UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO DE ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANDRÉ CEFAS DE SOUZA FERNANDES
PROJETO PRELIMINAR DE EQUIPAMENTO PARA ELEVAÇÃO DE AUTOMOVEIS
MOSSORÓ
2019
ANDRÉ CEFAS DE SOUZA FERNANDES
PROJETO PRELIMINAR DE EQUIPAMENTO PARA ELEVAÇÃO DE AUTOMOVEIS
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido, campus Mossoró como requisito para obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador (a): Prof. Zoroastro Torres Villar.
MOSSORÓ
2019
©Todos os direitos estão reservados à Universidade Federal Rural do Semi-Árido.O conteúdo desta obra é de inteira responsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leis que regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei nº 9.279/1996, e Direitos Autorais: Lei nº 9.610/1998. O conteúdo desta obra tornar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata, exceto as pesquisas que estejam vinculas ao processo de patenteamento. Esta investigação será base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) seja devidamente citado e mencionado os seus créditos bibliográficos.
F363 Ferna ndp
Fernandes, André Cefas de Souza Fernandes. PROJETO PRELIMINAR DE EQUIPAMENTO PARA ELEVAÇÃO DE AUTOMOVEIS / André Cefas de Souza Fernandes Fernandes. - 2019. 43 f. : il.
Orientador: Zoroastro Torres Vilar Vilar. Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Mecânica, 2019.
1. Automação.. 2. Macaco mecânico.. 3. Metodologias de projeto.. 4. Simulações. . 5. . Dimensionamento.. I. Vilar, Zoroastro Torres Vilar, orient. II. Título.
ANDRÉ CEFAS DE SOUZA FERNANDES
PROJETO PRELIMINAR DE EQUIPAMENTO PARA ELEVAÇÃO DE AUTOMOVEIS
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido, campus Mossoró como requisito para obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
APROVADO EM: ___/___/____
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________________
Prof. Dr. Zoroastro Torres Vilar – UFERSA Presidente
______________________________________________
Prof. MCs. Ramon Rudá Brito Medeiros - UFC Primeiro Membro
_______________________________________________
Eng. Dácio Germano Xavier Rebouças Júnior - UFERSA
Segundo Membro
DEDICATÓRIA
Aos meus pais como forma mínima de retribuição pelas diversas expressões de cuidado, por me instruírem nos momentos difíceis e por todo o esforço que sempre fizeram que eu me mantivesse no melhor caminho possível.
Aos meus amigos que sempre estiveram
me apoiando na carreira estudantil. Ao
meu irmão que me motivou e acreditou
em mim, até quando eu mesmo não
acreditava mais.
AGRADECIMENTOS
Na carreira estudantil somos guiados pela mão até certo ponto, chegando neste ponto nos deparamos com uma escada que evidentemente leva a um topo, meus pais me mostraram de maneira geral como subir a escada, e cada professor que tive me falou as especificações de cada degrau e como eu poderia subir, estou agora em algum ponto da escada e pretendo chegar ao último possível, certamente muito esforço será exigido, mas com ajuda dos meus pais, colegas e professores terei condições de chegar até lá. Não me frustrarei caso a visão do topo seja ruim, terei a certeza que poderei voltar a qualquer degrau que já passei, pois já terei conhecido a escada, caso eu interrompa meu objetivo e pare em algum degrau jamais poderei ver como é chegar ao topo ou próximo a ele, sendo assim continuarei com o objetivo. Professores, familiares e amigos agradeço humildemente por me ajudarem a chegar cada vez mais próximo ao meu objetivo.
Agradeço de maneira especial ao orientador Prof. Zoroastro Torres Villar por tamanho comprometimento e ajuda fornecida durante todas as etapas deste trabalho.
Agradeço de maneira geral a UFERSA por inúmeras oportunidades que me
concedeu.
Resumo
Os grandes centros urbanos sofrem constantemente com o problema do crescente aumento do número de veículos transitando nas vias. Isso torna necessário pensar novas formas para organizar os mesmos. O presente trabalho lança uma proposta de projeto de dispositivo que venha a facilitar a organização de veículos em espaços de estacionamentos, capaz de erguer os carros para que estes possam ser guardados de forma mais eficiente. Seguindo metodologias de projeto para validar o dimensionamento dos componentes por meio do memorial de cálculos em planilhas eletrônicas juntamente com desenhos e simulações em software de computador. Com isso foi possível realizar o dimensionamento dos principais componentes e estudar a integridade dos mesmos via simulações, onde constatou-se que certos componentes precisam ser reprojetados.
Palavras-chave: Automação. Macaco mecânico. Metodologias de projeto. Simulações.
Comportamentos. Dimensionamento.
ABSTRACT
Large urban centers are constantly suffering from the problem of the growing number of vehicles on the road. This makes it necessary to think of new ways to organize them. The present work launches a proposal of a device design that will facilitate the organization of vehicles in parking spaces, capable of lifting the cars so that these can be stored more efficiently. Following design methodologies to validate the sizing of the components through the calculation memorial in spreadsheets along with drawings and simulations in computer software. With this, it was possible to carry out the sizing of the main components and to study their integrity through simulations, where it was verified that certain components need to be redesigned.
KEY-WORDS: Automation. Mechanical monkey. Project methodologies. Simulations.
Behaviors. Sizing.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1:Ciclo de vida de um produto ... 19
Figura 2:Projeto informacional de um produto ... 20
Figura 3:Tipos de roscas e suas geometrias ... 25
Figura 4:Forças agindo sobre o parafuso em situação de carga e descarga ... 26
Figura 5: Esquema de arranjo de forças sobre o equipamento ... 33
Figura 6: Vista superior do parafuso... 34
Figura 7: Vista Frontal do parafuso ... 35
Figura 8: Desenho de representação do pino ... 36
Figura 9: Vista superior da haste ... 37
Figura 10: Vista frontal da haste ... 37
Figura 11:Montagem do equipamento ... 38
Figura 12:Simulação dos esforços e tensões sobre a haste ... 39
Figura 13: Simulação das deformações sobre a haste ... 39
Figura 14: Simulação de esforços sobre o pino de ligação das hastes ... 40
Figura 15: Simulação de esforços sobre o parafuso de potência ... 41
Figura 16: Simulação de deformações sobre o parafuso de potência ... 41
LISTA DE TABELAS
Tabela 1:Definições formais para projeto informacional ... 21
Tabela 2: Definições formais de análise funcional. ... 22
Tabela 3:Classificação de métodos de pesquisa por soluções. ... 23
Tabela 4: Estimativa da carga total à medida que a carga é erguida ... 32
Tabela 5:Propriedades mecânicas aço 1040 trefilado... 33
Tabela 6: Dados do dimensionamento dos parafusos ... 34
Tabela 7: Dados do dimensionamento do pino ... 35
Tabela 8: Dados relativos ao dimensionamento das hastes ... 36
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1: Ângulo de avanço ... 26
Equação 2: Forças na direção x ... 26
Equação 3:Expressão para a força de acionamento ... 26
Equação 4:Forças na direção y ... 26
Equação 5: Expressão para a força normal ... 26
Equação 6: Expressão para a força de acionamento conforme a carga ... 27
Equação 7: Torque de acionamento do parafuso ... 27
Equação 8: Torque de acionamento conforme o avanço ... 27
Equação 9:Torque para o retorno da carga ... 27
Equação 10: Tensão cisalhante ... 27
Equação 11: Diâmetro do pino ... 28
Equação 12:Dimensionamento das hastes ... 28
Equação 13: Diâmetro mínimo para resistir a compressão ... 28
Equação 14:Diâmetro mínimo para resistir a torção ... 28
Equação 15: Diâmetro médio do parafuso ... 29
Equação 16: Passo do parafuso ... 29
Equação 17: Relação entre avanço e passo ... 29
Equação 18: Ângulo de avanço ... 29
Equação 19: Tensão equivalente de Von Mises ... 30
Equação 20: Tensão de Von Mises em termos das tensões aplicadas ... 30
LISTA DE SIMBOLOS
λ: Ângulo de avanço do parafuso de potência.
𝐿: Medida linear de avanço do parafuso de potência.
𝑑
𝑝:Diâmetro primitivo do parafuso de potência.
∑ 𝐹𝑥: Somatório das na direção x.
𝐹: Força de acionamento do parafuso.
𝑓: Força de atrito.
μ: Fator de atrito.
N: Força normal.
∑ 𝐹𝑦 : Somatório das na direção y.
P: Força peso da carga.
𝑇𝑠𝑢: Torque para acionar o parafuso.
𝜏 :Tensão de cisalhamento.
𝐴: área de seção transversal.
𝑑𝑝𝑖𝑛𝑜: Diâmetro do pino.
𝑝
𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜: Força crítica.
𝐸: Módulo de Young.
𝐼𝑥: Momento de inercia em torno de x.
𝐿
𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜: Comprimento crítico.
𝑑
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜: Diâmetro mínimo para compressão.
𝐹𝑝: Força de compressão.
𝑓𝑠: Fator de segurança.
𝑓𝑝: fator de projeto.
𝜎𝑐: Tensão máxima de compressão.
𝑑
𝑡𝑜𝑟çã𝑜: Diâmetro mínimo para torção.
𝑥: Fator de bloqueio do parafuso.
𝜏
𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜: Tensão de cisalhamento máxima.
𝑑𝑚: Diâmetro médio do parafuso.
𝑝: Passo do parafuso.
𝜎
′: Tensão de Von Mises.
𝜎
1: Tensão na direção 1.
𝜎
2: Tensão na direção 2.
𝜎
3: Tensão na direção 3.
𝜎
𝑥: Tração na direção x.
𝜎
𝑦: Tração na direção y.
𝜎
𝑥: Tração na direção z.
𝜏
𝑥𝑦: Cisalhamento em xy.
𝜏
𝑧𝑥: Cisalhamento em yz.
𝜏
𝑧𝑥: Cisalhamento em zx.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 15
1.1 Objetivos ... 15
2. REFERENCIAL TEÓRICO ... 17
2.1 Projeto ... 17
2.2 Projeto de máquinas ... 17
2.3 Produto ... 17
2.4 Processo de projeto de um produto ... 19
2.4.2.1 Verificação do problema ... 21
2.4.2.2 Análise funcional ... 22
2.4.2.3 Pesquisa por princípios de solução ... 22
2.4.2.4 Geração, seleção, desenvolvimento e avaliação de variantes da concepção ... 23
2.4.3 Projeto detalhado ... 23
2.5 Macaco mecânico ... 24
2.6 Parafuso de potência ... 24
2.6.1 Análise de esforços no parafuso de potência ... 25
2.7 Dimensionamento dos pinos ... 27
2.8 Dimensionamento das estruturas ... 28
2.9 Dimensionamento do parafuso ... 28
2.10 Motor e bateria ... 29
2.11 Tensão de Von Mises ... 29
3. MATERIAIS E METODOS ... 31
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 32
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 42
6. REFERENCIAS ... 43
15
1. INTRODUÇÃO
Na sociedade atual onde o número de automóveis cresce consideravelmente, será necessário um desenvolvimento tecnológico maior no tocante a organização dos centros urbanos. Visando uma gestão mais eficiente para os espaços de estacionamentos de automóveis, este trabalho lança uma proposta que aspira melhorar e inovar a forma como tal espaço é gerido por meio de um dispositivo desenvolvido para alocar de forma mais fácil e eficiente os veículos em um estacionamento.
Os estabelecimentos atualmente precisam de grandes espaços . Uma vez que o alcance do negócio é grande, mais clientes frequentam esse lugar e mais espaço para estacionar será necessário. Contudo, nem sempre será possível um estabelecimento dispor de muito espaço, principalmente em centros urbanos completamente preenchidos. Assim, o espaço para estacionamento mostra-se como um fator que determina a quantidade máxima de clientes que podem ser recebidos.
Como solução para esse problema, foi idealizado um elevador automotivo elétrico com quatro rodas que possa transportar um automóvel, possibilitando sua locomoção. Foram levantadas diretrizes para fomentar a ideia a fim de possibilitar que a máquina permita os proprietários de estacionamentos atender demandas cada vez maiores de carros, facilitando os consumidores de alocarem seus veículos em vagas sem dificuldades, acarretando assim em melhoria do trânsito de grandes cidades, uma vez que com mais vagas disponíveis menos veículos ficarão estacionados nas vias.
1.1 Objetivos
Ao fim do trabalho deverão ser satisfeitas as premissas de projeto, todavia visando maior organização e melhor desenvolvimento de projeto, foram estipulados objetivos gerais e específicos
1.1.1 Objetivos Gerais
Realizar o projeto preliminar de componentes importantes para uma máquina de elevação
de automóveis que torne mais prático o arranjo de estacionamentos.
16
1.1.2 Específicos
Concepção, modelagem, dimensionamentos e validação por meio de simulações a fim
de se obter os principais componentes de uma máquina para elevar automóveis.
17
2. REFERENCIAL TEÓRICO
Neste capitulo será abordada a fundamentação teórica necessária acerca do dispositivo, bem como os componentes necessários para a sua construção.
2.1 Projeto
Pode-se entender como projeto o plano que aspira atender uma necessidade bem como resolver um problema. Este plano deve resultar em uma solução concreta e funcional, segura, confiável e competitiva, cuja a viabilidade a torne interessante de ser comercializada, fabricada e empregada para o uso. (BUDYNAS, 2005)
Em diversas ocasiões, projetos constam de tomadas de decisões e repetições de afazeres e etapas da elaboração de soluções. Tais ocasiões de projeto podem constar também de uma quantidade reduzida de informação ou mesmo de informação contraditória o que leva a tomadas de decisão provisórias, passiveis de eventuais ajustes e correções.
2.2 Projeto de máquinas
Máquinas podem ser definidas como dispositivos inter-relacionados capazes de realizar operações pela ação forças e movimentos. Estas partes inter-relacionadas são conhecidas como elementos de máquinas. As forças envolvidas, bem como os movimentos executados, e as formas de energias envolvidas nestes processos devem ser conhecidos pelo engenheiro para que este seja capaz de dar formas e dimensões apropriadas, levando em conta também a escolha de materiais apropriados para a situação, de maneira a oferecer ao final do projeto, um produto que satisfaça as demandas do cliente de forma funcional, seja seguro para os usuários, além de ser rentável de se fabricar e comercializar. (NORTON,2013).
2.3 Produto
Produto é um bem ou serviço que resulta de um processo (FORCELLINI, 2002). Uma vez que é confeccionado, o produto é vendido para pessoas ou organizações em virtude de suas propriedades que o tornam capaz de solucionar seu problema e satisfazer desejos e condições de mercados.
O produto pode não partir do zero, em termos de originalidade e inovação, eles podem
partir de algo já existente e ser aprimorado em relação que já está no comercio. Isso dá margem
para classificações diversas para os novos produtos.
18
a) Variantes de produtos existentes: extensões de linhas, reposicionamentos de produtos, formas de modificar um produto que já existe para adequá-lo a outro nicho de mercado.
b) Inovativos: produtos resultantes de modificações de outros produtos já existentes.
Contudo, este novo produto possui um valor agregado e um conjunto de inovações maior empregado a ele. Isto resulta de mais tempo para desenvolvimento e investimento em pesquisas.
c) Criativos: produtos nunca vistos, de existência nova, são resultado de grandes investimentos em pesquisas e de um longo calendário de desenvolvimento. Este tipo de produto pode ter grandes chances de falhar, embora possa também se tornar tão bem-sucedido, que imediatamente surjam outros produtos como imitações deste criativo em questão.
Todos os produtos possuem um ciclo de vida bem determinado dentro do mercado. Na Figura 1, é possível visualizar que nas fases de desenvolvimento e lançamento, os lucros de uma empresa são negativos em virtude dos custos de pesquisa, desenvolvimento, divulgação e promoção do mercado para que este então possa adentrar no mercado.
É normal os lucros começarem a surgir durante a fase de crescimento do produto, sendo
poucas as empresas a conseguir lucrar antes disso. Durante a maturidade do produto, este já se
encontra estável no mercado, o que leva o mercado a se estagnar. Esta é a fase mais lucrativa
de um produto. O declínio é a última fase do ciclo de vida. O declínio é caracterizado por uma
queda nas vendas, e por consequência disso, uma queda também nos lucros. Tal queda na
lucratividade se deve pelo aumento na concorrência do mercado oriunda do surgimento de
novos produtos mais requintados, inovadores e tecnológicos, que findam a tornar obsoleto o
produto já existente. Normalmente um produto é abandonado pela companhia durante essa fase,
existindo casos em que o declínio ocorre imediatamente após o crescimento (FORCELLINI,
2002).
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Figura 1:Ciclo de vida de um produto
Fonte:FORCELLINI,2002
2.4 Processo de projeto de um produto
O processo que leva ao projeto de um produto segue por etapas e métodos divididos a fim de se determinar o que é necessário fazer, passo a passo, para se alcançar as metas requeridas do produto.
2.4.1 Projeto informacional
A partir de uma demanda, dá-se origem ao projeto. O projeto começa com o projeto informacional, que consiste em reunir informações para a completa compreensão do problema, permitindo assim uma análise detalhada do mesmo. Um bom projeto informacional resulta em um bom começo para a especificação do projeto, que é onde são especificados os processos de geração de soluções, bem como os instrumentos de avaliação para estas soluções. A especificação de projeto deve ter validade teórica, objetivos validos em todas as áreas que o problema aborda, operacionalidade, isto é, possibilidade de avaliar os objetivos quantitativamente, não redundância, concisão, e praticabilidade para se testar esses objetivos.
(ROOZEMBURG &EEKELS(1995) Apud FORCELLINI)
A Figura 2 ilustra como se segue a sequência para a realização de um bom projeto
informacional, mostrando que se sai de uma ideia inicial de produto e se chega em suas
especificações por meio de uma metodologia de projeto.
20
Figura 2:Projeto informacional de um produto
Fonte: FORCELLINI, 2002
Esta etapa é iniciada das necessidades do cliente e se desdobra até a especificação do
projeto. Mesmo havendo diversas maneiras de se realizar esta parte do projeto, a figura mostra
uma sequência lógica baseada no objetivo de fornecer a especificação de projeto que se adeque
às metas do mesmo. Mesmo em vista do roteiro já visto na figura, alguns termos precisam ser
definidos. Estes termos estão explicados na Tabela 1.
21
Tabela 1:Definições formais para projeto informacional
TERMO SIGNIFICADO
Cliente externo Pessoas ou instituições que consumirão ou usarão o produto.
Cliente intermediário Pessoas ou instituições encarregadas pelo marketing, distribuição e vendas do produto.
Cliente interno Envolvidos com o projeto e produção do produto.
Necessidades do cliente Declarações diretas do cliente, comumente em linguagem subjetiva.
Requisitos do cliente Necessidade expressa em termos de engenharia.
Requisitos de projeto Requisitos mensuráveis e aceitos para o projeto
Especificações do projeto Conjunto de informações completa, requisito de projeto com valores para metas atribuídas.
Fonte: FORCELLINI, 2002
2.4.2 Projeto conceitual
Nesta etapa são tomadas as decisões que vão afetar os resultados das etapas posteriores do projeto. A partir do momento que a necessidade de um novo produto é detectada e esclarecida, é gerada a concepção de um produto que atenda estas necessidades da melhor maneira possível, considerando as devidas limitações de recursos e restrições para o projeto.
Esta concepção advém da síntese de uma ou mais soluções a fim de compor uma nova solução para o produto, seguida da análise funcional desta solução (FORCELLINI, 2002).
2.4.2.1 Verificação do problema
Nesta etapa, a intenção é estudar para compreender o problema, assumindo um certo grau de abstração para começar a esboçar as soluções. Abstração é dar importância apenas a características mais genéricas, deixando de lado características mais particulares.
(FORCELLINI Apud PAHL E BEITZ)
Para ampliar as possibilidades de soluções, o problema é reformulado de uma forma
mais ampla, em uma sucessão de etapas. Cada aspecto do problema é discutido de forma
sistemática, para determinar cada característica funcional da solução (FORCELLINI, 2002).
22
2.4.2.2 Análise funcional
Na análise funcional, o problema é visto segundo as funções do produto. Durante a verificação do problema, é possível estabelecer a função global que se deseja do sistema, e a partir desta função global e com a devida analise funcional, deve-se criar uma lista de funções ditas elementares que são alcançadas por meio de operações básicas. (FORCELLINI, 2002). A Tabela 2 mostra as definições formais de termos empregados na análise funcional.
Tabela 2: Definições formais de análise funcional.
TERMO SIGNIFICADO
Função Relação entre as entradas e saídas de um
determinado sistema que desempenha uma tarefa.
Função global Expressa relação entre as entradas e saídas de todas as quantidades envolvidas e suas propriedades. Função última do sistema técnico.
Função parcial Divisão da função global em menor grau
de complexidade.
Função auxiliar Contribui de forma indireta para a função global. É complementar ao sistema.
Função elementar Nível de desdobramento da função global mais baixo, não admitindo assim subdivisões.
Estrutura funcional Combinação de funções parciais que representam a função global do sistema.
Fonte: FORCELLINI, 2002
A divisão em partes menores da função global tem como meta facilitar a busca pelos princípios de solução. Quando se desenvolve variantes de um produto já existente, a derivação da estrutura funcional pode ser feita a partir de produtos existentes. A meta neste caso é desenvolver estruturas alternativas com potencial para resolver o problema.
Como este processo pode acabar gerando muitas estruturas funcionais, é necessário que haja critérios de escolha bem definidos para a seleção da melhor alternativa (FORCELLINI, 2002).
2.4.2.3 Pesquisa por princípios de solução
Cada subfunção resultante começa a ganhar forma por meio de um princípio de
solução. Para tornar possível a solução, deve-se ter a compreensão plena da subfunção para que
se possa então partir para a busca de efeitos físicos e portadores de efeitos físicos que se
23
comportem de maneira a contemplar o objetivo da subfunção em enfoque. Para se encontrar os princípios de uma solução, comumente são empregados vários métodos. Estes métodos podem ser classificados em convencionais, intuitivos, e discursivos, conforme mostra a Tabela 3.
Tabela 3:Classificação de métodos de pesquisa por soluções.
Classificação Método
Convencionais Pesquisa bibliográfica; Análise de sistemas
naturais; Analise de sistemas técnicos existentes;
Analogias; Medições e testes em modelos.
Intuitivos Brainstorming; Método 635; Método Delphi,
Sinergia; Analogia direta; Analogia simbólica;
Combinação de métodos.
Discursivos Estudo sistemático de sistemas técnicos; Estudo Sistemático com o uso de esquemas de classificação; TRIZ- teoria da resolução de problemas inventivos; Método da matriz morfológica.
Fonte: FORCELLINI,2002.
2.4.2.4 Geração, seleção, desenvolvimento e avaliação de variantes da concepção
São desenvolvidas então as últimas atividades desta fase do projeto: desenvolver e selecionar soluções alternativas. O desenvolvimento de soluções parte de um arranjo organizado de todos os princípios de soluções, permitindo a evolução de alternativas para o problema. Uma vez que se tem várias soluções alternativas bem desenvolvidas, busca-se fazer então a solução da que melhor se adeque.
2.4.3 Projeto detalhado
Partindo da concepção de um produto, o projeto é desenvolvido de acordo com os critérios técnicos e econômicos além de envolver também toda e qualquer informação adicional, até que se tenha detalhes o bastante para que se possa encaminhar o projeto para a produção. (FORCELLINI Apud PAHL E BEITZ, 1996). É nesta etapa que se alcança o layout definitivo do produto e toda a documentação para realizar a produção.
A forma definitiva é desenvolvida até que se possa verificar claramente a função, durabilidade, produção, montagem, operação e custos. É necessário que se estabeleça os seguintes objetivos:
a) Layout definitivo;
b) Projeto preliminar das formas;
c) Procedimentos da produção;
d) Soluções para qualquer função auxiliar.
24
As disposições, formas, dimensões e tolerâncias de todos os componentes devem também ser fixadas. A especificação de materiais e viabilidade econômica aqui já deve estar bem revisada e validada.
Normas e procedimentos normatizados devem ser utilizados de acordo com a necessidade. O planejamento do processo envolve analisar a produtibilidade, o desenvolvimento de fornecedores e o projeto do ferramental (FORCELLINI Apud PAHL E BEITZ, 1996).
2.5 Macaco mecânico
É um dispositivo utilizado para erguer uma carga verticalmente para diversos propósitos, sendo o mais comum, o acesso a áreas para a realização da manutenção em equipamentos pesados. Este tipo de dispositivo funciona por meio da conversão de movimento rotacional em movimento linear em virtude da ação de parafusos de potência que deslocam a carga ou a seguram em uma determinada posição (INDUSTRIA HOJE,2019).
2.6 Parafuso de potência
São elementos roscados que tem como finalidade a conversão de movimento rotacional em movimento linear (NORTON, 2013). São empregados em macacos e maquinas de produção como fresadoras CNC e impressoras 3D entre outras. Graças a uma grande capacidade de exercer vantagem e amplificação de forças mecânicas, são necessárias roscas robustas para a aplicação destes elementos.
Comumente são empregadas roscas do tipo quadrada, Acme e Botaréu. A rosca
quadrada oferece grande eficiência e rigidez. Com sua geometria simplificada perante as outras,
apresenta mais simplicidade na fabricação. A rosca Acme possui angulações que permitem o
uso de porcas partidas que podem ser apertadas radialmente contra o parafuso para diminuir o
desgaste na rosca. Roscas Acme também apresentam uma geometria que permite tratamentos
térmicos superficiais mais uniformes (NORTON, 2013). A seguir podem ser observadas as
características geométricas dos filetes de rosca na Figura 3.
25
Figura 3:Tipos de roscas e suas geometrias
fonte: NORTON, 2013
Para carregamentos em ambas as direções da rosca do parafuso, pode se empregar tanto a rosca Acme quanto a rosca quadrada. A rosca Botaréu é a menos comum destas três. Sua aplicação é limitada a casos onde a carga é aplicada em apenas uma direção, uma vez que esta rosca só oferece resistência em um sentido de aplicação. Embora a Botaréu tenha o problema com a direção da carga, a raiz da rosca pode ser a mais reforçada das três, permitindo grande resistência a esforços (NORTON, 2013).
2.6.1 Análise de esforços no parafuso de potência
Por se tratar do caso mais simples de se dimensionar e calcular, além de oferecer outras
vantagens já mencionadas anteriormente, será discutido aqui o dimensionamento de roscas
quadradas a serem empregadas no dispositivo. Roscas podem ser abordadas como sendo planos
inclinados que acompanham uma hélice. Na figura 4, temos os diagramas de corpo livre para
mostra as forças agindo sobre o parafuso em situação de carga ou descarga. As forças mostradas
no diagrama são a força do atrito, f, que se opõe ao movimento, a força peso P, do corpo a ser
movimentado, a força N, normal ao plano da inclinação da rosca e a força F, que movimenta o
sistema (NORTON, 2013).
26
Figura 4:Forças agindo sobre o parafuso em situação de carga e descarga
fonte:
NORTON, 2013
O ângulo de inclinação do plano, conhecido por ângulo de avanço λ é obtido por meio da Equação 1, que o descreve em termos da dimensão do avanço L e do diâmetro primitivo dp.
𝑡𝑔λ =
𝐿𝜋𝑑𝑝
Equação 1: Ângulo de avanço
Para se erguer a carga, a soma da força nas direções x e y é dada pelas Equações 2, 3, 4 e 5.
∑ 𝐹𝑥 = 0 = 𝐹 − 𝑓𝑠𝑒𝑛λ = F − μNcosλ − Nsenλ
Equação 2: Forças na direção x
𝐹 = 𝑁(𝜇𝑐𝑜𝑠λ + senλ)
Equação 3:Expressão para a força de acionamento
∑ 𝐹𝑦 = 0 = 𝑁𝑐𝑜𝑠λ − fsenλ − P = Ncosλ − μsenλ − P
Equação 4:Forças na direção y
𝑁 =
𝑃𝑐𝑜𝑠λ−μsenλ
Equação 5: Expressão para a força normal
Onde μ é o coeficiente de atrito entre o parafuso e a porca, e as outras variáveis estão
definidas na Figura 4. O uso destas equações leva a uma expressão para a força F como mostra
a Equação 6.
27
𝐹 =
𝑃(μ𝑐𝑜𝑠λ+senλ) 𝑐𝑜𝑠λ−μsenλEquação 6: Expressão para a força de acionamento conforme a carga
O torque que o parafuso necessita exercer em situação de carga é obtido na Equação 7:
𝑇𝑠𝑢 =
𝑑𝑝2
𝐹 =
𝑑𝑝2
𝑃(μ𝑐𝑜𝑠λ+senλ) 𝑐𝑜𝑠λ−μsenλ
Equação 7: Torque de acionamento do parafuso
Contudo, pode ser interessante expressar o torque como sendo função do avanço L em vez do avanço λ. Para isso, é necessário dividir o numerador e o denominador da Equação 7 por 𝑐𝑜𝑠λ e aplicar a Equação 1, obtendo assim a expressão da Equação 8.
𝑇𝑠𝑢 =
𝑑𝑝2
(𝜇𝜋𝑑𝑝+𝐿) (𝜋𝑑𝑝−𝜇𝐿)
Equação 8: Torque de acionamento conforme o avanço
Uma análise semelhante pode ser feita considerando o caso de remoção de carga. Para isso basta mudar os sinais de das forças de atrito e da força aplicada. Então o torque necessário para a descarga é dado na Equação 9.
𝑇𝑑 =
𝑑𝑝2
(𝜇𝜋𝑑𝑝−𝐿) (𝜋𝑑𝑝+𝜇𝐿)
Equação 9:Torque para o retorno da carga
2.7 Dimensionamento dos pinos
Os pinos que mantem a estrutura das hastes unidas estarão sujeitos a esforços que o farão cisalhar. Para evitar a falha por cisalhamento do pino, deve-se fazer o seguinte equacionamento:
𝜏 =
𝐹𝐴
Equação 10: Tensão cisalhante
Onde 𝜏 é o limite de escoamento ao cisalhamento que o material do pino possui, F é a
força de cisalhamento e A é a área de seção transversal do pino. Considerando o pino com área
transversal circular e fazendo as devidas manipulações, tem-se que
28
𝑑𝑝𝑖𝑛𝑜 = √
4𝐹𝜏𝜋
Equação 11: Diâmetro do pino
2.8 Dimensionamento das estruturas
A estrutura das hastes que elevarão a carga deve ser capaz de suportar esforços de flambagem e para garantir isso, é feito um estudo do critério de estabilidade de Euler, como mostra a Equação 12.
𝑝
𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜= 𝜋²𝐸𝐼𝑥 (𝐿
𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜)²
Equação 12:Dimensionamento das hastes
2.9 Dimensionamento do parafuso
Voltando ao dimensionamento do parafuso, este será sujeitado a forças de compressão e cisalhamento por torção que podem levá-lo a falha. Desta forma, os dois critérios devem ser estudados a fim de ver qual o esforço mais crítico, determinando o diâmetro de raiz do parafuso em cima dele. Para o caso de compressão, na Equação 13.
𝑑
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜= √ 𝐹𝑝 ∗ 𝑓𝑠 ∗ 𝑓𝑝 ∗ 4 𝜎𝑐𝜋
Equação 13
Equação 13: Diâmetro mínimo para resistir a compressão
Onde fs e fp são os fatores de segurança e projeto, respectivamente. E 𝜎𝑐 é a tensão de compressão máxima que o material do parafuso suporta em regime elástico. No caso de torção tem-se a Equação 14.
𝑑
𝑡𝑜𝑟çã𝑜= √ 𝐹𝑝 ∗ 16𝜇(𝑥 + 1) ∗ 𝑓𝑠 ∗ 𝑓𝑝 (1 − 𝜇
2)𝑥 ∗ (2 ∗ 𝜇𝜋𝑥)𝜏
𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜Equação 14:Diâmetro mínimo para resistir a torção
Onde x é o fator de autobloqueio. Depois de calculados estes dois diâmetros, é possível
calcular o diâmetro médio do parafuso, passo da rosca, o avanço, o ângulo de hélice da rosca
deste parafuso e as tensões na rosca. Começando com o diâmetro médio, avanço e o passo,
temos que o diâmetro médio dm é dado na Equação15.
29
𝑑𝑚 = 2𝑑𝑝 2 − 𝜇𝜋𝑥
Equação 15: Diâmetro médio do parafuso
O passo p e calculado na Equação 16.
𝑝 = 2(𝑑𝑚 − 𝑑𝑝)
Equação 16: Passo do parafuso
O avanço do parafuso é igual ao passo, como mostra a Equação 17.
𝐿 = 𝑝
Equação 17: Relação entre avanço e passo
E o angulo 𝛾 é dado pela Equação 18
λ = atan ( 𝑎 𝑑𝑚𝜋 )
Equação 18: Ângulo de avanço
2.10 Motor e bateria
Baterias são aparelhos capazes de liberar energia elétrica em virtude de uma reação química de oxidação e redução. Uma bateria contém várias células onde ocorrem esta reação.
(ATKINS, 2012)
Motor elétrico é o dispositivo que converte energia elétrica em mecânica. Costuma ser bastante usado em virtude do custo, da simplicidade para controlar, de não sujar ou poluir o ambiente instalado e melhores rendimentos. Em sua grande maioria, os motores elétricos trabalham por meio da interação entre os campos eletromagnéticos gerados pelo rotor e o enrolamento do motor (PETRUZELLA, 2013).
2.11 Tensão de Von Mises
Rotineiramente, se faz necessário que um componente suporte esforços que resultam da combinação das tensões de tração com as tensões de cisalhamento. Este tipo de situação acarreta situações que devem ser estudadas de maneira a agregar os efeitos de ambos os carregamentos.
A tensão equivalente de Von Mises 𝜎′ se define como a tensão a tração uniaxial capaz de causar
a mesma distorção que é causada pelos esforços combinados.
30
Isso permite enxergar e tratar casos de tensões combinadas como sendo um caso de tração pura. Na Equação 19, temos como calcular a tensão equivalente de Von Mises em situações e problemas no espaço tridimensional (NORTON,2013).
𝜎
′= √𝜎
12+ 𝜎
22+ 𝜎
32− 𝜎
1𝜎
2− 𝜎
2𝜎
3− 𝜎
1𝜎
3Equação 19: Tensão equivalente de Von Mises
Esta equação pode ainda ser reescrita em termos das tensões aplicadas, de onde resulta a equação 20.
𝜎
′= √
(𝜎𝑥−𝜎𝑦)2+(𝜎𝑦−𝜎𝑧)2+(𝜎𝑧−𝜎𝑥)2+6(𝜏2𝑥𝑦+𝜏2𝑦𝑧𝜏2𝑧𝑥)
2
equação 20
Equação 20: Tensão de Von Mises em termos das tensões aplicadas
Onde 𝜏 representa as tensões de cisalhamento e 𝜎 as tensões de tração.
31
3. MATERIAIS E METODOS
Para se chegar no projeto, foi feita uma pesquisa em cima dos veículos mais vendidos no Brasil do ano de 2017, sendo alguns deles Toyota Corolla, Chevrolet Classic, Chevrolet Onix, Honda Civic, levando em conta as condições limites relacionadas ao peso e a dimensões destes carros, uma vez que possuem pesos e dimensões diferentes.
Com a proposta de permitir o deslocamento de carga, foi pensado em um conjunto de 4 rodas para apoiar o dispositivo no piso, permitindo a realização de movimentações com menos esforço. A energia para permitir que o conjunto funcione vem de bateria 12V, capaz de oferecer grande corrente em tempos mais curtos, além de possuir uma boa durabilidade. O operador terá apenas o trabalho de acionar o motor elétrico do conjunto, o que implica em eficiência e rapidez de operação.
Foi pensado também que, o dispositivo deve atender a demanda de funcionar até 10 horas por dia, tendo em vista que ele precisa operará durante o horário comercial. Isto acarreta desgaste de componentes. Para manter uma proposta com uma razoável relação de custo e benefício, o equipamento não pode dispor de muitos componentes.
Tendo em vista o que já foi mencionado no referencial teórico do presente trabalho, os cálculos
para a realização do dimensionamento dos componentes da máquina por meio de planilhas eletrônicas,
sendo estes resultados em seguida atestados por meio de desenhos em software CAD com a realização de
simulação dos esforços de trabalho.
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4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com os dados da pesquisa foi estipulado que o aparelho tem que ser capaz de erguer uma massa de até 1330 kg, que é a massa de um Honda Civic.(QUATRO RODAS,2018) Apesar de não ser tão vendido quanto o Chevrolet Onix, o Honda Civic é mais pesado e se encontra com volume de vendas notório, além de servir de base para que o equipamento suporte cargas mais elevadas. Para reduzir a carga em cima do parafuso e manter as dimensões reduzidas da máquina, foi concebido que seriam dois parafusos de potência para erguer a carga do peso do carro. E considerando também que a carga do peso do carro é distribuída igualmente entre as quatro rodas, e que ela é transferida progressivamente das suspensões do carro para hastes estruturais e para o parafuso a medida em que o macaco levanta o carro, cada parafuso tem que erguer uma carga de até 3261N.
Tendo essas considerações em vista, foi montada uma planilha eletrônica para estimar a carga atuando nas hastes e nos parafusos, dando assim subsídio para o dimensionamento destes componentes, baseado no referencial teórico deste trabalho, como mostra a Tabela 4.
Tabela 4: Estimativa da carga total à medida que a carga é erguida
Porcentagem de
carga Posições m(estimadas) Ângulos Forças N
Vertical Horizontal Ângulo (°) Seno Cosseno Haste Parafuso 10% 326,083 0,000 0,300 6,654 0,058 0,998 5618,418 326,633 25% 815,207 0,020 0,275 11,310 0,099 0,995 8273,052 819,194 40% 1304,331 0,040 0,250 16,699 0,145 0,989 8982,183 1318,305 55% 1793,455 0,060 0,225 22,891 0,198 0,980 9038,139 1829,842 70% 2282,579 0,080 0,200 29,899 0,258 0,966 8848,346 2362,542 85% 2771,703 0,100 0,175 37,648 0,323 0,947 8590,192 2928,324 100% 3260,828 0,120 0,150 45,939 0,390 0,921 8355,898 3541,637
Fonte: autoria própria
Quando a máquina é montada para começar a erguer a carga, tem-se apenas uma pequena fração
da carga total apoiada sobre o dispositivo. Isso se deve ao fato de a suspensão do veículo segurar o restante
desta carga, por isso a carga não é de 100% logo no começo. À medida que o dispositivo ergue o carro, o
peso deixa de se apoiar nas rodas e se apoia na estrutura da máquina. A partir da Figura 5, é possível
observar as relações trigonométricas entre as forças que agem sobre os parafusos, as hastes e a carga a ser
erguida conforme esta se transfere para o equipamento a medida em que ocorre o levantamento.
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Conforme evolui a operação para erguer a carga, a plataforma onde se apoia o carro se eleva e isso muda as posições das hastes fazendo as forças variarem.
Figura 5: Esquema de arranjo de forças sobre o equipamento
Fonte: autoria própria
Com os resultados das estimativas obtidas na Tabela 4, foi preciso realizar uma seleção de materiais para compor os elementos da máquina. Por se tratar de um material bastante acessível tanto em termos de custos quanto abundância no mercado, foi selecionado um aço 1040 trefilado, por ter propriedades mecânicas desejáveis para este projeto, conforme mostra o Tabela 5.
Tabela 5:Propriedades mecânicas aço 1040 trefilado
t kgf/mm² 21
c kgf/mm² 21
kgf/mm² 12,5
modulo young MPa 200000 fator x (auto bloqueio) 0,99
0,15
Fonte: Hibbeler, 2010.
Com os dados do material e dos carregamentos aplicados, foi possível realizar os
dimensionamentos para os componentes resistirem aos esforços. A Tabela 6 contém os dados
resultantes do dimensionamento dos parafusos, que foram dimensionados para a força máxima
atuante sobre cada um. Esta força, segundo a Tabela 4 é de aproximadamente 3542N. Foi
Utilizado o aço 1040 trefilado. O parafuso foi dimensionado conforme explicado na Seção 2.9
deste trabalho.
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Tabela 6: Dados do dimensionamento dos parafusos
Dados dos parafusos
Quantidade 2
fator de segurança 2
fator de projeto 1,5
carga máxima 3541,636 N
diâmetro raiz torção 9,373 mm diâmetro raiz
compressão 8,104 mm
diâmetro raiz 9,373 mm
diâmetro médio 12,225 mm
Passo 5,703 mm
Avanço 5,703 mm
gama 8,447 graus
n º roscas mínimas 6
tipo de rosca simples
espessura mínima 34,219 mm
Tensão Flexão 21,0890 MPa
Tensão cisalhamento 10,5445 MPa
Fonte: Autoria Própria
Com isso, foi obtido nas Figuras 6 e 7, o desenho do parafuso.
Figura 6: Vista superior do parafuso
Fonte: Autoria Própria
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Figura 7: Vista Frontal do parafuso
Fonte: Autoria Própria
A seguir temos também os dados relacionados ao pino de ligação da estrutura do aparelho, obtidos a partir da força máxima que age sobre as hastes. O carregamento é cisalhante, conforme explicado na Seção 2.7 deste trabalho. A Tabela 7 mostra a dimensão obtida, sendo as dimensões de comprimento mostradas na figura 8, dimensão para efeito de montagem.
Tabela 7: Dados do dimensionamento do pino
Dados do Pino
material aço 1040
cisalhamento Mpa 210
Diâmetro mm 7,1177
Fonte: Autoria Própria
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Figura 8: Desenho de representação do pino
Fonte: Autoria Própria
Foi realizado o dimensionamento das hastes estruturais que suportam o peso do veículo, conforme a Tabela 8. As Figuras 9 e 10 mostram os desenhos das hastes estruturais, lembrado que estas foram dimensionadas conforme a Seção 2.8 do presente trabalho, tendo como esforço a flambagem causada pela força máxima que atua nas hastes, segundo a Tabela 4, que é de aproximadamente 9040N.
Tabela 8: Dados relativos ao dimensionamento das hastes
dados haste
material aço 1040
fator segurança 2
fator projeto 1,5
altura min (m) 0,035
L dist(m) até o pino 0,3
Lcrit (m) 0,302
base (m) 0,02
momento de inercia (𝑚
4) 0,0000000125
altura(m) 0,0091
área transversal (m²) 0,001819
Fonte: autoria própria.
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Figura 9: Vista superior da haste
Fonte:Autoria própria
Figura 10: Vista frontal da haste
Fonte:Autoria própria
Tais resultados podem ser comprovados por meio de simulações de esforços estáticos no
SolidWorks versão estudantil, uma vez que foram feitos os desenhos para esta finalidade. A
seguir, teremos o desenho esquemático representando como deve ficar a montagem do
equipamento na Figura 11.
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Figura 11:Montagem do equipamento
Fonte:Autoria própria
As simulações foram realizadas com base no critério de falha de Von Mises, comparando os esforços internos sofridos em virtude das cargas estimadas com os valores de tensão de escoamento do material.
Cada componente foi simulado separadamente em regime de simulação estática e por conta da variedade de esforços que atuam sobre as partes da máquina, buscando manter as tensões abaixo do limite de escoamento.
Para o caso das hastes, foi feita a simulação dos esforços considerando a força de 9040N
atuando sobre uma das extremidades em sentido de flambagem, ao passo que a face interna da
outra extremidade seria fixa para impedir o movimento. O que gerou os resultados das Figuras
12 e 13, onde vemos a Figura 12 com os resultados para tensões em Pa e a Figura 13 com o
resultado para o quanto a peça deformou, em mm. É importante observar que o material suporta
as solicitações com tensões máximas chegando a 520MPa, onde o material pode alcançar ate
530 Mpa, antes de começar a escoar. Esta tensão garante uma deformidade de menos que
centésimos de milímetro, implicando assim em boa integridade do componente para continuar
a exercer sua função sem deformar plasticamente.
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Figura 12:Simulação dos esforços e tensões sobre a haste
Fonte: Autoria própria
Figura 13: Simulação das deformações sobre a haste
Fonte: Autoria própria
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Na Figura 14, temos uma situação diferente. O pino vai sofrer com forças cisalhantes que fazem o material escoar. Apesar do critério de dimensionamento inicial apontar que o material é capaz de absorver o esforço sem problema, pela natureza cisalhante da força, as tensões de Von Mises se elevam a um patamar que aponta para a possibilidade do pino vir a falhar em serviço. Esta possibilidade leva para uma reedição do pino, aumentando o grau de complexidade e as considerações de projeto que o mesmo precisa para responder às demandas mecânicas de forma adequada.
Figura 14: Simulação de esforços sobre o pino de ligação das hastes
Fonte: Autoria própria
As Figuras 15 e 16 apontam os resultados para a simulação dos esforços de torção
originados do acionamento para que o parafuso possa erguer a carga, e o esforços de
compressão que a carga exerce sobre o parafuso durante o acionamento, bem como o torque de
acionamento de 21,7N.m, obtido a partir do produto entre a força máxima atuante no parafuso
e a metade do diâmetro médio do mesmo. As tensões que resultaram ficaram abaixo de 250
Mpa e as deformações do parafuso ficaram na ordem de 9 centésimos de milímetro, atestando
que o parafuso de potência não sofrerá deformações plásticas, atestando que o parafuso não virá
a falhar durante as solicitações mecânicas por conta do funcionamento do equipamento.
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Figura 15: Simulação de esforços sobre o parafuso de potência
Fonte: Autoria própria
Figura 16: Simulação de deformações sobre o parafuso de potência
Fonte: Autoria própria
