Avaliao de IEM

ESTUDO DE CASO NO PROJETO CONCEITUAL: VECULOS MOVIDOS

POR MOLAS

Neste estudo de caso, traaremos o progresso de uma equipe hipottica de

estudantes de engenharia medida que criam conceitos para o projeto de

um veculo movido por molas. Facilmente visualizados e construdos, esses

veculos representam um modo til de experimentar parte do processo do

projeto conceitual e ganhar apreciaes de troca que devem ser feitas para

que um projeto satisfaa todas as suas restries.

Como descrito na Seo 2.2, a primeira etapa de processo de projeto

desenvolver um conjunto de requisitos abrangentes. Em nosso estudo de

caso ilustrativo de projeto e construo de um veculo, os requisitos do

sistema so essencialmente fornecidos para as equipes de estudantes de

engenharia pelo instrutor, como a seguir: (Desenvolvimento dos requisitos)

Os veculos devem percorrer 10 metros o mais rpido possvel.

O veculo deve ser impulsionado apenas pela energia potencial

armazenada na mola de uma ratoeira. A energia acidentalmente

armazenada por outros elementos elsticos ou obtida de uma mudana de

elevao do centro de massa do veculo deve ser insignificante.

Cada veculo deve ser projetado, construdo, otimizado e operado por uma

equipe de trs estudantes.

As equipes competiro umas contra as outras em corridas durante um

torneio, de modo que os veculos devero ser durveis e reutilizveis.

A massa do veculo no poder ultrapassar 500 g. O veculo dever caber

completamente em uma caixa de 0,1 m3 no incio de cada corrida. Cada

veculo correr em uma pista com 10 m de comprimento e 1 m de largura. O

veculo dever permanecer em contato com a superfcie da pista durante

toda a corrida.

No permitido usar fita adesiva para fixar a construo do veculo.

Todas essas especificaes limitam, de maneiras diferentes, o objeto final que

as equipes produziro. Se um dos requisitos no for atendido, todo o projeto

ser inadequado, independentemente do excelente desempenho que o veculo

talvez demonstre em relao aos demais requisitos. Por exemplo, visto que a

pista de corrida dez vezes mais longa do que sua largura, o veculo dever ser

capaz de se mover em uma linha razoavelmente reta. Se determinado veculo for

rpido, mas, s vezes, sair do curso da pista, poder ser superado por outro

veculo mais lento durante a corrida. As equipes de projeto reconhecem que os

veculos no devem ser otimizados com relao a apenas uma especificao,

mas sim equilibrados para satisfazer a todos os requisitos.

Em seguida, acompanhamos o processo de pensamento de uma equipe

hipottica medida que ela comea a criar vrios conceitos do projeto. Os

estudantes documentam suas ideias no caderno de anotaes do projeto e usam

seus comentrios escritos e desenhos feitos mo para descrever cada conceito.

Subsequentemente, a equipe registrar o progresso conforme os prottipos forem

sendo construdos e testados a fim de documentar o resultado dos seus

esforos de iterao. Resumindo, o caderno de anotaes serve como um

registro de toda a experincia da equipe em relao ao projeto. Como descrito

na Seo 2.2, tais cadernos de anotao normalmente so datados e assinados,

podendo at conter a assinatura de testemunhas, para documentar formalmente

o desenvolvimento de um produto. Ao considerar sua prpria carreira, voc

tambm deveria comear a praticar o registro sistemtico das suas ideias

originais. (objeto conceitual)

O primeiro conceito: a mola e a alavanca

Uma ideia que emerge da primeira sesso de brainstorming da equipe baseia-

se no uso da armao da ratoeira para puxar e soltar a mola de um eixo de

acionamento. Juntos, os membros da equipe esboam o conceito mostrado na

Figura 2.18. Quando a ratoeira se fecha, o cabo se solta de um carretel fixado

no eixo traseiro e o veculo impelido para a frente. O veculo concebido

incorpora uma alavanca que prolonga a armao da ratoeira, puxando mais o

cabo do eixo e mudando a razo da velocidade entre o dispositivo e as rodas de

trao.

Embora esse conceito tenha o atributo positivo de ser simples e possa ser

construdo rapidamente, a equipe levanta uma srie de questes e as listam no

seu caderno de anotaes:

Quais seriam o comprimento da alavanca e o raio do carretel fixado no eixo de

acionamento? Com uma mola suficientemente longa, o veculo seria acionado

gradualmente pelo dispositivo durante todo o percurso. Por outro lado, se a

mola for mais curta, o dispositivo vai fechar-se muito rapidamente e o veculo

deslizar depois de ser acionado apenas na primeira parte do percurso. A dis-

cusso da equipe sobre essa questo levou ideia de um carretel cnico,

conforme mostrado na Figura 2.18(c), que permitiria que a razo da

velocidade entre o dispositivo e o eixo de acionamento mudasse medida

que a ratoeira se fechasse.

A ratoeira deveria ser posicionada atrs, acima ou frente do eixo de

acionamento? No esboo do conceito, os alunos posicionaram a ratoeira

diretamente entre as rodas dianteiras e traseiras. Neste estgio, porm, essa

posio arbitrria, e a equipe no tem motivos para esperar que essa

escolha tenha sido melhor que qualquer outra. Essa questo poderia ser

resolvida no futuro com a construo de um prottipo e a realizao de

alguns testes.

Qual deveria ser o raio das rodas? Assim como o comprimento da extenso

da alavanca e o raio do carretel, o raio das rodas de acionamento influencia

a velocidade do veculo. A equipe notou no seu esboo que CDs de

computador poderiam ser usados como rodas, mas o veculo poderia

desenvolver uma velocidade maior se tivesse rodas com dimetro maior ou

menor.

Figura 2.18- O primeiro conceito do projeto, baseado em um alavanca que puxa o cabo, desenrolando-o do eixo

de acionamento. (a) Viso lateral, com ambas as rodas removidas para melhor clareza. (b) Viso superior do

veculo. (c) Os conceitos para carretis cilndricos e cnicos.

A equipe registrou essas questes e os tpicos de discusso em seu

caderno de anotaes, mas decidiu em uma ocasio futura. Nesse

ponto inicial, no estgio do projeto conceitual, no h necessidade

de se tomar nenhuma deciso sobre dimenses ou materiais. Entretanto,

se esse conceito eventualmente emergir como um candidato promissor, a

equipe precisar resolver essas questes antes da construo de um

prottipo vivel.

Segundo conceito: trem de

engrenagens composto

A medida que as discusses prosseguem, a equipe em seguida

idealiza a opo mostrada na Figura19, na qual um trem de

engrenagens composto transfere potncia do dispositivo para o eixo de

acio-

namento. Esse veculo tem apenas trs rodas, e parte do corpo foi

removida para reduzir o peso. O conceito incorpora um trem de

engrenagens de dois estgios, e a razo da sua velocidade determi-

nada pelos nmeros de dentes das quatro engrenagens. A ilustrao que

a equipe faz do trem de engrenagens de dois estgios arbitrria; um

sistema com apenas um ou mais de dois estgios poderia ser prefervel.

Todavia, os alunos aceitam essa ambiguidade e se do conta de que

ainda no h necessidade de se tomar uma deciso quanto relao da

velocidade do trem de engrenagens

Projeto Mecnico 53

Figura 2.19- O Segundo conceito baseado em um trem de engrenagens compost instalado entre a armao da ratoeira (que percorre meia volta) e o eixo de acionamento (que acionado ao longo de todo o percurso da corrida). (a)

Vista superior do veculo. (b) Desenho do trem de engrenagens de dois estgios.

Durante as consideraes feitas nas reunies, a equipe identifica limitaes

adicionais comuns ao primeiro e ao segundo conceitos. Por exemplo, os

estudantes concordam que o veculo deve ser projetado de modo que as rodas de

acionamento no girem em falso durante a acelerao do veculo. Caso contrrio,

uma parte da energia limitada disponvel na mola da ratoeira ser perdida. Para

impedir que as rodas girem em falso, deve-se acrescentar peso ao veculo para

otimizar o contato entre as rodas de acionamento e o piso. Por outro lado, um

veculo mais pesado se locomoveria mais lentamente medida que a energia

potencial da mola da ratoeira fosse convertida em energia cintica. Quando a

equipe investiga mais atentamente o projeto, descobre que essas questes

tcnicas esto inter-relacionadas. Mesmo no contexto desse exerccio

aparentemente simples, os projetistas precisam esforar-se para encontrar

solues competitivas para as restries e as especificaes do produto

Terceiro conceito: engrenagem com engrenamento intermitente

O terceiro conceito da equipe combina e amplia determinadas ideias que

surgem durante as consideraes feitas dos primeiros conceitos. O desenho da

Figura 2.20 incorpora um trem de engrenagens instalado entre o dispositivo e

as rodas de acionamento e que permite que o veculo se locomova depois que

a ratoeira se fechar. Os estudantes concebem um veculo que pode receber

uma rpida acelerao nos primeiros metros do percurso da corrida, atingindo

um pico de velocidade e, em seguida, locomover-se livremente na mesma

velocidade no restante do percurso. No conceito dos estudantes, uma

engrenagem intermitente, em vez de uma completamente circular, fixada

armao da ratoeira. Um pequeno entalhe em uma das extremidades da

engrenagem permite que a ratoeira se desengate do trem de engrenagens

simples quando a armao for fechada, conforme mostrado na Figura

2.20(c). A engrenagem intermitente serve como entrada de torque para o trem

de engrenagens, e a engrenagem de sada est diretamente fixada ao eixo de

acionamento das rodas dianteiras. A engrenagem livre (Seo 8.5) includa

para aumentar o espaamento entre a ratoeira e o eixo dianteiro

Figura 2.20 O terceiro conceito baseia-se em um trem de engrenagens simples e uma engrenagem intermitente.

O veculo recebe impulso na primeira parte do percurso da corrida e prossegue percorrendo em velocidade

mxima distncia restante. Vistas laterais do trem de engrenagens (a)quando a ratoeira comea a se fechar, (b)

durante a fase de acionamento e (c) durante a fase livre de acionamento, na qual o entalhe desengata a

engrenagem intermitente das rodas de acionamento.

Com vrios conceitos em mente, os estudantes agora podem comear a

decidir alternativas viveis, considerando os vrios materiais, eliminando as

opes inadequadas e experimentando os prottipos. Embora ainda seja

prematuro selecionar componentes especficos, os alunos usam a imaginao

para relacionar alguns materiais que podem ser utilizados: chapa de

espuma de plstico, madeira de balsa ou de lamo, tubos de alumnio ou de

bronze, hastes roscadas, plexiglass, mancais de esferas, lubrificantes de leo

e de grafite, cabos e epxi. Depois de resolver algumas questes tcnicas e

realizar alguns clculos de ordem de magnitude, a equipe talvez decida

construir e testar alguns prottipos antes de escolher o conceito que ser

refinado em detalhes

Um projeto conceitual sensato pode ser usado no apenas para desenvolver

pequenos dispositivos como este veculo, mas tambm solues para grandes

problemas globais.