o custo substancialmente.

Além disso, uma vez que esses elementos são elásticos e usualmente bastante compridos, desempenham um papel bastante importante em absorver cargas de choque e em amortecer e isolar os efeitos de vibração. Essa é uma vantagem importante no que concerne à vida de máquinas.

 

18 - Estudo de caso de transmissão de potência

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18

Estudo de caso de transmissão de potência

 18–1

Sequência de projeto para transmissão de potência 

 18–2

Requisitos de torque e potência 

 18–3

Especificação das engrenagens 

 18–4

Disposição de eixo 

 18–5

Análise de forças 

 18–6

Seleção do material de eixo 

 18–7

Dimensionamento do eixo por tensão 

 18–8

Dimensionamento do eixo por deflexão 

 18–9

Seleção de mancais 

18–10

Seleção de chaveta e anel de retenção 

18–11

Análise final 

934

921

921

928

930

930

931

931

931

933

920

Capítulo 18  Estudo de caso de transmissão de potência   919

Transmitir potência a partir de uma fonte, como um motor de combustão interna ou motor elétrico, através de uma máquina com uma atuação de saída é uma das tarefas mais comuns das máquinas. Um modo eficiente de transmitir potência é por meio do movimento rotativo de um eixo que é suportado por mancais. Engrenagens, polias de correia ou rodas dentadas de correntes podem ser incorporadas para proporcionar o torque e mudanças de velocidade

 

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