00 macaco mec+énico - exemplo de um projeto - (oscar) revisado em agosto de 2010

Escola Técnica Estadual Parobé – Curso de Mecânica - Disciplina de Projetos

(exemplo modelo 01)

PROJETO DE MACACO MECÂNICO PROJETO DE MACACO MECÂNICO

solução 1 solução 2 solução 3 solução 4 solução 5

I MEMÓRIA JUSTIFICATIVA

II MEMÓRIA DESCRITIVA

III MEMÓRIA DE CÁLCULO

IV MEMÓRIA GRÁFICA

V CONCLUSÃO

RELAÇÃO DE PEÇAS DO MACACO MECÂNICO

Oscar Corrêa da Cunha Junior1


Introdução.

Um projeto para alguém não experiente no assunto pode parecer uma tarefa, senão assustadora, pelo menos difícil, geralmente trabalhosa. Porém, de uma forma ou de outra, diariamente estamos concebendo e administrando nossos projetos. Isso por que existem infinitos tipos de projeto e nem todos são assustadores, difíceis ou laboriosos. Quando se deseja algo, para bem consegui-lo, antes se pensa, se planeja e se imagina a forma de proceder, para depois agir. Em resumo, isso é projetar. Cada fase de um projeto tem seu tempo e seu momento. Primeiro deve haver algo que desperte a necessidade de nos fazer agir. A seguir, estuda-se a melhor forma de ação. Só então se age. Esse é o trabalho do projetista. Basicamente se devem achar as respostas à três perguntas básicas: O que fazer? Como fazer? Quando fazer? Em qualquer pergunta ou problema se podem achar diversas respostas. Isto se constitui em outra dificuldade a ser administrada corretamente. Cada solução tem qualidades diferentes. O gerenciamento do projeto busca todas as respostas possíveis e seleciona as melhores. Durante o curso veremos como se busca fazer e qual a influência desse procedimento no resultado final. Em síntese, um bom projeto é o resultado de diversas ações, todas encadeadas, a serem sempre bem administradas e posteriormente corretamente executadas. Bom projeto é aquele que melhor atende à necessidade de origem.

Há milhões de anos a humanidade vem inventando, descobrindo e projetando, três ações parecidas, mas não iguais, como veremos no curso. Isso parece ser a principal razão da diferença entre o homem e os demais seres vivos coabitantes do nosso planeta Terra. Mas a humanidade é composta por indivíduos muito diferentes, assim como os projetistas também o são. A História demonstra que bons projetos para alguns foram considerados péssimos para outros. Mas se é impossível agradar a todos, bom projeto é aquele que é assim considerado pela maioria. Buscaremos orientar o estudante na forma de como se pode agir nesse sentido.

Por ora fica o alerta: cada projetista tem sua forma particular de trabalhar, assim como tem suas preferências e conhecimentos. Bom projetista é aquele que procura atender às três perguntas iniciais da melhor forma que puder. Depois deve ficar atento de como seu projeto foi recebido pelos usuários. Havendo nova oportunidade, é possível que mude a forma de ação, ou não.

Existem livros sobre o assunto. Alguns muito técnicos, outros aprazíveis, de leitura fácil. Estamos à disposição do interessado para informar sobre os que conhecemos.

O estudante vai enfrentar no curso o desafio de apresentar um projeto mecânico e explicar oralmente como o desenvolveu. Nesse projeto, devem ser utilizados conhecimentos aprendidos na Escola Técnica Estadual Parobé, os do Segundo Grau, e todos os que forem conhecidos.

Inicialmente, para que o estudante tenha uma noção de como proceder em seu trabalho, apresentaremos um exemplo prático baseado num projeto desenvolvido pelos professores DYMITRI DEMCZUK e SIDNEY KOSSMANN. Faremos isso de acordo com a orientação que daremos à disciplina e como é exposto nas nossas anotações de aula, A Arte de Projetar, bem como nos livros da bibliografia indicada.

Neste projeto a pergunta o que fazer? , tem como resposta, projetar um macaco mecânico.Por curiosidade do dicionário, “macaco é um termo mecânico que surgiu por volta de 1789, e é um

aparelho para levantar cargas pesadas, como automóveis, a pequena altura, e pode ser de acionamento mecânico manual, elétrico, hidráulico ou pneumático”.

.Existe um grande número de elevadores de cargas. Cada um para solucionar objetivos diferentes. O objetivo de um projeto é o que motiva, ou justifica esse projeto. Todo projeto deve começar explicando da melhor forma possível sua serventia, sua finalidade e seu objetivo.

Vamos agora à apresentação do exemplo:.Existe um grande número de elevadores de cargas. Cada um para solucionar objetivos diferentes. O

objetivo de um projeto é o que motiva, ou justifica esse projeto. Todo projeto deve começar explicando da melhor forma possível sua serventia, sua finalidade e seu objetivo.

Vamos agora à apresentação do exemplo:



PROJETO DE UM MACACO DE PARAFUSO

I MEMÓRIA JUSTIFICATIVA.

Há a necessidade de projetar um macaco de acionamento mecânico manual, com as seguintes características:

Carga a ser levantada: Q = 1.000 Kgf, altura de suspensão h = 200 mm com força de acionamento de 25 kgf. O artefato deve ainda observar:

1ª Ser de concepção a mais simples possível;2ª Ser de fácil fabricação;3ª Ser resistente e durável;4ª Ser de fácil manutenção;5ª Ser facilmente portável;6ª Ser facilmente acomodado no porta-bagagem de um automóvel;7ª Ser de fácil instalação;8ª Ser de fácil operação;9ª Ser de baixo custo.

1 ALTERNATIVAS.

Diversas idéias podem satisfazer essas características. É necessário examinar todas e selecioná-las para escolher a melhor (no curso veremos como se procede).

Vamos apresentar esquematicamente algumas idéias que poderão ser aproveitadas:

solução 1 solução 2 solução 3 solução 4 solução 5

Os croquis ilustram algumas idéias que poderiam ser desenvolvidas no projeto. São parecidas, mas não são iguais. Por serem diferentes, uma delas é a melhor para o presente problema. Em outro problema, a melhor solução deste pode não ser a melhor daquele. Outra poderá ser a mais indicada.

Muitas outras concepções por certo poderiam ser esboçadas. Mas, como exemplo, vamos ficar apenas com estas. Mais tarde estudaremos como se comparam diversas alternativas de um projeto. Naquela oportunidade o estudante poderá praticar usando este caso do macaco.


Escola Técnica Estadual Parobé – Curso de Mecânica - Disciplina de ProjetosPor enquanto vamos apenas fazer alguns comentários, mais ou menos simplistas, para determinar

qual das idéias mostradas na ilustração deverá ser desenvolvida.A solução 1 representa um macaco de corpo, ou apoio tubular de aço soldado. Atende à necessidade

do projeto e suas características, ou seja, ser; 1ª de concepção a mais simples possível. 2ª de fácil fabricação, 3ª resistente e durável, 4ª de fácil manutenção, 5ª facilmente portável, 6ª facilmente acomodado no porta-bagagem de um automóvel, 7ª de fácil instalação, 8ª de fácil operação e, finalmente 9ª de baixo custo.

A solução 2 representa um macaco muito parecido ao primeiro só que possui um eixo da manivela bem mais longo. De resto são idênticos.

A solução 3 mostra uma concepção também muito parecida às duas primeiras, mas com duas manivelas de acionamento. Isso até pode ser interessante, já que temos duas mãos, ou permitir ser operado por duas pessoas, uma de cada lado do macaco.

A solução 4 mostra um macaco onde a diferença está no apoio que é de ferro fundido.A 5ª solução representa um macaco que pode ser acionado por motor elétrico, e com pequenas

modificações esse acionamento pode ser pneumático ou hidráulico. Uma solução ótima para ser desenvolvida em outro projeto. Gostaria de ter um assim na hora de trocar o pneu furado de meu automóvel. Mas não serve para o caso figurado, por não atender à todas características da necessidade exigida em projeto. Deseja-se um artefato de acionamento manual, de concepção a mais simples possível, fabricação fácil e de baixo custo etc. Mesmo atendendo às demais características, até em alguns casos de forma vantajosa, esta alternativa pode ser deixada de lado. Mas observe, foi devidamente considerada.

2 MELHOR ALTERNATIVA.

A melhor alternativa é escolhida através de UM QUADRO COMPARATIVO, onde elas serão avaliadas (pesadas, ou ponderadas). Isso é assunto para mais tarde. No caso em foco é fácil verificar que:

Solução 4 é muito boa, se produzida em grande quantidade. O corpo fundido, no caso de poucas peças, se torna muito caro por exigir modelo, macho, caixas de fundição, fornos cadinhos, mão-de-obra especializada em grande número (modelista, moldador, fundidor etc.). Contraria as características de ser de fácil fabricação e ser de baixo custo. Também fica para outra situação, por exemplo, fabricação em número grande de peças.

Solução 3 é fora de dúvida estranha. Pode até ser ótima em casos isolados. Reservemo-la para esses casos.

Solução 1 e solução 2 são parecidas, com a diferença da segunda ter o eixo da manivela mais longo e isso pode facilitar a operação de levantar um automóvel.

A nosso ver, a solução dois é a indicada como melhor e é a que vamos desenvolver.

II MEMÓRIA DESCRITIVA

Na alternativa 2, a ilustração por si já dá uma idéia do macaco, que terá o corpo tubular em forma de coluna reta, feito de tubo de seção quadrada de aço SAE 1020, com 3 mm de espessura.

O fuso será de aço SAE 1045 com o comprimento de 312 mm e diâmetro de 65 mm com filete trapezoidal.

O apoio da carga deve ser móvel, isto é, girar livremente na ponta do fuso.O acionamento será por manivela que movimentará um pinhão Este, por sua vez, fará girar uma

coroa com furo de rosca trapezoidal (porca-coroa), dentro da qual estará o fuso. Quando a coroa girar fará com que o fuso se movimente elevando ou abaixando a carga. A relação coroa / pinhão será de 2 / 1 (i =2). Trata-se, portanto, de um par de engrenagens cônicas de dentes retos onde o círculo primitivo da coroa terá o


Escola Técnica Estadual Parobé – Curso de Mecânica - Disciplina de Projetosdobro do diâmetro do círculo primitivo do pinhão. A porca-coroa será executada em bronze fosforoso e o pinhão em aço de cementação SAE 8617.

A execução será feita através de máquinas convencionais de usinagem (torno, furadeira e fresa universal) e soldagem no processo MAG, ou de eletrodo revestido. Os demais detalhes podem ser examinados nos croquis apresentados, mais adiante, na parte referente a IV MEMÓRIA GRÁFICA.

III MEMÓRIA DE CÁLCULO

1 Cálculo do fuso.

1 Inicialmente vamos calcular o diâmetro do fuso:Utilizando os conhecimentos adquiridos no Curso Técnico e com o uso de tabelas técnicas se tem;

para aço SAE 1045

Sendo a carga máxima a ser elevada Q = 1.000 Kgf, como

Podemos usar:

= = 25,23

A rosca trapezoidal mais próxima desse diâmetro é a

sendo o passo ,

a altura do filete ,

o diâmetro do tarugo e

e . d1 do diâmetro entre os fundos dos filetes

2 O fuso-parafuso sofrerá tensões combinadas de torção e compressão. Podemos usar,

sendo

O coeficiente de atrito de escorregamento para o aço é O semi-ângulo do perfil do filete da rosca é

o que corresponde ao ângulo

Para calcular o ângulo de atrito do perfil da rosca trapezoidal podemos usar;

o que corresponde ao ângulo

A tensão máxima de torção pode ser obtida de



ou seja

A tensão de compressão

isto é

Tensão combinada ou equivalente

portanto

Como a tensão admissível do aço é

a tensão equivalente está entre os limites da tensão admissível,

isto é

Portanto, a seção do fuso-parafuso é satisfatória.

2 Cálculo da altura da porca-engrenagem, ou porca-coroa.A altura da porca-coroa, executada em bronze fosforoso, contém Z filetes do fuso

parafuso (Z é o número de filetes de rosca e t = 6 mm é o comprimento de um filete). Z deve ser menor do que 10, ou seja, Z < 10, já que se Z > 10 os esforços nos filetes não serão uniformemente distribuídos (os primeiros serão mais carregados do que os últimos).

A pressão admissível “p” entre os metais bronze e aço, pode ser considerada p = 0,8 Kgf/mm2 .Tabelas de valores experimentais admitem a variação entre 0,5 e 1,2 ou

A altura da coroa será:mm, portanto,

3 Cálculo da estabilidade da haste do fuso-parafuso.Sendo Lh = altura de suspensão da carga = 200 mm lg = altura referente à guia, considerando = altura de meia porca (engrenagem)= (ver ilustração)

Para calcular a carga crítica que provoca a flambagem se deve inicialmente calcular a relação (índice de esbelteza):

se esta relação for

Deve-se usar a expressão de Yasinsky, que é;

onde;


Escola Técnica Estadual Parobé – Curso de Mecânica - Disciplina de Projetosd1 deve ser expresso em metros, que é o fator de vinculação dos extremos da haste, sendo que no nosso caso, por ser o fuso é fixado apenas na extremidade inferior, no furo da engrenagem, sendo = 2,0

No caso

Deve-se usar a expressão de Euler, que é;

sendo; E o módulo de elasticidade axial, que para o aço é , I o momento de inércia da seção da haste em e fs = f segurança prevendo uma possível sobrecarga, que pode variar entre 2,5 e 4, isto é,

Se a relação for menor do que 15, isto é, não haverá risco de flambagem.

Em nosso caso sendo; = 2,0 (fator de vinculação dos extremos da haste, que no nosso caso é o fuso, fixado somente na parte inferior, no furo da porca engrenagem), Lt = 215 mm e d1 =26 mm

deve ser usada a fórmula de Yasinsky:

Esta carga crítica seria a carga que provocaria a flambagem do fuso-parafuso. Se considerarmos , sendo fs um fator de sobre carga no máximo igual a 4 se tem,

, mesmo assim bem menor que a carga crítica de flambagem.

4 Cálculo do diâmetro externo da porca-coroa.

Podemos utilizar a expressão:

Na expressão fsegurança = fs = 2,5 é um fator de segurança médio, ou fator de carga médio ou fator de serviço, e é a tensão admissível para o bronze, material em que a coroa será confeccionada.

5 Cálculo do momento torsor e momento de torção devido ao atrito da base da porca no seu apoio (sem o uso de rolamento).

Podemos utilizar a expressão: Mtotal = Mt + Mf , onde Mt é o momento de torção no fuso e Mf é o momento de torção devido ao atrito da porca na sua base de apoio sem a utilização de rolamento.

O Mf pode ser calulado por:



Observe que

é o coeficiente de atrito entre aço e bronze é igual a , veja a figura ao lado

já calculamos que:

sendo

Assim temos para o momento total Mtotal = Mt

6 Cálculo de F, esforço na manivela.A relação de transmissão entre as engrenagens cônicas é

i = 2Sendo Mtp o momento torsor no eixo do pinhão, ele pode ser calculado através da expressão:

Na realidade, devido ao atrito, o momento torsor real, operacional, Ftoperacional é maior do que o teórico, e pode ser obtido por: onde = 0,9 (rendimento, se o atrito = 0,1}e considerando R = 150 mmSe pode calcular a força necessária F

Vamos considerar R = 150 Kgf e

= 0,9 (rendimento)

7 Cálculo de F, esforço na manivela considerando a coroa apoiada sobre rolamento de esferas.

considerando o momento total igual ao momento de torção mais o momento de atrito de rolamento, ou seja, onde



sendo

Força de atrito = sendo 0,016 é o coeficiente de atrito de rolamento

sendo Mt = 3.701,4Kgf (ver item 5)O momento total devido ao atrito de rolamento será

O momento total será, portanto

Sendo a relação de transmissão i = 2

O momento torsor do pinhão será;

Na realidade, devido ao atrito o momento operacional do pinho será maior, já que existe o atrito e pode ser considerado como:

onde

, que é a força exercida realmente na manivela

8 Ângulo máximo possível no filete do parafuso para se ter força de retenção F retençâo = F ret. = 1 Kgf para o parafuso ser auto travante.

Chamando de Fret.= a força de retenção para o parafuso ser de auto travamento, para a porca poderemos ter, teoricamente;

Na prática há o atrito de rolamento, então o Momento de retenção no eixo coroa-porca total ser (considerando o atrito) pode ser expresso por;

Para que a carga Q = 1.000 Kgf seja retida é preciso aplicar no parafuso um momento de retenção, tal que:

aplicando portanto:

, sendo o dm = 29 mm (rosca do parafuso)



tiramos:

portanto nos indica no (máximo).

Observação: Para segurança contra a retenção (que não é o caso presente) se deve ter , como para roscas de parafuso com .

9 Cálculo do eixo do pinhão.

Material será o aço carbono SAE 1045 com t adm = 4 a 7 Kgf/mm2, podemos utilizar a expressão:

M torsor = Mt do pinhão = 2.042,7 Kgf.mm considerando rolamento de apoio da porca-parafuso;

GT = módulo de elasticidade transversal, para aço = G 8.000 kgf.mm2;

Ip = momento de inércia polar: Sendo para seção circular Ip = 0,1 d4 e para seção circular tubular

, considerando a deformação torcional para a = 200 mm, podemos usar:

NOTA; É permissível para um valor de a = 1.000mm uma deformação de 0,25° e para a = 200mm uma deformação permitida de 0,05°.

Arbitrando um tubo de e parede de 4,55mm, a deformação serásendo di = 33,4mm e di

4 = 1.244.474,1 mm4

sendo de = 24,3mm e de4 = 348.678,4 mm4

DIFERENÇA = 89.5795,7 mm4

:

que corresponde a deformação de

10 Cálculo das engrenagens cônicas.Relação de transmissão i = 2Material: pinhão confeccionado em aço cementação SAE 8617 e a coroa em bronze fosforoso


Escola Técnica Estadual Parobé – Curso de Mecânica - Disciplina de ProjetosMomento torsor do pinhão = 2.042,7 Kgf.mmPara o aço SAE 8617 Número de dentes do pinhão Z1 = 10 Número de dentes da coroa Z2 = 20

Usando os diâmetros primitivos D1 e D2

onde D1 e D2 são os diâmetros primitivos

e

Cálculo do módulo médio módulo na seção média do dente

No extremo o módulo maio será:

e

NOTA: Formulas segundo o livro de Elementos de Máquinas do Professor Olavo Pires.

11 Cálculo da manivelaConfeccionada em aço SAE 1020

aplicando a fórmula para a espessura do braço onde o momento fletor é

será adotado



11 Cálculo da solda da base no tubo do corpo.O tubo será de aço de 3 mm de parede

Compressão nas paredes do tubo

Para o tubo de aço

Para a solda, estimando o cordão com espessura de a = 3mm a área da solda poderá ser estimada como

IV MEMÓRIA GRÁFICA

Adiante serão apresentadas as seguintes representações gráficas:

01 Croqui 01/07, CONJUNTO DE DETALHES.02 Croqui 02/07, PEÇAS 01, 03, 31, 32 e 33.03 Croqui 03/07, PEÇAS 02, 03, 04 e 04ª.04 Croqui 04/07, PEÇAS 05 e 06.05 Croqui 05/07, PEÇAS 07, 08 e 09.06 Croqui 06/07, PEÇAS 10, 11, 12, 13 e 14.07 Croqui 07/07, PEÇAS 15, 16, 17, 18 e 19

V CONCLUSÃO

Acreditamos que o macaco mecânico apresentado em projeto atende ao solicitado, uma vez que foi calculado para elevar a carga Q = 1.000 Kgf, a uma altura de suspensão h = 200 mm, com força de acionamento de 25 kgf.

O projeto procurou elaborar um artefato de forma a ser:

1ª de concepção a mais simples possível;2ª de fácil fabricação;3ª resistente e durável;4ª de fácil manutenção;5ª facilmente portável;6ª facilmente acomodado no porta-bagagem de um automóvel;7ª de fácil instalação;8ª de fácil operação;9ª de baixo custo.

Com o inestimável auxilio dos ilustres professores DYMITRI DEMCZUK e SIDNEY KOSSMANN, esperamos ter apresentado um modelo a orientar o estudante da disciplina em suas futuras tarefas.

Porto Alegre, revisado em agosto de 2010





N° DENOMINAÇÃO QUANTIDADE OBSERVAÇÕES CROQUI

1 Corpo do macaco 1 SAE 1020 2

2 Fuso ou haste-parafuso 1 aço carbono SAE 1045 3

3 Base de apoio do macaco 1 aço carbono SAE 1020 2

4 Guia deslizante 1 aço carbono SAE 1020 3

5 Pinhão acionado pela manivela 1 aço cementação SAE 8617 4

6 Porca-coroa acionadora do fuso 1 bronze fosforoso 4

7 Mancal do eixo da manivela 1 aço carbono SAE 1020 5

8 Bucha 1 Bronze 5

9 Terminal do eixo do pinhão 1 aço carbono SAE 1020 5

10 Braço da manivela 1 aço carbono SAE 1020 6

11 Articulação 1 aço carbono SAE 1045 6

12 Pino cilíndrico 1 aço prata 6

13 Eixo de acionamento da coroa 1 tubo preto de aço Schedule 6

14 Mola 1 aço mola, arame de1,5 mm 6

15 Pino cilíndrico de guia 1 aço prata 7

16 Pino cônico 1 aço prata 7

17 Cabo da manivela 1 madeira dura 7

18 Haste-eixo do cabo da manivela 1 aço carbono SAE 1020 7

19 Parafuso batente (fim-de-curso) 2 aço carbono M6 x 15 7

20 Rolamento SKF n° 51.109 1 1

21 Parafuso c/ cabeça sext. M8 2 Aço SAE 1020 10 mm comprimento 1

22 Arruela lisa 25 c/ furo 10 mm 1 Aço SAE 1020 c/2mm espessura 1

23 Parafuso c/ cabeça sext. M8 1 Aço SAE 1020 20 mm comprimento 1

24 Porca sextavada M 8 2 Aço SAE 1020 1

25 Parafuso c/ cabeça sext. M8 1 Aço SAE 1020 1

26 Arruela lisa 32 c/ furo 10 mm 1 Aço SAE 1020 c/ 2mm espessura 1

27 Porca sextavada M6 1 Aço SAE 1020 1

28 Parafuso s/cabeça M6 2 Aço SAE, 9 mm de comprimento. 1

29 Graxeira tipo 1 1/4" R 28 UNF 1 1

30 Apoio giratório 1 aço carbono SAE 1020 3 e 1

31 Apoio da coroa e manivela 1 aço carbono SAE 1020 2 e 1

32 Aleta de reforço 1 aço carbono SAE 1020 2 e 1

33 Aleta de reforço 4 aço carbono SAE 1020 2 e 1


00 macaco mec+énico - exemplo de um projeto - (oscar) revisado em agosto de 2010

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