CENTRO UNIVERSITÁRIO DINÂMICA DAS CATARATAS Mecanismos de Máquinas

Apresentação em tema: "CENTRO UNIVERSITÁRIO DINÂMICA DAS CATARATAS Mecanismos de Máquinas"— Transcrição da apresentação:

1 CENTRO UNIVERSITÁRIO DINÂMICA DAS CATARATAS Mecanismos de Máquinas
MISSÃO: FORMAR PROFISSIONAIS CAPACITADOS, SOCIALMENTE RESPONSÁVEIS E APTOS A PROMOVEREM AS TRANSFORMAÇÕES FUTURAS Mecanismos de Máquinas Prof. Dr. Ricardo Menon 5º Período de Engenharia Mecânica

2 Noções Básicas Nos mecanismos, os componentes que transmitem forças ou movimentos são denominados ligações ou pinos, e para que o movimento seja transmitido os elementos devem ser ligados entre si. O conjunto dos elementos que estabelece o contato entre as diversas barras de um mecanismo é chamado junta cinemática ou par cinemático. A composição de peças (barras, conexões) ligadas entre si constitui uma cadeia cinemática, a qual transformasse em mecanismo quando uma das peças se torna base (peça fixa).

3 Noções Básicas Considere o mecanismo biela-manivela com corrediça, o qual é constituído por quatro elementos: O bloco ou estrutura fixa ou peça (1), que é o corpo ao qual o mecanismo está rigidamente ligado; A manivela (2), peça que imprime movimento ao mecanismo; A biela (3), peça de ligação ou acoplador; E a corrediça (4). Essas peças estão unidas por três juntas de rotação (R12, R23, R34), e uma junta de translação (T14).

4 Noções Básicas As ligações ou barras podem ser binárias, ternárias, quaternárias, etc., conforme possuam dois, três ou quatro elementos de junta, ex: Quando os diversos componentes de um mecanismo partem de uma posição, descrevem um determinado movimento e retornam à posição inicial para, deste modo, recomeçarem a mesma trajetória, diz-se que o mecanismo completou um ciclo.

5 Noções Básicas Rotação: Quando todas as partículas do corpo (peça) traçam trajetórias em torno de um eixo, passando pelo corpo, chamado eixo de rotação. Translação: Quando todas as partículas do corpo (peça) apresentam uma única trajetória, podendo ser retilínea ou curvilínea. Composto: Quando o corpo apresenta ambos os movimentos.

6 Juntas Cinemáticas Em um mecanismo, para que o movimento seja transmitido, é necessário que as barras estejam ligadas entre si por juntas ou pares cinemáticos. Cada tipo de junta tem suas próprias características, as quais determinam o tipo de movimento existente entre os corpos. Pelo critério de Reuleaux, baseado no tipo de contato entre dois elementos, elas podem agrupar-se em duas classes: juntas superiores e juntas inferiores.

7 Juntas Cinemáticas Nas juntas superiores o contato é pontual ou linear, como por exemplo o contato entre os dentes de um par de engrenagens, entre duas rodas de atrito, entre o rolamento de agulha e a pista do rolamento, entre o came e o seguidor, etc. Nesses tipos de juntas as superfícies estão sujeitas a tratamento térmico ou de superfície. Nas juntas inferiores o contato é uma superfície, e as comumente utilizadas são as juntas cinemáticas de rotação (pino ligando duas barras nas quais as posições angulares variam), e as de translação (cursor em translação- movimento de escorregamento), podendo ser citadas também as juntas esféricas ou globular (homocinética), helicoidal ou parafuso, etc.

8 Juntas Cinemáticas Os termos superiores e inferiores derivam-se do fato de que as juntas superiores são de fabricação e constituição de material mais complexas, portanto, mais nobres, superiores. Ao passo que as juntas inferiores são mais fáceis de se obterem, menos nobres, e por isso, inferiores.

9 Graus de Liberdade ou Mobilidade
De uma maneira geral, graus de liberdade (GDL) são representados pelo número de coordenadas independentes, necessárias para especificar a posição de um corpo ou sistema mecânico no plano ou no espaço. Pode ser definido também como o número de movimentos de acionamento que um determinado mecanismo necessita, para que a localização de suas peças seja completamente conhecida em relação a um referencial pré-definido.

10 Graus de Liberdade ou Mobilidade
O número de graus de liberdades, de uma maneira geral, para um mecanismo fechado, pode ser determinado pelo critério de Grubler, onde: GDL = 3(n – 1) – H – 2L n = número de peças; H = número de juntas superiores; L = número de juntas inferiores.

11 Graus de Liberdade ou Mobilidade
Revoluta – movimento de rotação: 2 barras descrevem movimento de rotação em torno de um pino, L = 1. Prismático – movimento de translação , L = 1

12 Graus de Liberdade ou Mobilidade
Mecanismo de 4 barras, 4 peças, todas binárias - 2 peças descrevem um ângulo de rotação em torno de cada articulação (pino). Mecanismo biela manivela, 4 peças.

13 Graus de Liberdade ou Mobilidade
Mecanismo de retorno rápido, 6 peças. Mecanismo de retorno rápido – plaina limadora, 6 peças.

14 Graus de Liberdade ou Mobilidade
De uma maneira geral, temos: Se GDL > 0: o sistema é um mecanismo com GDL graus de liberdade; Se GDL = 0: o sistema é uma estrutura estaticamente determinada; Se GDL < 0, o sistema é uma estrutura estaticamente indeterminada.

15 Graus de Liberdade ou Mobilidade
Estrutura isostática Estrutura Hiperestática

16 Inversão Cinemática A inversão de um mecanismo não altera o movimento relativo entre as barras, mas modifica o movimento absoluto de cada barra relativamente a um referencial fixo. Fixando-se as peças diferentes em sequência, ou seja, invertendo a base, pode-se criar uma variedade de mecanismos com diferentes características de transmissão. A técnica é útil para o desenvolvimento de mecanismos novos ou solução de problemas da síntese e análise cinemática. Pelo fato do mecanismo de quatro barras possuir quatro elementos, significa que há três inversões possíveis, correspondentes à fixação das barras 2, 3 e 4.

17 Inversão Cinemática

18 Mecanismos Elementares
Um critério de classificação dos mecanismos é o que tem como base o tipo de transformação do movimento entre os órgãos motor e movido. Os mecanismos podem transformar movimento de: Rotação em rotação: como um par de engrenagens (motora e movida), a polia motora – correia – polia movida, mecanismo de 4 barras (manivela – balancim), etc. Rotação em translação: como em manivela – corrediça, came – seguidor, morsa (parafuso - garra), etc. Translação em translação: como em peças deslizantes ligadas por uma barra, came de translação (perfil inclinado deslizante) e seguidor, etc.

19 Mecanismos Elementares
Em muitas aplicações práticas, um único mecanismo pode não permitir a realização do efeito cinemático desejado, neste caso, procura-se combinar os mecanismos de movimento periódico entre si em composições. O mecanismo de quatro barras é o mais comum e o mais simples dos mecanismos articulados, sendo que os demais mecanismos podem ser obtidos a partir dele. Sua principal característica reside no fato de que apresenta diferentes relações geométricas entre as barras, e diferentes relações entre o tipo de movimento de entrada e saída. É constituído por quatro barras ou peças, sendo uma fixa (barra 1), uma motora (barra 2), uma intermediária (barra 3) e uma movida (barra 4).

20 Mecanismos de Quatro Barras
A barra 1 – fixa, é a estrutura que suporta o mecanismo. A barra 2 denomina-se manivela pois é a barra que imprime movimento ao mecanismo, e tem movimento de rotação em um sentido. A barra 3 denomina-se acoplador pois é a peça que acopla a manivela às demais peças do mecanismo, apresentando movimentos de translação e rotação nos dois sentidos. A peça 4 denomina-se oscilador ou barra oscilante quando descreve movimento de rotação nos dois sentidos e, obviamente sem translação, pois está articulada à estrutura fixa.

21 Mecanismos de Quatro Barras
Em projetos de mecanismos busca-se a simplicidade. A menor quantidade de peças que podem realizar um trabalho geralmente fornece a solução mais barata e confiável, e o mecanismo de quatro barras deve estar entre as primeiras soluções propostas. Em geral, a manivela é acionada por um motor com movimento contínuo em um único sentido, descrevendo um ângulo de 360° em torno de um eixo passando pela articulação com a peça 1.

22 Regra de Grashof Para que o movimento se complete e não haja travamento, a chamada regra de Grashof de aplica: “Para mecanismos de quatro barras que descrevem movimento plano, se a soma dos comprimentos das barras mais curta e mais comprida for inferior ou igual à soma dos comprimentos das duas barras restantes, então a barra mais curta pode rodar continuamente” S + L  P +Q S é o comprimento da barra menor, L é o comprimento da barra maior, P e Q são os comprimentos das barras remanescentes. Os mecanismos que obedecem a essa relação são chamados de Mecanismos de Grashof, e os que não obedecem são chamados de Mecanismos de não-Grashof.

23 Regra de Grashof Quando uma barra realiza uma rotação completa o mecanismo atende à condição de Grashof, e a cadeia cinemática é chamada de Classe I. S + L < P + Q. Quando nenhuma barra é capaz de girar totalmente em torno de um pino ou articulação ou junta a equação acima não se aplica, e o mecanismo é chamado de não-Grashof, e a cadeia cinemática é chamada de Classe II. S + L > P + Q. Quando a equação acima se iguala o mecanismo é chamado caso especial de Grashof ou de Classe III, e as configurações são chamadas de dupla manivela S + L = P + Q.

24 Regra de Grashof

25 Regra de Grashof

26 Regra de Grashof

27 Fase de Ponto Morto No mecanismo de quatro barras é possível, dada sua configuração, que duas de suas barras estejam alinhadas uma com a outra, como indica a figura abaixo: Quando isso ocorre, a velocidade angular da barra 4 (ω4) passa por zero e, se for aplicado um momento na barra 4, (BO4), a barra 2 (AO2), estará submetida somente a tração. ou compressão de forma que ela não sofrerá qualquer movimento. Nesta situação o mecanismo estará na posição chamada de ponto morto. As fases de ponto morto devem ser evitadas a fim de minimizar esforços nas barras e nas juntas.

28 Índice de Mérito

29 Vantagem Mecânica A vantagem mecânica está relacionada com o chamado ângulo de transmissão, o qual é medido entre a barra intermediária (3) e a barra movida (4). Esses conceitos serão aplicados no tópico Análise Estática em Mecanismos Articulados, porém, algebricamente, podemos determiná-lo.

30 Vantagem Mecânica No mecanismo de 4 barras abaixo, o ângulo  é o chamado ângulo de transmissão e, aplicando a lei dos cossenos para os triângulos ABD e BCD, teremos:

31 Vantagem Mecânica O ângulo de transmissão () deve estar no intervalo aproximado entre 40° ou 50° e 140° pois, dado que fora deste intervalo as barras intermediárias (3) e movida (4) podem ficar alinhadas, coincidentes entre si, tornando o ângulo  igual a zero, e o mecanismo se travaria ou emperraria. Além do mais, será possível provar que quando  = 90°, para um dado conjugado resistente (T4), aplicado na barra 4, a força exercida na barra intermediária (3) será mínima tornando esse ângulo a de melhor vantagem mecânica.

32 Vantagem Mecânica Quando é aplicado um torque T2, e mesmo antes de qualquer movimento ocorrer, surgirá uma força colinear estática F34 aplicada pela barra 3 à barra 4 no ponto B. As componentes de F34 podem ser decompostas nas componentes radial (Fr34) e tangencial (Ft34), decompostas paralela e tangencialmente.

33 Vantagem Mecânica O ideal seria que toda a força F34 produzisse o torque de saída T4, porém, somente a força tangencial gera esse torque. A força radial Fr34 fornece somente tração ou compressão na barra 4, contribuindo com o atrito na junta B; por esta razão, o valor ideal para o ângulo de transmissão () é 90°. Quando o ângulo for menor que 45°, a componente radial é maior que a componente tangencial como pode ser verificado trigonometricamente, o que reduz significativamente a vantagem mecânica. Dado que o mecanismo se movimenta, o ângulo de transmissão é variável e por essa razão, o ângulo de transmissão mínimo para uma boa condição de projeto deve ser maior que 40°.