ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS

ENGENHARIA MECÂNICA TURMA– 7ª SÉRIE A

PROF: FELIPE OTTOBONI

autor

Haroldo Henrique Botan

RA: 1054023162

coautor1

Leandro Ap. Sampaio

RA: 5006153740

coautor2

Thiago Augusto

RA: 1041967095

coautor3

Jonathan Prado de Souza

RA: 1072136849

coautor4

Rômulo Regiani

RA: 1073131050

Coautor5Rodolfo RegianiRA: 1073131007

Anhanguera Educacional S.A.

Correspondência/ContatoAv. Eduardo Andrea Matarazzo, 891Ribeirão Preto, São PauloCEP 14.030-971Felipe.ottoboni@aedu.com

CoordenaçãoInstituto de Pesquisas Aplicadas e Desenvolvimento Educacional - IPADE

Artigo Original / Informe Técnico / Resenha

ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA

Atividade prática supervisionada de elementos de máquinas.

Resumo

Elementos de máquinas são os elementos encontrados em todas as

máquinas existentes. Com esses elementos obtemos o

funcionamento e a vida útil das máquinas através de eixos,

parafusos, mancais, engrenagens etc.

Estudar elementos de máquinas é muito importante porque

descreve os tipos principais de uniões por soldagem encontrados

na prática e os esforços que sofrem. A partir da estimativa da

resistência, seja para o carregamento estático ou dinâmico,

demonstra como projetar a união, permitindo o cálculo das

dimensões das soldas ou da segurança em utilizar soldas

previamente dimensionadas.

Data 09/04/12

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DESAFIO

Elementos de máquinas são os elementos encontrados em todas as máquinas

existentes. Com esses elementos obtemos o funcionamento e a vida útil das máquinas através

de eixos, parafusos, mancais, engrenagens etc.

Na maioria das vezes esses elementos seguem normas de padronização, podendo ocorrer

variações para ajuste ou melhoramento do processo das máquinas.

Como desafio para esta ATPS, a equipe foi designada para encontrar uma solução de

transporte de uma carga fabricada. Essa equipe deve construir um guindaste para transportar

um conjunto de caixas que foram fabricadas para dentro do container.

No momento essa empresa está em contenção de custos e não pode fazer a aquisição de um

guindaste, por isso ele deve ser construído, levando em consideração todos os esforços

envolvidos e os dados levantados.

Figura – guindaste

Fonte: https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7aUnlGWUpXTm5oRW8. Acesso em

14 abr. 2012.

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Objetivo do desafio

Entregar os relatórios parciais durante o semestre para acompanhamento do professor.

Construir um protótipo desse guindaste em escala como entrega final.

ETAPA 1 (tempo para realização: 03 horas)

Aula-tema: a perspectiva de prevenção da falha.

Essa atividade é importante para poder assegurar que o projeto proposto funcionará como

pretendido de modo seguro e confiável.

Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS

Passo 1 (Equipe)

Definir quais serão os dados que a equipe irá utilizar para calcular todo o projeto do

guindaste. Somar os últimos algarismos dos RA´s dos integrantes do grupo e identificar os

dados na tabela abaixo:

Final

somatória

valor

carga

Final

somatória

valor

carga1 6000 lbf 6 6500 lbf2 3000 lbf 7 3500 lbf3 2500 lbf 8 2750 lbf4 4500 lbf 9 8500 lbf5 5200 lbf 0 7200 lbf

Quadro 1 – Dados de Carga

Somatória dos RA’s1054023162 + 5006153740 + 1041967095 + 1072136849 + 1073131050 + 1073131007

= 23 usar final 3 carga = 2500 lbf = 119,7006424 KPa

Passo 2 (Equipe)

Fazer uma pesquisa dos tópicos abaixo, de modo a entender quais as possíveis falhas que

podem ocorrer dentro de um projeto mecânico:

1- Deformação Elástica

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Ocorre quando á deformação elástica (recuperável), devido à carregamentos ou temperatura, é

tanta que o funcionamento adequado do item não é mais possível.

A deformação ocorre quando é aplicada uma tensão ou variação térmica que altera a forma de

um corpo.

Na deformação elástica, o corpo retorna ao seu estado original após cessar o efeito da tensão.

Isso acontece quando o corpo é submetido a uma força que não supere a sua tensão de

elasticidade (Lei de hooke).

2- Escoamento

Ocorre quando a deformação plástica (não recuperável) de um componente dúctil, devido á

carregamentos ou movimento, se tornam elevada o suficiente para interferir no desempenho.

Limite de escoamento, também chamado de tensão de cedência ou tensão de limite elástico,

ou tensão de escoamento, é a tensão máxima que o material suporta ainda no regime elástico

de deformação, se houver algum acréscimo de tensão o material não segue mais a lei de

Hooke e começa a sofrer deformação plástica (deformação definitiva). Onde k é o módulo de

elasticidade ou Módulo de Young.

3- Indentação

4

Quando forças estáticas entre duas superfícies acabam por promover o escamento de uma

delas ou de ambas.

4- Fratura Frágil

É chamada de falha catastrófica e ocorre quando a deformação elástica (recuperável) de um

componente que apresenta comportamento frágil é conduzindo ao extremo, quebrando as

ligações interatômicas e o componente se separa em duas ou mais partes.

Neste modo de fratura o material se deforma pouco antes de fraturar. O processo de

propagação de trinca pode ser muito veloz, gerando situações catastróficas e uma deformação

plástica muito pequena no material adjacente à fratura. A partir de certo ponto a trinca é dita

instável, visto que se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada no material. Uma

ruptura completamente frágil, por clivagem, apresenta facetas planas que refletem a luz.

5- Fadiga

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Nome dado à fragmentação repentina de um componente. Normalmente ocorre através da

propagação de um trinca, resultante da aplicação de cargas ou deformações variáveis por um

período de tempo. Essa falha ocorre por meio da iniciação e propagação de uma trinca.

Normalmente os carregamentos e as deformações que causam esse tipo de falha são

tipicamente muito inferiores à aqueles da falha por carregamento estático.

Fadiga mecânica é o fenômeno de ruptura progressiva de materiais sujeitos a ciclos repetidos

de tensão ou deformação. O estudo do fenômeno é de importância para o projeto de máquinas

e estruturas, uma vez que a grande maioria das falhas em serviço são causadas pelo processo

de fadiga, cerca de 95%.

A falha por fadiga ocorre devido a nucleação e propagação de defeitos em materiais devido a

ciclos alternados de tensão/deformação. Inicialmente as tensões cisalhantes provocam um

escoamento localizado gerando intrusões e extrusões na superfície; isto aumenta a

concentração de tensões dando origem a uma descontinuidade inicial. À medida que esta

descontinuidade vai ficando mais "aguda" a mesma pode começar a propagar gerando uma

"trinca de fadiga" cujo tamanho aumentará progressivamente até a fratura do componente.

6- Corrosão

Deterioração não desejada do material por meios de processos químicos ou eletroquímicos.

Normalmente interage com outros modos, como desgaste ou fadiga.

A corrosão em metais é a destruição ou deterioração de um material por causa de reações

químicas e / ou eletroquímicas, levando os metais a retornarem ao seu estado natural,

abandonando seu atual.

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7- Desgaste

Mudanças cumulativas não desejadas na dimensão do item, causada pela gradual remoção de

partículas de suas superfícies móveis em contato, resultante de ação mecânica.

Desgaste é a perda progressiva de material devida ao movimento relativo entre a superfície e a

substância com a qual entra em contato. Está relacionado com interações entre as superfícies

e, mais especificamente, a remoção e a deformação do material sobre uma superfície como

resultado da ação mecânica da superfície oposta. A necessidade de movimento relativo entre

as duas superfícies de contato e mecânica inicial entre asperezas é uma importante distinção

entre desgaste mecânico em comparação com outros processos com resultados semelhantes.

8- Flambagem

É a falha que ocorre quando uma combinação crítica de magnitude ou ponto de aplicação da

carga, juntamente com a geometria do componente, faz que com uma deflexão seja criada,

não mais possibilitando que o componente execute sua função.

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A flambagem é considerada uma instabilidade elástica, assim, a peça pode perder sua

estabilidade sem que o material já tenha atingido a sua tensão de escoamento. Este colapso

ocorrerá sempre na direção do eixo de menor momento de inércia de sua seção transversal. A

tensão crítica para ocorrer a flambagem não depende da tensão de escoamento do material,

mas da seu módulo de Young.

Sites sugeridos para pesquisa

• COSTAI, E. M. Falha ou Ruptura nos Metais. Disponível em:

<https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7acDk4bFpKOXdOd1k>. Acesso em: 14

abr. 2012.

Bibliografia complementar

• NIEMANN, Gustav. Elementos de máquinas. 1ª ed. São Paulo: Blucher, 2009.

Passo 3 (Equipe) – Verificar etapa 2 passo 3

Identificar no projeto do guindaste quais serão os modos de falha predominantes. Através dos

cálculos, identificar se é previsto ocorrerem falhas no conjunto.

Passo 4 (Aluno)

Entregar ao professor da disciplina, em uma data estipulada por ele, um relatório chamado:

Relatório 1 – Prevenção de falha, contendo a pesquisa da questão do Passo 2 e os cálculos

realizados no Passo 3, dessa Etapa.

ETAPA 2 (tempo para realização: 05 horas)

Aula-tema: transmissão de potência através de eixos, acoplamentos, chavetas e

estrias.Essa atividade é importante para aprender a definir o dimensional do eixo utilizado,

qual seu material e qual o perfil utilizado.

Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

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PASSOS

Passo 1

Definir, através do tipo de construção, qual será o material utilizado para a construção do eixo

de sustentação da “moitão” do guindaste.

Sites sugeridos para pesquisa

• AÇOS VIC. Resumo dos principais aços para construção mecânica. 2012. Disponível

em: <https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7adVN0dE5TMEJTejg>. Acesso

em: 14 abr. 2012. • ENGEMET. Aços ligados para eixos, hastes e parafusos especiais.

2012.Disponível em: <https://docs.google.com/open?

id=0B0bJi2VvtH7aUW9Va1dzUHZNUkU>. Acesso

em: 14 abr. 2012.

• AÇOTUBO. Características dos Aços. 2012.Disponível em:

<https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7aTVdrT3QybE01QTg>. Acesso em:

14 abr. 2012.

Passo 2 (Equipe)

Identificar quais serão os modos prováveis de falha para o eixo árvore do “moitão” e quais as

prevenções a serem tomadas.

Figura 01: Conjunto MOITÃO

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Conjunto 02

Conjunto 01

FORÇA de TRAÇÃO

REAÇÃO NORMAL Forças atuantes nos conjuntos 1 e 2.

FORÇA CISALHANTE

MODOS DE FALHAS PREDOMINANTES NO CONJUNTO MECÂNICO DA

FIGURA 01 :

FRATURA FRÁGIL: É chamada de falha catastrófica e ocorre quando a deformação elástica

(recuperável) de um componente que apresenta comportamento frágil é conduzindo ao

extremo, quebrando as ligações Inter atômicas e o componente se separa em duas ou mais

partes.

Poderá ocorrer se na escolha do material o projetista escolher um material pouco dúctil e as

tensões provenientes dos carregamentos no qual o Moitão estará submetido ultrapassarem o

limite de resistência do material de construção.

Umas das formas de falha mais indesejáveis em qualquer equipamento por ser catastrófica

não dando sinais de que o material esta fraturando.

CORROSÃO: Deterioração não desejada do material por meios de processos químicos ou

eletroquímicos. O conjunto mecânico deverá receber tratamento e proteção das superfícies

visando evitar a corrosão excessiva geralmente acompanhada de desgaste e ou fadiga podendo

diminuir a vida útil do equipamento.

DESGASTE: Desgaste é a perda progressiva de material devida ao movimento relativo entre a

superfície e a substância com a qual entra em contato. Principalmente o Moitão deverá possuir

dureza superficial superior aos cabos de içamento afim dos mesmos não realizarem desgaste

mecânico na área de contato reduzindo a seção resistente do gancho diminuindo assim sua

capacidade nominal de carga.

Passo 3 (Equipe) – Etapa 1 que está relacionada ao passo 3 etapa 2.

Identificar no projeto do guindaste quais serão os modos de falha predominantes. Através dos

cálculos, identificar se é previsto ocorrerem falhas no conjunto.

Passo 3 (Equipe) - Etapa 2

Calcular através dos dados da etapa 1, o dimensional do eixo do “moitão”. Através desse

cálculo é possível identificar o perfil necessário para suportar a carga sugerida.

Força de tração no Moitão = 119,7006424 KPa

Majorando os esforços, força de tração no Moitão, por um coeficiente de segurança igual a 2.

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Coeficientes de segurança são empregados para prevenir incertezas quanto a propriedades dos materiais, esforços aplicados, variações, etc.

No caso de peças tracionadas, é usual o conceito da tensão admissível, que é dada por:

Figura 01

#A.1# para materiais dúcteis.

#A.2# para materiais frágeis.

Onde c é o coeficiente de segurança.

A escolha do coeficiente de segurança é uma tarefa de responsabilidade. Valores muito altos significam, em geral, custos desnecessários e valores baixos podem provocar falhas de graves conseqüências. A tabela abaixo dá alguns critérios genéricos para coeficientes de segurança.

Coeficiente Carregamento Tensão no materialPropriedades do

materialAmbiente

1,2 - 1,5Exatamente conhecido

Exatamente conhecida

Exatamente conhecidas

Totalmente sob controle

1,5 - 2,0 Bem conhecido Bem conhecidaExatamente conhecidas

Estável

2,0 - 2,5 Bem conhecido Bem conhecidaRazoavelmente

conhecidasNormal

2,5 - 3,0Razoavelmente

conhecidoRazoavelmente

conhecidaEnsaiadas

aleatoriamenteNormal

3,0 - 4,0Razoavelmente

conhecidoRazoavelmente

conhecidaNão ensaiadas Normal

4,0 - 5,0 Pouco conhecido Pouco conhecida Não ensaiadas Variável

Força de tração no Moitão = 119,7006424 KPa X Coeficiente de segurança 2

Força de tração majorada no Moitão = 239,4012848 KPa

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Para ilustrar uma situação de projeto será calculado o diâmetro pino de sustentação do

“moitão”, necessário para resistir as tensões de cisalhamento provocadas pela ligação de corte

duplo no conjunto 02 da figura 01, considerando diferentes materiais onde as tensões

resistente de cisalhamento mudam; e o material escolhido será aquele que resistir as tensões

com a menor relação peso por metro x custo por metro.

O valor da tensão de cisalhamento varia da superfície para o interior da peça, onde pode

atingir valores bem superiores ao da tensão média.

Aço SAE 4340 τmédia V = 637,43225 MPa

Para isso nós utilizaremos da fórmula de cálculo da tensão média de cisalhamento para duplo

corte, ou seja, τmédia V = conforme nos mostra a figura 01.

τmédia V = F/2.A

637,43.106 = 239,40.10 3 637,43.106 = 239,40.10 3 . 4

2. (π . d2/4) 2 π . d2

637,43.106 = 478,8.10 3 π . d2 = 478,8.10 3

π . d2 637,43.106

π . d2 = 7,51.10-4 d = √7,51.10 -4

π

d = 0.01546m . 1000 d = 15,46 mm

O primeiro diâmetro do pino encontrado utilizando o aço Aço SAE 4340 é de 15,46mm.

Aço inoxidável AISI 301 τmédia V = 568,7857 MPa

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Para isso nós utilizaremos da fórmula de cálculo da tensão média de cisalhamento para duplo

corte, ou seja, τmédia V = conforme nos mostra a figura 01.

τmédia V = F/2.A

568,78.106 = 239,40.10 3 568,78.106 = 239,40.10 3 . 4

2. (π . d2/4) 2 π . d2

568,78.106 = 478,8.10 3 π . d2 = 478,8.10 3

π . d2 568,78.106

π . d2 = 8,41.10-4 d = √8,41.10 -4

π

d = 0.01636m . 1000 d = 16,36 mm

O diâmetro do pino encontrado utilizando o aço Aço inoxidável AISI 301 é de 16,36mm.

ALUMINIO τmédia V = 132,389775 MPa

Para isso nós utilizaremos da fórmula de cálculo da tensão média de cisalhamento para duplo

corte, ou seja, τmédia V = conforme nos mostra a figura 01.

τmédia V = F/2.A

132,39.106 = 239,40.10 3 132,39.106 = 239,40.10 3 . 4

2. (π . d2/4) 2 π . d2

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132,39.106 = 478,8.10 3 π . d2 = 478,8.10 3

π . d2 132,39.106

π . d2 = 3,62.10-3 d = √3,62.10 -3

π

d = 0.03392m . 1000 d = 33,92mm

O diâmetro do pino encontrado utilizando o ALUMINIO é de aproximadamente 34mm.

Ou seja, mais que o dobro que o pino de aço, além do que o alumínio possui dureza muito

baixa em relação ao aço e aos cabos de içamento onde sofrerá desgaste diminuindo

rapidamente sua seção resistente.

COMPARAÇÃO PESO POR METRO X CUSTO POR METRO DOS TRÊS

MATERIAIS CÁLCULADOS:

NOTA: Considerar os pinos com 300mm de comprimento e os respectivos diâmetros

calculados.

Aço SAE 4340: Ø15,46 mm

Peso linear Kg/m = 1,55Kg x 0,3 = 0,465Kg (peso aproximado do pino)

Custo de matéria prima = R$ 3,40/Kg x 0,465Kg = R$1,58 (preço aproximado do pino)

Aço inoxidável AISI 301: Ø13,36mm

Peso linear Kg/m = 1,14Kg x 0,3 = 0,342Kg (peso aproximado do pino)

Custo de matéria prima = R$ 10,00/Kg x 0,342Kg = R$3,42 (preço aproximado do pino)

ALUMINIO: Ø33,92mm

Peso linear Kg/m = 2,43Kg x 0,3 = 0,729Kg (peso aproximado do pino)

Custo de matéria prima = R$ 8,40/Kg x 0,729Kg = R$ 6,12 (preço aproximado do pino)

Conclusão: Em um projeto como este não se pode levar em consideração somente o custo da

matéria prima mas principalmente a resistência ao desgaste, corrosão, fadiga, ductilidade etc...

conforme mencionado no passo 2 (Modos de falhas predominantes).

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Porém considerando a situação proposta de determinar a seção resistente através da tensão de

cisalhamento dos diferentes materiais; o material que apresentou melhor aplicabilidade foi o

Aço SAE 4340.

Nota: Tabelas de peso x metro e preço por Kg retiradas de sites de revendas de

materiais.

Passo 4 (Aluno)

Entregar ao professor da disciplina, em uma data estipulada por ele, um relatório chamado:

RELATÓRIO 1 – Prevenção de Falha, contendo a pesquisa da questão do Passo 2 e os

cálculos realizados no Passo 3, dessa Etapa.

Conclusão

Uma máquina é composta por uma série de componentes mais simples que a constituem.

Podem ser definidas como elementos de máquinas todas aquelas peças ou componentes mais

singelos que montados corretamente constituem uma máquina completa e em funcionamento.

Concluí-se que estudar elementos de máquinas é essencial para nós futuros engenheiros

mecânicos, devemos avaliar cada peça, cada tipo de material e suas características e também

analisar o valor agregado. Devido todas essas necessidades conhecemos máquinas no nosso

dia-a-dia que é fundamental neste século com a tecnologia avançada, e todas essas maravilhas

de máquinas são compostas por elementos simples, porém muito importante.

Um projeto de máquina surge sempre para satisfazer uma necessidade, seja ela industrial,

comercial, para lazer, etc. Nasce da habilidade de alguém ou de um grupo de pessoas

“transformar” uma ideia em um projeto de um mecanismo que destina-se a executar uma

tarefa qualquer. A partir dai segue-se o estudo detalhado de suas partes, a forma como

serão montadas, tamanho e localização das partes componentes tais como engrenagens,

parafusos, molas, cames, etc.

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Bibliografia

• COSTAI, E. M. Falha ou Ruptura nos Metais. Disponível em:

<https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7acDk4bFpKOXdOd1k>. Acesso em: 14

abr. 2012.

Bibliografia complementar

• NIEMANN, Gustav. Elementos de máquinas. 1ª ed. São Paulo: Blucher, 2009.

• AÇOS VIC. Resumo dos principais aços para construção mecânica. 2012. Disponível

em: <https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7adVN0dE5TMEJTejg>. Acesso

em: 14 abr. 2012. • ENGEMET. Aços ligados para eixos, hastes e parafusos especiais.

2012.Disponível em: <https://docs.google.com/open?

id=0B0bJi2VvtH7aUW9Va1dzUHZNUkU>. Acesso

em: 14 abr. 2012.

• AÇOTUBO. Características dos Aços. 2012.Disponível em:

<https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7aTVdrT3QybE01QTg>. Acesso em:

14 abr. 2012.

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