6. Sistema de Atuação por Impacto e Elementos Estruturais
6.2. Dimensionamento dos órgãos de máquina
6.2.4. Roda de lingueta e lingueta
Uma vez construído e testado um protótipo do actuador com o servomotor e mola (ver Figuras 6.1 a 6.3), observou-se que a força de atrito do conjunto do motor e caixa redutora que constitui o servomotor, não era suficiente para que, uma vez comprimida a mola, esta se mantivesse nesse estado até que fosse fornecido um sinal para disparo. A estratégia adoptada consistiu em fornecer uma tensão constante directamente aos terminais do motor para que os seus enrolamentos se mantivessem em carga gerando um binário, suficiente para manter a mola comprimida, mas simultâneamente insuficiente para iniciar a rotação do veio do motor. Contudo, verificou-se que para que isso fosse possível, o consumo de corrente, considerando que existem 6 actuadores no dispositivo, iria resultar num aumento significativo face às estimativas preliminares e inviabilizar o uso da bateria selecionada, para que se conseguisse a autonomia pretendida de 8 horas diárias. Assim, procedeu-se ao dimensionamento de uma solução de travamento mecânico. O mecanismo de roda de lingueta e lingueta (ver Figura 6.4), permite a rotação da engrenagem apenas num único sentido, além de indexar o movimento.
Figura 6.4 - Roda de lingueta e lingueta.
Para que se garanta a fixação da mola à compressão, é necessário que exista um ponto de engrenagem numa posição radial precedente ao ponto de compressão máxima desejada, pois a lingueta necessita de ultrapassar completamente o dente da roda que demarca esse ponto. Ou seja, é necessário existir uma folga, chamada frequentemente em inglês de
backlash [163]. Assim, uma vez comprimida a mola e deixando de se mover o motor, a mola
de compressão tem liberdade para descomprimir, movendo a roda de lingueta ao longo de uma distância igual à folga conferida, até se dar o engreno entre os dois elementos. Este movimento por sua vez, induz uma força de impacto entre a lingueta e a roda. A folga necessária depende do arco percorrido pela extremidade da lingueta na transição entre o estado desengrenado a engrenado. Esse movimento pode ser induzido simplesmente pela força da gravidade, caso a orientação em que o mecanismo é utilizado o permita. Contudo, para que se reduza a folga necessária e os esforços resultantes que tendem a diminuir a vida do mecanismo, é comum introduzir uma mola que carrega a lingueta de forma a forçar o contacto permanente com a roda e agilizar o engreno. Neste caso, uma vez que alguns dos atuadores vão operar em posições opostas face ao sentido da força gravítica, a sua inclusão é essencial.
O desenho do mecanismo deve garantir que ao se traçar uma linha perpendicular à face do dente engrenado da roda de lingueta, esta passe entre os eixos de rotação de ambos os elementos (ver Figura 6.4). Esta linha permite então definir o ângulo dos dentes da roda de lingueta, uma vez arbitradas as posições dos eixos de rotação de ambos os elementos do mecanismo. O mecanismo pode ser desenhado para que a lingueta fique à tracção ou à compressão, puxando ou empurrando a roda, quando esta é carregada de forma a induzir movimento no sentido não permitido. A geometria dos restantes elementos sugeriram ser
mais conveniente que a lingueta ficasse à compressão e motivou também a decisão da posição óptima para o eixo de rotação da mesma. Seguindo a metodologia recomendada, estes constrangimentos permitem determinar o ponto de interceção da lingueta com o dente da roda no ponto de engrenagem. Traçando uma linha perpendicular à face do dente da roda, esta deve passar entre os eixos de rotação dos dois elementos. Além disso, para que o engrenamento seja possível, deve-se garantir que o ângulo das faces que interagem na engrenagem sejam superiores ao ângulo de atrito correspondente ao coeficiente de atrito estático do material (COF)[164], que se determinou experimentalmente ser 0,46. Sendo
o ângulo entre o plano do dente da roda e uma linha que interceta a extremidade do dente no ponto de engrenagem e o eixo de rotação da roda, tem-se:( )
tg
COF
(68)Atendendo à componente normal da força exercida pela lingueta sobre a face do dente da roda, a tensão do momento fletor que surge no dente é dada por[165]:
,r 2
6
tr r fl r rF
h
e
s
(69)Onde
h
ré a altura do dente,e
ra sua espessura es
r o comprimento da face de contacto da lingueta com a base do dente da roda. A tensão máxima na lingueta calcula-se como:, 2
6
n r n fl l r r r rF
d
F
e
s
e
s
(70)Onde
F
n é a componente normal da força transmitida ed
r a distância entre o eixo de rotação da lingueta e a face exterior do dente da roda, segundo a direção normal a esse mesmo plano.Como condições de partida para o projeto, definiu-se que o diâmetro interno da roda de lingueta deveria ser igual ao do pinhão do mecanismo dimensionado anteriormente, 12,5 mm, e tendo em conta os limites impostos pelo invólucro previamente desenhado, arbitrou- se uma espessura de 3,5 mm e uma altura de dente de 2,5 mm. Procedendo às substituições necessárias nas equações 66, 67 e 68, determina-se:
5,1
rDada a baixa especificidade dos métodos de projeto encontrados e o número de dimensões arbitradas, procedeu-se a um ensaio de esforços computacional, recorrendo às capacidades de simulação do Solidworks [166] (ver Figura 6.5), para uma verificação adicional da resistência dos componentes. Este ensaio evidenciou que as tensões na aresta da raiz do dente da roda poderiam ser significativamente reduzidas com um pequeno arredondamento. Verifica-se um factor de segurança superior a 15, face à tensão admissível à flexão. O desenho técnico da roda de lingueta e lingueta, encontram-se no anexo I, figuras A.1 e A.2, respectivamente.