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0 Site para consultas técnicas COMO CALCULAR A POTÊNCIA DO MOTOR E SELECIONAR O REDUTOR NO ACIONAMENTO DE MAQUINAS E EQUIPAMENTOS 𝑇 = 4000𝑘𝑔𝑓 ∗ 0,44𝑚 = 1760𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑃 = 𝑇 ∗ 𝑟𝑝𝑚 716,2 = 𝐶𝑉 A teoria aplicada à prática no cálculo do torque necessário, da potência do motor e na seleção do redutor para o acionamento de diversos tipos de equipamentos Edição junho 2022 https://sites.google.com/view/calcular-potencia-do-motor/pagina-inicial 1 ORIGEM DESTA APOSTILA A Redutores Transmotécnica Ltda. foi um dos maiores fabricantes de redutores industriais no Brasil. Trabalhei na área de vendas dessa empresa desde 1974 até 2004. O cargo do vendedor técnico de redutores, exige conhecimentos de cálculos da potência requerida do motor para o acionamento de máquinas e equipamentos e, em função desses cálculos, são selecionados os redutores. A procedimento normal é que o cliente informe a potência do motor para o fornecedor selecionar o redutor adequado, entretanto percebi que somente uma pequena parte dos projetistas calcula corretamente a potência efetiva necessária para o acionamento dos seus equipamentos. Os redutores da Transmotécnica possuíam boa qualidade e desempenho mesmo quando solicitados acima da capacidade nominal, uma evidência de que trabalhavam com folga na capacidade de transmitir a potência ou na segunda hipótese, o motor da máquina estava dimensionado acima da necessidade real demandada para o acionamento o que é muito comum ainda nos dias de hoje. Citando um exemplo real de uma empresa fabricante de pequenos transportadores. O cliente havia selecionado um motor de 2,0CV no acionamento de um determinado modelo e concluiu que o conjunto redutor e motor estavam acima do custo. Fizemos alguns cálculos da potência necessária para o acionamento considerando os esforços e rotações que a máquina demandava, concluindo que 0,6 CV seriam suficientes. Colocamos então um motor de 0,75CV com o tipo de redutor adequado para essa potência e durante os testes funcionou perfeitamente bem mesmo com carga acima da requerida. Outra empresa, fabricante de máquinas destinadas a indústria alimentícia, comprava rotineiramente de nosso concorrente um redutor para motor de 40CV para acionamento de um misturador de massas. Após nossos cálculos, concluímos que um motor com potência de 25CV seria o suficiente para o acionamento. Selecionamos um redutor com a mesma redução, porém com capacidade nominal equivalente a pouco mais de 27CV. Após a entrega e montagem no misturador, ainda acionado por motor 40CV por exigência do cliente, teve sua performance aprovada nos primeiros testes realizados com carga. Após 5 anos, esse mesmo redutor identificado pela plaqueta nele fixada, foi enviado por um fabricante de biscoitos de Guarulhos à nossa fábrica para conserto. Retirada uma das tampas constatamos surpresos que estava com muitos quilos de farinha misturada ao óleo de lubrificação. A farinha deve ter entrado aos poucos pelo respiro ao longo de seu funcionamento. A falta de conhecimento técnico induz muitos técnicos e engenheiros a super dimensionar a potência do motor nos seus equipamentos no sentido de evitar falhas, porém onera em demasia os custos com maior estrutura e robustez desnecessária, além dos gastos adicionais com energia pelo usuário Durante esses 30 anos de vida profissional calculando a potência necessária para acionamentos de diversos tipos de equipamentos, adquiri muito conhecimento nessa área e resolvi produzir esse trabalho contendo todos os cálculos necessários para definição de potência em acionamentos industriais podendo atender projetistas, engenheiros, técnicos, além de vendedores técnicos de motores, redutores, acoplamentos e outros que envolvam acionamentos industriais Esta obra é fruto de pesquisas que foram compiladas de diversas publicações técnicas ao longo de muitos anos, sempre com foco nos cálculos da potência mais próxima possível da necessária para o acionamento de uma máquina ou equipamento qualquer. 2 PARTE I – EQUIPAMENTOS MECÂNICOS Pag PARTE II – AGITADORES E MISTURADORES Pag Alavancas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coeficiente de atrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - atrito de deslizamento .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - ângulo de atrito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - atrito de rolamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - braço de alavanca resistente ao rolamento Conversão de unidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energia cinética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energia cinética rotacional .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Equivalência Newton/kgf. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forças – Noções. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - força de atrito.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - força de aceleração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - forças atuantes no plano inclinado. . . . . . . . . . . . . Momento de torção – Torque - Noções. . . . . . . . . . - momento de aceleração e frenagem . . . . . . . . . . - momento de inércia de massa . . . . . . . . . . . . . . . . Potência – Noções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polias e roldanas – multiplicação de força . . . . . . . Velocidade angular e periférica. Radianos/s- rpm Elementos de transmissão Acoplamentos elásticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrente de rolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polias e correias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redutores e engrenagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teste da potência motora instalada . . . . . . . . . . . . Equipamentos – Métodos de cálculo Calandra piramidal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carro de transporte de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . Correia transportadora sobre roletes . . . . . . . . . . . Correia transportadora sobre chapa metálica . . . . Elevador de canecas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elevador de carga e guincho de obra . . . . . . . . . . . . Foulard – Cilindro sobre pressão . . . . . . . . . . . . . . Fuso com rosca trapezoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Girador de tubos - dispositivo de soldagem . . . . . . Guincho de arraste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Guincho giratório. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laminador (de chapas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mesa pantográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peneira rotativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plataforma giratória . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ponte rolante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rosca transportadora – Transp. helicoidal . . . . . . . Tombador e virador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transportador apoiado em corrente . . . . . . . . . . . . 19 03 03 04 04 05 18 11 12 03 03 03 07 06 08 09 10 13 19 18 20 25 23 35 40 93 57 43 46 81 68 83 64 90 60 78 85 101 106 102 74 52 96 50 Teoria básica da mecânica dos fluídos . . . . . . - coeficiente de viscosidade dos fluídos . . . . . - resistência viscosa – Lei de Stokes. . . . . . . . . - resistência dinâmica – Lei de Newton. . . . . . - viscosidade cinemática. . . . . . . . . . . . . . . . . . - movimento laminar e turbulento. . . . . . . . . . - número de Reynolds. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . Agitadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - cálculo da potência de acionamento. . . . . . . - dimensões do tanque padronizado. . . . . . . . - tabela de viscosidade dos líquidos . . . . . . . . - agitadores tipo pás – tabelas e gráfico do número de potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . - agitadores tipo turbina - tabelas e gráfico do número de potência. . . . . . . . . . . . . . . . . - agitadores tipo âncora - tabelas. . . . . . . . . . - agitadores tipo hélice naval. . . . . . . . . . . . . - disco de Cowles – disco dispersor . . . . . . . . Misturadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -Y, V e duplo cone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Duplo eixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Ribbon Blender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - Seleção de motores e redutores. . . . . . . . . . 110 111 110 113 113 114 114 115 115 115 116 118 128 136 141 142 143 143 144 145 145 3 NOÇÕES DE FORÇA Chama-se força a tudo que é capaz de modificar o movimento ou repouso de um corpo. Qualquer corpo tem massa, popularmente denominada peso, mas nos conceitos da física, peso de um corpo é a força com que a Terra o atrai. A intensidade da força pode ser medida, no sistema técnico, em kgf (kilograma força) ou, no sistema internacional de medidas, em N (Newton). l N é a força necessária para deslocar no espaço um corpo de massa 1 kg acelerando-o a razão de 1m/s². Na superfície de nosso planeta, sobre a ação da força gravitacional de 9,8 m/s², é preciso uma força acima de 9,8 N para elevar um corpo de massa 1 kg. 1 kgf é a força mínima necessária para elevar um corpo de massa 1 kg vencendo a mesma força gravitacional da Terra. Concluindo, 1 kgf equivale a 9,8N. Na prática costuma-se arredondar para 10 N Exemplo: Para elevar um corpo de massa 5 kg, é necessário aplicar uma força com intensidade superior a 5 kgf ou 49 N, contrária a força da gravidade. Força necessária p/ elevar o corpo = 5kgf ou 49N Força gravitacional da Terra (força peso) = 5 kgf ou 49 N Mas para deslocar um corpo na horizontal, que esteja apoiado sobre uma superfície horizontal, não é necessário aplicar uma força igual a massa do corpo. A força necessária para arrastar um armário é muito menor que a força para levantar o mesmo. Para deslocar um corpo apoiado sobre um plano horizontal é necessário vencer a FORÇA DE ATRITO gerada pelo atrito entre as superfícies de contato. Esta força tem sentido de direção contrário à força que se faz para se deslocar o corpo e será sempre de menor valor do que seu peso. A força de atrito é o resultado da multiplicação da força peso pelo COEFICIENTE DE ATRITO. Conhecendo a força peso exercida pelo corpo e o coeficiente de atrito é possível calcular a força necessária ou requerida para deslocar um corpo na horizontal. 1- COEFICIENTE DE ATRITO DE ESCORREGAMENTO OU DESLIZAMENTO. Citando como exemplo, é o atrito gerado entre os pés de uma mesa e o assoalho quando você arrasta esse móvel ou outro qualquer. Exemplo: Força necessária para deslocar um armário com pés de madeira com massa m= 200 kg sobre um assoalho de madeira sabendo-se que o coeficiente de atrito de deslizamento entre madeira e madeira é 0,4. Sistema técnico: 𝐹𝑛 = 200𝑘𝑔𝑓 ∗ 0,4 = 80𝑘𝑔𝑓 Sistema internacional: 𝐹𝑛 = 200𝑘𝑔 ∗ 9,8𝑚 𝑠2⁄ ∗ 0,4 = 200𝑁 ∗ 0,4 = 784𝑁 m 5kg 4 O coeficiente de atrito depende do material e do acabamento das partes em contato, mas não depende da área de contato. Os valores mais utilizados são encontrados aqui http://www.cfq9.yolasite.com/resources/08_lei_acao_reacao_forcas_atrito.pdf Coeficiente de atrito estático ÂNGULO DE ATRITO Como conhecer na prática o coeficiente de atrito estático entre dois materiais: Utilizar uma placa plana feita com um dos materiais a serem testados. Para a outra peça, um bloco de formato cúbico com um dos lados bem plano o qual servirá de base. Poderá ser um pedaço de madeira qualquer com um dos materiais de teste colado na base. Iniciar o teste inclinando a rampa suavemente a partir de 0° até atingir a inclinação onde o corpo principia a deslizar lentamente pela rampa. Nesse exato momento medir o ângulo de inclinação , denominado ângulo de atrito ou, conhecendo a base B da rampa e a altura A, calcular o coeficiente de atrito pela fórmula: 𝜇 = tang𝜃 = 𝐴 𝐵 Na figura ao lado, um exemplo da determinação do coeficiente de atrito estático entre aço e bronze 𝜇 = tang𝜃 = tang10° = 0,1762 ou 𝜇 = 𝐴 𝐵 = 0,1735 0,9848 = 0,1762 http://www.cfq9.yolasite.com/resources/08_lei_acao_reacao_forcas_atrito.pdf 5 2- COEFICIENTE DE ATRITO DE ROLAMENTO - BRAÇO DE ALAVANCA DA RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO Coulomb, em ensaios de laboratório, fez experimentos para determinar os valores dos atritos de rolamento e verificou que esse atrito está em razão direta do peso e em razão inversa do diâmetro da roda ou esfera. Para melhor entender o atrito de rolamento, observe as figuras a seguir: As figuras representam uma roda de aço apoiada sobre uma superfície plana e de material mais mole onde, devido à força peso P e em função da deformação dos materiais, há um aumento da área de contato. Com a roda parada (fig. 1), f é a metade do valor do contato (atrito estático). Quando a roda entra em movimento (fig.2 e 3), f diminui de valor (atrito cinético). Na figura 2, o raio da roda R é a mesma distância de P até a aplicação da força F e também uma alavanca onde a dimensão f, é o braço de alavanca da resistência ao rolamento. A força F com apoio em N, eleva e movimenta P e, para fazer a roda girar, seu valor deverá ser: 𝐹 ≥ 𝑃 ∗ 𝑓 𝑅 conforme figura 2 ou ainda 𝐹 = 𝑃 ∗ 𝑡𝑔𝛽 conforme figura 4 O valor de f depende muito das rugosidades das superfícies e dos tipos de materiais em contato. Força de atrito nos mancais de rolamentos. Cálculo da força resistente ao movimento 𝒇𝟐 ≤ 𝒇𝟏 𝒇𝟐 ; 𝒇𝟏 ≅ f (𝒓) 𝑭𝟏 = 𝑷 ∗ 𝒇𝟏 𝒓 𝑭𝟐 = 𝑷 ∗ 𝒇𝟐 𝒓 𝑓1 ; 𝑓2 = braço de alavanca de resistência ao rolamento. 𝐹 = 𝑃 ∗ ( 𝑓1 + 𝑓2 𝑟 ) = 𝑃 ∗ 𝑡𝑔𝛽 Na prática, a fração f/r pode ser substituída pelo coeficiente de atrito para mancais de rolamento representado pela letra grega 𝜇𝑟, cujo valor adimensional utilizado normalmente é 0,005. ( 𝑓1 + 𝑓2 𝑟 ) ≅ 𝜇𝑟 𝜇𝑟 = coeficiente de atrito de rolamento. Então 𝐹 = 𝑃 ∗ 𝜇𝑟 Exemplo com cálculo no sistema técnico: 6 Calcular as forças de atrito geradas pelo movimento de um automóvel com massa 1000kg com rodas diâmetro 560mm e eixo mancal com rolamentos Considerar f = 4mm para pneus deslocando sobre asfalto em bom estado. - Calculando, a força de atrito de rolamento dos pneus com o solo. 𝐹𝑎𝑡1 = 𝑃 ∗ 𝑓 𝐷 2 = 𝑃 ∗ 𝑓 ∗ 2 𝐷 = 1000𝑘𝑔𝑓 ∗ 4𝑚𝑚 ∗ 2 560𝑚𝑚 = 14,3𝑘𝑔𝑓 - Cálculo da força de atrito gerada pelos mancais de rolamentos entre o eixo e a roda. 𝐹𝑎𝑡2 = 𝑃 ∗ 𝜇𝑟 = 1000𝑘𝑔𝑓 ∗ 0,005 = 5𝑘𝑔𝑓 A força tangencial necessária ou requerida Ft para fazer a roda girar e a força de tração necessária Fn para puxar o carro por um cabo preso ao seu eixo, deve ser levemente maior do que a soma das duas forças de atrito. 𝐹 = 𝐹𝑡 = 𝐹𝑛 = 𝐹𝑎𝑡1 + 𝐹𝑎𝑡2 = 14,3𝑘𝑔𝑓 + 5𝑘𝑔𝑓 = 19,3𝑘𝑔𝑓 Valores do coeficiente de atritode rolamento Coeficiente de atrito de rolamento Sem unidade Carros sobre vias asfaltadas 0,010 a 0,015 Pneus de caminhão 0,006 a 0,01 Vagões 0,002 a 0,005 FORÇA RADIAL, FORÇA AXIAL e FORÇA TANGENCIAL DESLOCANDO UM CORPO EM UM PLANO INCLINADO Quando for necessário deslocar um corpo num plano inclinado, outro fator deverá ser considerado, ou seja, o ângulo de inclinação ou a altura A em relação ao comprimento C. 7 A figura acima representa um corpo de peso P em um plano inclinado onde a componente “a” é uma força resultante de a = 𝑃 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛼 que tende a puxar o corpo rampa abaixo. Quanto maior a inclinação, ou seja, sen aproximando-se de 1, maior será o valor dessa força. A componente “b”, (resultado de 𝑃 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼) multiplicada pelo coeficiente de atrito entre os materiais do corpo e da rampa, gera uma força de atrito Fat, resistente ao movimento para cima. Essa força tende a ser menor quanto maior for a inclinação (cos tendendo a 0). Para o corpo subir a rampa, o valor da força Fn deverá ser maior do que a soma destas duas forças. Concluindo: 𝐹𝑛 ≥ 𝑃 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛼 + 𝑃 ∗ 𝑐𝑜𝑠 𝛼 ∗ 𝜇 ou 𝐹𝑛 ≥ 𝑃 ∗ 𝐴 𝐶 + 𝑃 ∗ 𝐵 𝐶 ∗ 𝜇 Fn = força de tração necessária ou requerida para fazer o corpo subir a rampa P = força peso exercida pelo corpo = ângulo de inclinação = coeficiente de atrito 𝑠𝑒𝑛𝛼 = 𝐴 𝐶 𝑐𝑜𝑠 𝛼 = 𝐵 𝐶 𝐶 = √𝐵 2 + 𝐴2 FORÇA DE ACELERAÇÃO Quando for necessário deslocar grandes massas partindo do repouso para alta velocidade em tempo muito curto, há necessidade de se considerar a FORÇA DE ACELERAÇÃO que em muitos casos é maior do que a força de atrito. Exemplo: Translação de pontes rolantes, correias transportadoras de minério, vagões, locomotivas e similares. No sistema técnico, o cálculo da força de aceleração causa confusão porque G é a força peso, ou seja, a massa submetida à força da gravidade. No cálculo da força de aceleração, a força da gravidade deixa de ser importante e, na fórmula, é preciso elimina-la dividindo por 9,8m/s² No sistema técnico 𝐹𝑎 = 𝐺(𝑘𝑔𝑓) ∗ 𝛼(𝑚/𝑠²) 9,8𝑚/𝑠² = 𝑘𝑔𝑓 No sistema internacional 𝐹𝑎 = 𝑚(𝑘𝑔) ∗ 𝛼(𝑚/𝑠²) = 𝑁 aceleração em m/s² 𝛼 = 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑚 𝑠⁄ ) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 (𝑠) m = massa G = força peso Simplificando a fórmula, considerando a variação da velocidade partindo do repouso até a velocidade de trabalho. 𝐹𝑎 = 𝐺 9,8 ∗ 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐. 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 (𝑚 𝑠⁄ ) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 (𝑠) = 𝑘𝑔𝑓 ou 8 𝐹𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ∗ 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐. 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 (𝑚 𝑠⁄ ) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 (𝑠) = 𝑁 Exemplo: Calcule a força de aceleração necessária para acelerar uma ponte rolante com massa 30000kg do repouso até a velocidade de trabalho 0,666 m/s com tempo de aceleração de 4 s. 𝐹𝑎 = 30000 9,81 ∗ 0,666 4 = 509𝑘𝑔𝑓 𝐹𝑎 = 30000 ∗ 0,666 4 = 4995𝑁 NOÇÕES DE TORQUE Quando uma força atua sobre um corpo e a direção dessa força não passa pelo ponto de apoio do corpo ela irá produzir um giro do mesmo. Ao produto da intensidade da força pela distância de atuação da mesma até o ponto de apoio dá-se o nome de TORQUE, MOMENTO DE TORÇÃO, MOMENTO TORÇOR ou ainda CONJUGADO. Quando você aplica uma força no arco do volante do seu carro você está aplicando um MOMENTO DE TORÇÃO ou TORQUE sobre o sistema de direção do mesmo. A força tangencial exercida pelo seu braço na periferia do volante multiplicada pelo raio (diâmetro do volante dividido por 2) resultará no valor desse torque ou momento de torção. Para o momento de torção normalmente são usadas as unidades de medida Nm (para força em N e raio em m) e kgfm (para força em kgf e raio em m) Outro exemplo para entender o que é torque ou momento de torção é o pedal da bicicleta: Quando você põe o peso do seu corpo sobre o pedal, você está aplicando torque ou momento de torção sobre o conjunto pedal-pedivela. No sistema técnico, a força peso G exercida pelo seu corpo sobre o pedal e multiplicada pelo comprimento do pedivela R (na posição da foto), lhe dará o valor desse momento de torção. Exemplo: G = força peso do ciclista: 60 kgf R = comprimento do pedivela: 0,20 m M = 60kgf x 0,20m = 12 kgfm Aos momentos acima nós poderemos chamar de MOMENTO DE TORÇÃO FORNECIDO 9 Nos catálogos de motores esse momento é chamado de CONJUGADO NOMINAL (em kgfm) Nas tabelas técnicas dos catálogos de redutores e acoplamentos elásticos, você verá o torque ou momento de torção indicado para o eixo de saída. Este é o torque que o redutor e o acoplamento foram calculados para suportar (porém inclui alguns fatores de segurança sobre esse torque) e ao qual chamamos de MOMENTO DE TORÇÃO NOMINAL ou TORQUE NOMINAL. Em alguns catálogos de redutores você verá o torque no eixo de saída expresso em daNm (10 ∗ 𝑁𝑚). Isto facilita a leitura do catálogo porque na prática 1daNm é igual a 1kgfm (em valor mais exato, 1daNm é igual a 1,02 kgfm). Em outros catálogos o torque está em kgfm ou Nm. A finalidade de um conjunto motor redutor é fornecer um momento de torção a uma determinada rotação no eixo de saída, momento esse necessário para o acionamento de uma máquina ou equipamento qualquer. O motor fornecerá o torque ou conjugado a uma alta rotação e o redutor multiplicará esse torque na mesma proporção (deduzido o rendimento) em que reduz a rotação. Para calcular um momento de torção fornecido no eixo de saída de um redutor acionado por um motor devem-se utilizar as fórmulas seguintes: -Para calcular o momento em kgfm a potência do motor deverá estar em CV e a fórmula será: 𝑀2 = 716,2 ∗ 𝑃 ∗ 𝜂 𝑛 = 𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀2– Momento de torção no eixo de saída em kgfm n – Rotação por minuto no eixo de saída do redutor P – Potência do motor em CV – Rendimento do redutor - Para calcular o torque em Nm, a potência do motor deverá estar em kW e a fórmula será: 𝑀2 = 9550 ∗ 𝑃 ∗ 𝜂 𝑛 = 𝑁𝑚 𝑀2 – Momento de torção no eixo de saída em Nm n – Rotação por minuto no eixo de saída do redutor P – Potência do motor em kW 𝜂 - Rendimento do redutor Quando calcular um acoplamento para o eixo de saída de um redutor também deverá levar em conta as fórmulas acima além dos fatores de serviço indicados pelo fabricante. MOMENTO DE TORÇÃO RESISTENTE AO MOVIMENTO. Esse é o momento gerado pelas massas a serem deslocadas e pelos atritos internos entre as peças quando uma máquina se encontra em movimento. Seguindo o exemplo do volante do carro: O atrito do pneu com o solo, gera um momento de torção resistente quando você tenta girar o volante. Então, para que você possa efetivamente mudar a direção do veículo, precisa gerar no eixo do volante um momento de torção maior do que o momento resistente gerado pelo atrito entre os pneus e o solo. Ou seja: Para que a máquina funcione é necessário que o MOMENTO DE TORÇÃO FORNECIDO seja maior do que o MOMENTO DE TORÇÃO RESISTENTE. MOMENTO DE ACELERAÇÃO e MOMENTO DE DESACELERAÇÃO ou FRENAGEM é muito importante quando a finalidade é acelerar ou frear cilindros e discos com grande massa de inércia e em tempo muito curto. Em inúmeros casos é maior do que o momento necessário para vencer as forças de atrito nas partes internas dos equipamentos.As fórmulas seguintes são utilizadas para calcular o momento de aceleração e frenagem de mesas giratórias, cilindros pesados, fornos rotativos e outros equipamentos girantes de alta massa de inércia. 10 - Cilindros ou discos maciços Exemplo.: Mesa giratória e eixos maciços Sistema técnico Sistema internacional 𝑀𝑎 = 𝑀𝑓 = 𝐺 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑2 4 ⋅ 9,81 ∗ 19,1 ∗ 𝑡 = 𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀𝑎 = 𝑀𝑓 = 𝑚 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑2 4 ∗ 19,1 ∗ 𝑡 = 𝑁𝑚2/𝑠2 - Anéis (aros), tubos e cilindros ocos. Exemplo: Cilindros rotativos e secadores 𝑀𝑎 = 𝑀𝑓 = 𝐺 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑2 2 ∗ 9,81 ∗ 19,1 ∗ 𝑡 = 𝑘𝑔𝑓𝑚2/𝑠2 𝑀𝑎 = 𝑀𝑓 = 𝑚 ∗ 𝑛 ∗ 𝑑2 2 ∗ 19,1 ∗ 𝑡 = 𝑁𝑚2/𝑠2 G = força peso - m = massa em kg - n = rotação por minuto - d = diâmetro em m - t = tempo em s Considerações: A constante 19,1 expressa nas duas fórmulas, serve para ajustar as diferentes unidades entre o numerador e o denominador. No numerador rotação por minuto e no denominador o tempo de aceleração ou frenagem em segundos. Nas fórmulas do sistema técnico, o valor de 9,8m/s², é utilizado para eliminar a força gravitacional já embutida na força peso (𝐺 = 𝑚 ∗ 9,8𝑚/𝑠²) Sistema em equilíbrio → 𝐺 ∗ 𝑟 = 𝐺1 ∗ 𝑟1 É possível também calcular o momento de aceleração ou frenagem a partir do momento de inércia de massa. MOMENTO DE INERCIA DE MASSA O momento de inércia, representado pelas letras J ou I, mede a massa de um corpo em torno de seu eixo de rotação e depende da sua geometria. A massa, quanto mais afastada do eixo de rotação, mais aumenta o momento de inércia, motivo pelo qual um disco oco com a mesma massa de um cilindro maciço gera maior momento de inércia por ter raio maior. Sua unidade de medida no sistema internacional é kg.m². Catálogos de acoplamentos elásticos e hidráulicos e, motores elétricos fornecem o momento de inércia de massa. A seguir as fórmulas utilizadas em função da geometria do corpo e em relação ao eixo de giro Anel ou aro 𝐽 = 𝑚 ∗ 𝑟2 = 𝑘𝑔𝑚2 Disco ou cilindro maciço 𝐽 = 𝑚 ∗ 𝑟2 2 = 𝑘𝑔𝑚2 Disco ou cilindro oco 𝐽 = 𝑚 ∗ (𝑅² + 𝑟²) 2 = 𝑘𝑔𝑚2 11 Fórmula para calcular o momento de aceleração ou frenagem desses componentes 𝑀𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑣 ∗ 𝑟 𝑡 = 𝑚 ∗ 𝜋 ∗ 2𝑟 ∗ 𝑛 ∗ 𝑟 60 ∗ 𝑡 = 𝑚 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟2 ∗ 𝑛 30 ∗ 𝑡 = 𝑁𝑚2/𝑠2 Na fórmula acima se, 𝐽 = 𝑚 ∗ 𝑟2 = 𝑘𝑔𝑚2 substituindo 𝑚 ∗ 𝑟2 por 𝐽, teremos 𝑀𝑎 = 𝐽 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛 30 ∗ 𝑡 = 𝑁𝑚2/𝑠2 𝒕 = tempo em s 𝒗 = m/s 𝑛 = rotações por minuto 𝑟 = raio em metros ENERGIA CINÉTICA É a energia que um corpo em movimento possui devido a sua velocidade. 𝐸𝑐 = 𝑚 ∗ 𝑣2 2 = 𝐽 𝑣 = velocidade em m/s m = massa em kg Exemplos 1 - Calcular a energia cinética de uma barra de massa m =10 g no instante em que está com uma velocidade de 700 m/s. Sistema internacional 𝐸𝑐 = 𝑚 ∗ 𝑣2 2 = 0,01𝑘𝑔 ∗ 7002 2 = 2450𝐽 Sistema técnico 𝐸𝑐 = 𝐺 ∗ 𝑣2 𝑔 ∗ 2 = 0,01𝑘𝑔𝑓 ∗ 7002 9,8𝑚 𝑠2 ∗ 2 = 249𝑘𝑔𝑓𝑚2/𝑠2 2 - Calcular a energia cinética de um corpo de massa 5kg que cai em queda livre de uma altura de 10 m. Usar o sistema internacional. Cálculo da velocidade final 𝑣2 = 𝑣0 2 + 2 ∗ 𝑔 ∗ ℎ = 0 + 2 ∗ 9,8𝑚 𝑠2 ∗ 10 𝑣2 = 196 𝑣 = 14𝑚/𝑠 Cálculo da energia cinética 𝐸𝑐 = 𝑚 ∗ 𝑣2 2 = 5 ∗ 142 2 = 490𝐽 𝑣𝑜= velocidade inicial g = força gravitacional ℎ = altura 𝑣 = velocidade final Para explicação da unidade joule J veja a descrição abaixo (fonte: wikipédia) O joule (símbolo: J) é a unidade de energia e trabalho no sistema internacional, e é definida 1𝐽 = 1𝑘𝑔 ∗ 𝑚² 𝑠² O nome da unidade foi escolhido em homenagem ao físico britânico James Prescott Joule. O plural do nome da unidade joule é joules. Um joule compreende a quantidade de energia necessária para se efetivar as seguintes ações: • A aplicação da força de um newton pela distância de um metro. Essa mesma quantidade poderia ser dita como um newton metro. No entanto, e para se evitar confusões, reservamos o newton metro como unidade de medida de binário (ou torque); • O trabalho necessário para se mover a carga elétrica de um coulomb através de uma diferença de potencial de um volt; ou um coulomb volt, representado por C·V; • O trabalho para produzir a energia de um watt continuamente por um segundo; ou um watt segundo (compare quilowatt-hora), com W·s. Assim, um quilowatt-hora corresponde a 3.600.000 joules ou 3,6 megajoules; http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia http://pt.wikipedia.org/wiki/Trabalho http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades http://pt.wikipedia.org/wiki/James_Prescott_Joule http://pt.wikipedia.org/wiki/Newton_(unidade) http://pt.wikipedia.org/wiki/Metro http://pt.wikipedia.org/wiki/Newton_metro http://pt.wikipedia.org/wiki/Bin%C3%A1rio_(f%C3%ADsica) http://pt.wikipedia.org/wiki/Coulomb http://pt.wikipedia.org/wiki/Watt http://pt.wikipedia.org/wiki/Segundo http://pt.wikipedia.org/wiki/Quilowatt-hora 12 • A energia cinética de uma massa de 2 kg movendo-se à velocidade de 1 m/s. A energia é linear quanto à massa, mas quadrática quanto à velocidade, como em E = ½mv²; • A energia potencial de uma massa de 1 kg posta a uma altura de 1 m sobre um ponto de referência, num campo gravitacional de 1 m/s². Como a gravidade terrestre é de 9,81 m/s² ao nível do mar, 1 kg a 1 m acima da superfície da Terra, tem uma energia potencial de 9,8 joules relativa a ela. Ao cair, esta energia potencial gradualmente passará de potencial para cinética, considerando-se a conversão completa no instante em que a massa atingir o ponto de referência. Enquanto a energia cinética é relativa a um modelo inercial, no exemplo o ponto de referência, energia potencial é relativa a uma posição, no caso a superfície da Terra. • Outro exemplo do que é um joule seria o trabalho necessário para levantar uma massa de 98g (uma pequena maçã) na altura de um metro, sob a gravidade terrestre, que também se equivale a um watt por um segundo. ENERGIA CINÉTICA ROTACIONAL DE UM DISCO OU CILINDRO MACIÇO Em um disco ou cilindro sólido é possível calcular o momento de torção máximo gerado pela energia cinética rotacional. É o caso do volante de uma prensa qualquer. 𝑀𝑐 = 𝑚 ∗ 𝑣2 2 ∗ 𝑑 4 = 𝑁𝑚3/𝑠2 𝑣 = velocidade em m/s 𝑣 = 𝜋 ∗ 𝑑 ∗ 𝑛 60 = 𝑚/𝑠 𝑛 = rotações por minuto 𝑑 = diâmetro da peça em m. A divisão do diâmetro da peça por 4 determina o raio médio para o cálculo do centro das massas. Exemplo de aplicação O rotor de um motor, um acoplamento elástico ou hidráulico, pode gerar um torque adicional momentâneo no eixo de entrada de um redutor consequentemente causando sua quebra no caso de dimensionamento inadequado. Isso só ocorrerá se houver um travamento do equipamento acionado. Se conhecermos o momento de inércia e o diâmetro desse componente (o momento de inércia do motor é mencionado no catálogo) poderemos aplicar a fórmula a seguir para o cálculo desse momento 𝑀𝑐 = 𝐽 ∗ 𝜋2 ∗ 𝑛2 ∗ 𝑑 3600 = 𝑁𝑚3/𝑠2 Exemplo: Cálculo do momento de energia cinética rotacional desenvolvido por um motor WEG de 20 CV - 4 polos 1720 rpm cujo momento de inércia 𝐽 = 0,0803kgm² e diâmetro do rotor = 160mm. 𝑀𝑐 = 𝐽 ∗ 𝜋2 ∗ 𝑛2 ∗ 𝑑 3600 = 𝑁𝑚3/𝑠2 = 0,0803 ∗ 𝜋2 ∗ 17202 ∗ 0,16 3600 = 104𝑁𝑚3/𝑠2 Conclusão: No instante do travamento de um equipamento qualquer acionado por esse motor, o mesmo fornecerá um torque instantâneo 130% maior do que em regime normal de funcionamento MOMENTO DE TORÇÃO REQUERIDO: é o momento necessário para acionar um equipamento qualquer. Na partida é a soma do momento resistente por atrito e do momento de aceleração. Na frenagem o momento resistente de atrito será subtraído do momento de frenagem e o momento de aceleração requerido será maior do que o momentode frenagem desde que os tempos de partida e parada sejam iguais. http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa http://pt.wikipedia.org/wiki/Gravidade http://pt.wikipedia.org/wiki/Watt 13 NOÇÕES DE POTÊNCIA POTÊNCIA é o produto da força multiplicado pela velocidade. Se você conhece a força necessária para deslocar um peso e sabe qual a velocidade em m/s é fácil calcular a potência necessária ou requerida de acionamento através da fórmula abaixo: No sistema técnico: 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑣 75 = 𝐶𝑉 F – força em kgf v – velocidade em m/s No sistema internacional, a potência é medida em kW (quilowatts) ou W (watts) 1000 kW = - Para o cálculo usar a força em N (Newton) e as fórmulas são as seguintes: 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑣 = 𝑊 F – força em N 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑣 1000 = 𝑘𝑊 v – velocidade em m/s Comparando: - 1W é a potência necessária para deslocar um corpo de massa 1kg a 1m/s² e, como na superfície do planeta a aceleração da gravidade é 9,8 m/s², há necessidade de 9,8 W para elevar esse corpo a altura de 1 m no tempo de 1 segundo. - 1 CV é a potência necessária para elevar um corpo de massa 75 kg (força peso 75kgf) a altura de 1 m no tempo de 1 segundo. - Na superfície da Terra para elevar um corpo de massa 75 kg à altura de 1 metro no tempo de 1 segundo, é necessário a potência de 75kg x 9,8m/s² = 735 W Concluindo: 1 CV = 735 W 1 CV = 0,735 kW 1kW = 1,36 CV Exemplo de aplicação da fórmula Qual a potência em CV e Watts de uma queda de água de vazão 0,20 m³ por segundo sendo a altura da queda 10 m? No sistema técnico 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑣 75 = 200𝑘𝑔𝑓 ∗ 10𝑚/𝑠 75 = 26,6𝐶𝑉 No sistema internacional 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑣 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑣 = 200𝑘𝑔 ∗ 9,8𝑚 𝑠2 ∗ 10𝑚 = 1960𝑊−→ 19,6𝑘𝑊 14 CÁLCULO DA POTÊNCIA NECESSÁRIA PARA ACIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO EM FUNÇÃO DO MOMENTO ou TORQUE REQUERIDO. Podemos calcular a potência requerida de acionamento de um equipamento, ou seja, a potência do motor que será utilizado, a partir do conhecimento do momento de torção ou torque requerido e da rotação por minuto no seu eixo de acionamento. O rendimento do sistema de transmissão, geralmente um redutor, também deverá ser conhecido. PARA POTÊNCIA EM CV 𝑃 = 𝑀 ∗ 𝑛 716,2 ∗ 𝜂 = 𝐶𝑉 M – Momento de torção requerido em kgfm no eixo de acionamento da máquina. PARA POTÊNCIA EM kW 𝑃 = 𝑀 ∗ 𝑛 9550 ∗ 𝜂 = 𝑘𝑊 M – Momento de torção requerido em Nm no eixo de acionamento da máquina. n – rotação por minuto no eixo de acionamento da máquina. – rendimento do sistema de acionamento (redutor, polias e engrenagens) Exemplo de cálculo com objetivo didático para aplicação das fórmulas referentes as forças de atrito, força de aceleração, torque e potência. Cálculo da potência do motor e seleção do redutor para o movimento de translação de um pórtico acionado por dois motores e redutores (terreno nivelado). Neste caso foi usado um sistema antigo de motorização. Atualmente, a maioria dos equipamentos deste tipo, dispensa o uso de polias, correias e transmissão por corrente. Dados: Massa da carga: 22000 kg Massa da estrutura do pórtico: 6000 kg Velocidade desejada: v =10 m/min Tempo de aceleração do repouso até a velocidade máxima: 6 s Diâmetro da roda (Dr) = 400mm Atrito das rodas com os trilhos: f1 = 0,5mm (braço de alavanca da resistência ao rolamento aço/aço) Diâmetro médio dos rolamentos dos mancais das rodas (dm): 100mm Atrito dos rolamentos dos mancais das rodas: f2 = 0,1mm 15 Diâmetro da polia do motor (dp): 75mm Diâmetro da polia no eixo de entrada do redutor (Dp): 150mm Diâmetro do pinhão no eixo de saída do redutor (de): 80mm Diâmetro da engrenagem no eixo das rodas (De): 240mm Para melhor entendimento das fórmulas de cálculo, vamos calcular isoladamente as forças envolvidas no sistema. Como são dois acionamentos, a massa da carga + estrutura poderia ser dividida por 2 mas há uma particularidade: A carga no pórtico pode estar deslocada para as laterais com a força peso concentrada encima de uma das rodas. Sendo assim, para maior segurança nos cálculos, podemos considerar a força peso da carga toda de um lado e sendo movimentada por um único motor. A massa da estrutura em equilíbrio será dividida por 2. Então a massa sobre as rodas de um único lado será 22000kg + 6000kg / 2 = 25000kg Lembrando que, no sistema técnico, a medida de força peso (G) é a própria massa. No sistema internacional, a força peso (massa x aceleração da gravidade) leva em consideração a força da gravidade do lugar onde se encontra o equipamento e, na superfície do nosso planeta para efeito dos cálculos, o valor da gravidade (g) é 9,8m/s². Para fins didáticos, os cálculos serão efetuados no sistema técnico e sistema internacional. As fórmulas do sistema internacional estarão dentro de um retângulo para facilitar a visualização. Forças resistentes ao movimento contínuo 1 - Força de atrito de rolamento entre as rodas e os trilhos: No caso de roda sobre trilhos, há um atrito de escorregamento entre o flange das rodas e os trilhos. O valor desse atrito depende do bom alinhamento dos trilhos e até mesmo de ventos transversais que podem provocar uma força transversal ao pórtico e as rodas. Então, para compensar, é adicionado na fórmula o coeficiente multiplicador kf referente a esse atrito. Valor de kf - 1,2 para trilhos bem alinhados 1,5 para trilhos mal alinhados e ventos fortes transversais ao movimento. 𝐹𝑎𝑡1 = 𝐺 2 ∗ 𝑓1 ∗ 𝑘𝑓 𝐷𝑟 = 25000𝑘𝑔𝑓 2 ∗ 0,5𝑚𝑚 ∗ 1,2 400𝑚𝑚 = 75𝑘𝑔𝑓 𝐹𝑎𝑡1 = 𝐺 ∗ 𝑔 ∗ 2 ∗ 𝑓1 ∗ 𝑘𝑓 𝐷𝑟 = 25000𝑘𝑔 ∗ 9,8𝑚 𝑠2 ∗ 2 ∗ 0,5𝑚𝑚 ∗ 1,2 400𝑚𝑚 = 735𝑁 2 - Força de atrito referente aos rolamentos dos mancais: 𝐹𝑎𝑡2 = 𝐺 2 ∗ 𝑓2 𝑑𝑚 = 25000𝑘𝑔𝑓 2 ∗ 0,1𝑚𝑚 100 = 50𝑘𝑔𝑓 𝐹𝑎𝑡2 = 𝑚 ∗ 𝑔 2 ∗ 𝑓2 𝑑𝑚 = 25000𝑘𝑔 ∗ 9,8𝑚 𝑠2 ∗ 2 ∗ 0,1𝑚𝑚 100 = 490𝑁 d = diâmetro médio dos rolamentos dos mancais das rodas (mm) Conhecidas as forças, partimos para o cálculo do momento de torção requerido no eixo das rodas: 3 - Momento de torção para vencer a força de atrito entre as rodas e os trilhos 𝑀𝑎𝑡1 = 𝐹𝑎𝑡1 ∗ 𝐷𝑟 2 ∗ 1000 = 75𝑘𝑔𝑓 ∗ 400𝑚𝑚 2000 = 15𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀𝑎𝑡1 = 𝐹𝑎𝑡1 ∗ 𝐷𝑟 2 ∗ 1000 = 735𝑁 ∗ 400𝑚𝑚 2000 = 147𝑁𝑚 16 4 - Momento de torção para vencer a força de atrito nos rolamentos dos mancais de apoio. 𝑀𝑎𝑡2 = 𝐹𝑎𝑡2 ∗ 𝑑𝑚 2 ∗ 1000 = 50𝑘𝑔𝑓 ∗ 100𝑚𝑚 2000 = 2,5𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀𝑎𝑡2 = 𝐹𝑎𝑡2 ∗ 𝑑𝑚 2 ∗ 1000 = 490𝑁 ∗ 100𝑚𝑚 2000 = 25𝑁𝑚 5 – Momento de torção para vencer os atritos de rolamento 𝑀𝑎𝑡 = 𝑀𝑎𝑡1 + 𝑀𝑎𝑡2 = 15𝑘𝑔𝑓𝑚 + 2,5𝑘𝑔𝑓𝑚 = 17,5𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀𝑎𝑡 = 𝑀𝑎𝑡1 + 𝑀𝑎𝑡2 = 147𝑁𝑚 + 25𝑁𝑚 = 172𝑁𝑚 As fórmulas 3, 4 e 5 podem ser substituídas pelas fórmulas a seguir 𝑀𝑎𝑡 = 𝐺 ∗ (𝑓1 ∗ 𝑘𝑓 + 𝑓2) 1000 = 25000𝑘𝑔𝑓(0,5 ∗ 1,2 + 0,1) 1000 = 17,5𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀𝑎𝑡 = 𝐺 ∗ 𝑔 ∗ (𝑓1 ∗ 𝑘𝑓 + 𝑓2) 1000 = 25000𝑘𝑔 ∗ 9,8𝑚 𝑠2 ∗ (0,5 ∗ 1,2 + 0,1) 1000 = 172𝑁𝑚 6 - Maquinas com elevada massa de inércia e baixo coeficiente de atrito, necessitam de torque relativamente alto na partida. Para calcular o momento de aceleração é preciso calcular a força de aceleração. Força de aceleração (velocidade em m/s e tempo de aceleração em s). No sistema técnico, o cálculo da força de aceleração causa confusão porque a força peso é a massa do corpo submetida à força da gravidade (𝐺 = 𝑚 ∗ 𝑔 ) e, como neste caso deixa de ser importante, é preciso eliminar sua influência dividindo por 9,8m/s² 𝐹𝑎 = 𝐺 𝑔 ∗ 𝑣 𝑡𝑎 = 25000𝑘𝑔𝑓 9,8𝑚 𝑠2 ∗ 0,166𝑚 𝑠 6𝑠 = 70,5𝑘𝑔𝑓 𝐹𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑣 𝑡𝑎 = 25000𝑘𝑔 ∗ 0,166𝑚 𝑠 6𝑠 = 691,6𝑁 Momento de aceleração para vencer inércia das massas 𝑀𝑎 = 𝐹𝑎 ∗ 𝐷𝑟(𝑚𝑚) 2 ∗ 1000 = 70,5𝑘𝑔𝑓∗ 400𝑚𝑚 2000 = 14,1𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀𝑎 = 𝐹𝑎 ∗ 𝐷𝑟(𝑚𝑚) 2 ∗ 1000 = 691,6𝑁 ∗ 400𝑚𝑚 2000 = 138,3𝑁𝑚 7 – Momento de torção requerido no eixo das rodas. Somando os momentos: 𝑀 = 𝑀𝑎𝑡 + 𝑀𝑎 = 17,5𝑘𝑔𝑓𝑚 + 14,1𝑘𝑔𝑓𝑚 = 31,6𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀 = 𝑀𝑎𝑡 + 𝑀𝑎 = 172𝑁𝑚 + 138𝑁𝑚 = 310𝑁𝑚 17 8 - Momento de torção ou torque requerido no eixo de saída do redutor: 𝑀2 = 𝑀 ∗ 𝑑𝑒 𝐷𝑒 ∗ 𝜂𝑒 = 31,6𝑘𝑔𝑓𝑚 ∗ 80𝑚𝑚 240𝑚𝑚 ∗ 0,95 = 11𝑘𝑔𝑓𝑚 𝑀2 = 𝑀 ∗ 𝑑𝑒 𝐷𝑒 ∗ 𝜂𝑒 = 310𝑁𝑚 ∗ 80𝑚𝑚 240𝑚𝑚 ∗ 0,95 = 109𝑁𝑚 De – diâmetro engrenagem de transmissão por corrente no eixo da roda (mm) de – diâmetro engrenagem de transmissão por corrente no eixo de saída do redutor (mm) 𝜂𝑒 = rendimento do conjunto de engrenagens e corrente 9 - Cálculo da rotação por minuto no eixo das rodas: 𝜂𝑒 = 𝑣 ∗ 1000 𝜋 ∗ 𝐷𝑟 = 10𝑚 𝑚𝑖𝑛 ∗ 1000 3,14 ∗ 400𝑚𝑚 = 7,96𝑟𝑝𝑚 Dr = diâmetro da roda (mm) v = velocidade do carro (m/min) 10 - Cálculo da rotação por minuto no eixo de saída do redutor: 𝑛2 = 𝑛𝑒 ∗ 𝐷𝑒 𝑑𝑒 = 7,96𝑟𝑝𝑚 ∗ 240𝑚𝑚 80𝑚𝑚 = 23,9𝑟𝑝𝑚 11 - Cálculo da rotação por minuto no eixo de entrada do redutor considerando motor de 4 polos -1750rpm 𝑛1 = 𝑛𝑚 ∗ 𝑑𝑝 𝐷𝑝 = 1750𝑟𝑝𝑚 ∗ 75𝑚𝑚 150𝑚𝑚 = 875𝑟𝑝𝑚 12 - Cálculo da redução do redutor: 𝑖𝑟 = 𝑛1 𝑛2 = 875𝑟𝑝𝑚 23,9𝑟𝑝𝑚 = 36,6 13 - Cálculo da potência necessária ou requerida do motor: 𝑃 = 𝑀 ∗ 𝑛𝑒 716,2 ∗ 𝜂𝑒 ∗ 𝜂𝑟 ∗ 𝜂𝑝 = 31,6𝑘𝑔𝑓𝑚 ∗ 7,96𝑟𝑝𝑚 716,2 ∗ 0,95 ∗ 0,97 ∗ 0,90 = 0,42𝐶𝑉 𝑃 = 𝑀 ∗ 𝑛𝑒 9550 ∗ 𝜂𝑒 ∗ 𝜂𝑟 ∗ 𝜂𝑝 = 310𝑁𝑚 ∗ 7,96𝑟𝑝𝑚 9550 ∗ 0,95 ∗ 0,97 ∗ 0,90 = 0,31𝑘𝑊 𝜂𝑒= rendimento do conjunto de engrenagens e corrente 𝜂𝑟 = rendimento do redutor 𝜂𝑝= rendimento do conjunto de polias 18 MULTIPLICADORES PARA CONVERSÃO DE UNIDADES MÉTRICAS, SI E AMERICANAS VELOCIDADE ANGULAR e VELOCIDADE TANGENCIAL ou PERIFÉRICA Define-se velocidade angular como sendo o ângulo descrito na unidade de tempo que o móvel percorre o percurso A - B. É representado pela letra grega obtemos a velocidade angular em radianos por segundo- rad/s pela fórmula 𝜔 = 𝑣(𝑚/𝑠) 𝑅(𝑚) = 𝑟𝑎𝑑/𝑠 EQUIVALÊNCIAS - rotações por minuto (rpm) em radianos por segundo (rad/s) 𝑛 ∗ 2 ∗ 𝜋 60 = 𝑟𝑎𝑑 𝑠 ∴ 𝑛 ∗ 0,1047 = 𝑟𝑎𝑑 𝑠 Exemplo: A roda de um trem gira a razão de 125 rpm e o seu diâmetro é 650mm. Determinar sua velocidade linear ou tangencial e a velocidade angular. 𝑣 = 𝜋 ∗ 𝐷 ∗ 𝑛 60 = 𝜋 ∗ 0,65𝑚 ∗ 125𝑟𝑝𝑚 60 = 4,25𝑚/𝑠 𝜔 = 𝑣 𝑅 = 4,25 0,325 = 13,07𝑟𝑎𝑑/𝑠 - radianos em graus 𝑟𝑎𝑑 = 180° 𝜋 = 𝑔𝑟𝑎𝑢𝑠 19 POLIAS E ROLDANAS – MULTIPLICAÇÃO DE FORÇA Conjunto de polias com multiplicação exponencial da força ALAVANCAS P – Peso a ser elevado F – Força a ser aplicada – Ponto de apoio -- Ponto fixo 𝐹 = 𝑃 2𝑛 20 ACOPLAMENTOS ELÁSTICOS A função do acoplamento elástico é compensar possíveis desalinhamentos entre os eixos do redutor e do equipamento acionado, evitando o mal funcionamento dos seus respectivos rolamentos ou quebra por fadiga de um dos eixos. Conseguir o alinhamento na fabricação, principalmente em equipamentos fora de série, é difícil. No exemplo abaixo, uma rosca transportadora apoiada em 2 rolamentos e acionada por um motoredutor com eixos coaxiais. Detalhes do acoplamento com seu elemento elástico de borracha flexível A seguir, possíveis desalinhamentos, aqui exagerados para melhor visualização e entendimento. Desalinhamento angular 21 O detalhe a seguir, mostra a folga irregular provocada entre as duas metades do acoplamento pelo desalinhamento angular da base do motoredutor Desalinhamento de nível Supondo que fosse utilizado acoplamento rígido com os mesmos desalinhamentos Nessa situação algo vai quebrar. - o acoplamento se for a parte mais fraca do conjunto. 22 - e se o acoplamento for muito resistente, quebrará o eixo do redutor ou seus rolamentos. 23 SISTEMA DE POLIAS E CORREIAS Cálculo da velocidade e rpm 1 – fórmula para o cálculo da velocidade periférica da polia motora e da correia V em m/min 𝑣1 = 3,14 ∗ 𝐷1 (𝑚) ∗ 𝑛1(𝑟𝑝𝑚) = 𝑚/𝑚𝑖𝑛 𝑛1 – rotação por minuto no eixo do motor e da polia motora – conforme motor selecionado 𝐷1 – Diâmetro da polia motora em metros 𝑛2 – fórmula para o cálculo da rotação por minuto no eixo da polia movida 𝑛2 = 𝑛1 ∗ 𝐷1(𝑚) 𝐷2(𝑚) 𝐷2 – Diâmetro da polia movida em metros 𝑣2 – fórmula para o cálculo da velocidade da correia transportadora em m/min 𝑣2 = 3,14 ∗ 𝐷𝑡(𝑚) ∗ 𝑛2(𝑟𝑝𝑚) = 𝑚/𝑚𝑖𝑛 Dt – Diâmetro do tambor em metros Cálculo da força e torque D1 = Diâmetro da polia motora D2 = Diâmetro da polia movida Dt = Diâmetro do tambor R1 = Raio da polia motora R2 = Raio da polia movida Rt = Raio do tambor 24 No catálogo do motor, baixar o valor do torque (conjugado nominal) no eixo do motor Ou calcular o torque no eixo do motor / eixo da polia motora através da fórmula a seguir 𝑇1 = 716,2 ∗ 𝑃 𝑛1 = 𝑘𝑔𝑓𝑚 P = Potência do motor em CV 𝑛1 = rotação por minuto no eixo do motor 𝐹1 = fórmula para o cálculo da força de tração na correia em V, força tangencial na polia motora e na polia movida 𝐹1 = 𝑇1 𝑅1 𝑇2 = fórmula para o cálculo do torque no eixo da polia movida / eixo do tambor 𝑇2 = 𝑇1 ∗ 𝐷2 𝐷1 = 𝑘𝑔𝑓𝑚 𝐹2 = Força tangencial no tambor. Força de elevação. Força de tração na correia transportadora 𝐹2 = 𝑇2 𝑅𝑡 25 TRANSMISSÃO POR CORRENTE DE ROLOS Esse tipo de transmissão é utilizado em máquinas e equipamentos para transmitir o torque e rotação de um eixo para outro, desde que a relação de transmissão não ultrapasse i = 6. É versátil e sua eficiência chega a 98% de rendimento quando em condições corretas de trabalho e lubrificação. Informações necessárias para seleção da corrente e engrenagens. - Potência transmitida em kilowatts - características da máquina acionada - rotação no eixo motor e eixo movido - distância entre centros dos eixos Para um projeto correto observe os passos a seguir 1 - Determine a relação de transmissão Usar a tabela 1 para seleção da quantidade de dentes das engrenagens com as seguintes recomendações - a quantidade ideal do número de dentes das engrenagens deve ser: acima de 19 para máquinas sem choques acima de 25 para acionamentos sujeitos a trancos. - principalmente em altas reduções, a relação de transmissão (i), associada a distância entre centros, deve ser de tal forma que o ângulo de abraçamento da corrente na engrenagem menor, seja superior a 120° 𝑖 = 𝑍2 𝑍1 26 Tabela 1 – Relação de transmissão Número de dentes da engrenagem motora 𝑍1 Núm. de dentes engrenagem movida 𝑍2 15 17 19 21 23 25 - - - - - 1,00 25 2,53 2,23 2,00 1,80 1,65 1,52 38 3,80 3,35 3,00 2,71 2,48 2,28 57 5,07 4,47 4,00 3,62 3,30 3,04 76 6,33 5,59 5,00 4,52 4,13 3,80 95 7,60 6,70 6,00 5,43 4,96 4,56 114 2 - Selecione o fator de aplicação f1 Este fator leva em consideração a sobrecarga dinâmica exercida sobre a corrente. O valor pode ser determinado pelo projetista em função de sua experiência ou consultando a tabela 2 Tabela 2 – Características da máquina acionada Características da máquina acionada Características do motor Funcionamento suave Choques leves Choques moderados Motores elétricos, turbinas e motores a explosão com acoplamento hidráulico Motores elétricos com partidas frequentese motores a explosão com 6 ou mais cilindros com acoplamento mecânico Motores a explosão com menos de 6 cilindros com acoplamento mecânico Funciona- mento suave Bombas centrífugas, compressores, máquinas de impressão, calandras de papel, transportadores com cargas uniformes, escadas rolantes, agitadores e misturadores de líquidos, secadores rotativos e ventiladores 1,0 1,1 1,3 Choques moderados Bombas e compressores com 3 ou mais cilindros, betoneiras, transportadores com carga não uniforme, agitadores e misturadores de sólidos 1,4 1,5 1,7 Choques pesados Escavadeiras, moinho de rolos e de bolas, maquinas de processamento de borracha, prensas, guilhotinas, bombas e compressores de 1 e 2 cilindros, equipamentos de perfuração 1,8 1,9 2,1 27 3 - Selecione o fator de aplicação f2 (fator relativo aos dentes) Este fator, determinado conforme tabela 3, irá modificar a seleção da potência final porque, ao ser selecionada uma engrenagem de um determinado diâmetro, a mesma irá modificar a transmissão da potência máxima que é função da força de tração exercida sobre a corrente. Menor diâmetro da engrenagem maior a tração sobre a corrente. O fator de dente f2 é calculado por meio da fórmula f2 = 19/𝑍1 O valor 19 no numerador é devido a classificação das curvas de seleção serem para uma roda dentada de 19 dentes. Tabela 3- Fator f2 para rodas dentadas padronizadas 𝒁𝟏 f2 𝒁𝟏 f2 15 1,27 21 0,91 17 1,12 23 0,83 19 1 25 0,76 4 – Calcule o valor da potência de seleção multiplicando a potência transmitida pelos fatores f1 e f2. 𝑃𝑠 = 𝑃𝑡 ∗ 𝑓1 ∗ 𝑓2 5 – Selecione o passo da corrente cruzando a rpm da engrenagem motora com a potência de seleção nas tabelas a seguir 28 6 – Cálculo da quantidade de passos ou elos da corrente 𝑄 = 𝑍1 + 𝑍2 2 + 2 ∗ 𝐶 𝑝 + (𝑍2 − 𝑍1) 2 ∗ 𝑝 39.48 ∗ 𝐶 = 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑜𝑠 A quantidade de passos ou elos da corrente deve ser arredondada para número par e, evidentemente, inteiro. Se uma roda tensora for utilizada para esticar a corrente, dois passos devem ser adicionados ao comprimento da corrente. C é a distância entre centros em mm determinada pelo projetista e deve estar entre 30 e 50 passos 29 7 - Cálculo da distância exata entre centros A distância entre centros efetiva, estará em função da quantidade de passos ou elos. 𝐶 = 𝑝 8 ∗ [2𝑄 − 𝑍2 − 𝑍1 + √(2𝑄 − 𝑍1 − 𝑍2)² − (0,81 ∗ (𝑍2 − 𝑍1) 2)] p – passo da corrente – mm 𝑍1 – quantidade de dentes da engrenagem motora Q – quantidade de passos ou elos 𝑍2 – quantidade de dentes engrenagem movida Fatores de segurança O fator de segurança deve ser 8 para máquinas e equipamentos que não transportem passageiros. Para equipamentos de transporte de passageiros o fator de segurança deve ser 10 Velocidade da corrente 𝑣 = 𝑛1 ∗ 𝑝 ∗ 𝑍1 60000 = 𝑚/𝑠 𝑛1 = 𝑟𝑝𝑚 𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑔𝑟𝑒𝑛𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑎 A velocidade, em geral, não deve exceder a 45m/min Para velocidades superiores, selecionar a corrente como se fosse utilizada para transmissão de carga, convertendo em potência de acordo com a fórmula abaixo: 𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑣 1000 = 𝑘𝑊 F – Carga – N (Newton) v – Velocidade da corrente – m/s O resultado obtido é o valor da potência transmitida. Após multiplicar pelos fatores f1 e f2, entrar no gráfico para selecionar a corrente considerando a rpm da engrenagem menor. 𝑟𝑝𝑚 = 6000 ∗ 𝑣 𝑝 ∗ 𝑍1 Lubrificação O sistema de transmissão por corrente deve ser protegido contra poeira e umidade e lubrificado com óleo mineral de boa qualidade e não detergente. Evitar o uso de óleos demasiadamente viscosos e menos ainda a graxa, porque não penetra nas superfícies internas de trabalho Viscosidade recomendada do óleo em função da temperatura Temperatura ambiente Lubrificante C° SAE -5 a +5 20 5 a 40 30 40 a 50 40 50 a 60 50 Na gama de temperaturas acima, pode ser usado óleo multiviscoso SAE 20W50 Para temperaturas muito elevadas (250°C), utilizar lubrificantes secos como grafite coloidal ou bissulfeto de molibdênio Cálculo do diâmetro primitivo das engrenagens conforme http://cerello.ind.br/engrenagem.php http://cerello.ind.br/engrenagem.php 30 Exemplo de cálculo Informações básicas Bomba rotativa acionada por motor elétrico 1800 rpm Potência requerida – 7,5kW Rotação da bomba – 300rpm Distância entre centros – 460mm Serviço suave Seleção da relação de transmissão 𝑍1 = 19 dentes Relação de transmissão 𝑖 = 𝑍2 𝑍1 = 𝑛2 𝑛1 = 1800 450 = 4 𝑍2 = 4 ∗ 𝑍1 = 4 ∗ 19 = 76 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 Selecionando fatores, de aplicação 𝑓1 e de dentes 𝑓2 𝑓1= 1,0 – motor elétrico acionando bomba rotativa 𝑓2= 1,0 – Engrenagem motora com 19 dentes Calculando potência selecionada 𝑃𝑠 = 𝑃𝑡 ∗ 𝑓1 ∗ 𝑓2 = 7,5 ∗ 1 ∗ 1 = 7,5𝑘𝑊 Selecionando a corrente consultando o gráfico Trace uma linha laranja correspondente a rotação da engrenagem motora. 31 Para corrente simples, trace uma linha vermelha correspondente a potência de seleção. Na intersecção da linha laranja com a linha vermelha e selecione a corrente imediatamente acima - passo 1/2”. Para corrente dupla, trace uma linha verde correspondente a potência de seleção. Na intersecção da linha laranja com a verde e selecione a corrente imediatamente acima -passo 3/8”. Essas correntes transmitem com folga a potência transmitida pelo motor e optaremos pela corrente simples de passo ½” → 12,7mm Calculando a quantidade de passos da corrente 𝑄 = 𝑍1 + 𝑍2 2 + 2 ∗ 𝐶 𝑝 + (𝑍2 − 𝑍1) 2 ∗ 𝑝 39.48 ∗ 𝐶 = 19 + 76 2 + 2 ∗ 460 12,7 + (76 − 19)2 ∗ 12,7 39,48 ∗ 460 = 122,21 Comprimento da corrente arredondando a quantidade para número inteiro 𝐿 = 𝑄 ∗ 𝑝 = 122 ∗ 12,7 = 1549,4𝑚𝑚 Calculando a distância exata entre centros 𝐶 = 𝑝 8 ∗ [2𝑄 − 𝑍2 − 𝑍1 + √(2𝑄 − 𝑍1 − 𝑍2)² − (0,81 ∗ (𝑍2 − 𝑍1) 2)] 𝐶 = 12,7 8 ∗ [2 ∗ 122 − 76 − 19 + √(2 ∗ 122 − 19 − 76)² − (0,81 ∗ (76 − 19)2)] 𝐶 = 1,5875 ∗ [149 + √19570,29] 𝐶 = 1,5875 ∗ [149 + 139,89] = 458,61𝑚𝑚 Velocidade da corrente em m/s 𝑣 = 𝑛1 ∗ 𝑝 ∗ 𝑍1 60000 = 1800 ∗ 12,7 ∗ 19 60000 = 7,23𝑚/𝑠 Carga na corrente em função da potência transmitida 𝑤 = 𝑃𝑠 ∗ 1000 𝑣 = 7,5𝑘𝑊 ∗ 1000 7,23𝑚/𝑠 = 1037𝑁 Calculando os diâmetros primitivos das engrenagens conforme fabricante. Veja tabela na página seguinte Diâmetro primitivo 19 dentes = 12,7 ∗ 6,076 = 77,1652𝑚𝑚 Diâmetro primitivo 76 dentes = 12,7 ∗ 24,198 = 307,3146𝑚𝑚 32 Diâmetro primitivo das engrenagens Para o cálculo do diâmetro primitivo usar a tabela a seguir na seguinte forma: Determine o número de dentes, verifique na tabela o fator X correspondente, multiplique o passo da corrente pelo fator e obtenha o diâmetro primitivo Exemplo: -- Engrenagem 32 dentes passo 1 ½” → 31,75mm = 10,202 x 31,75mm = 323,91mm 33 CARACTERÍSTICAS DIMENSIONAIS DAS CORRENTES CORRENTE SIMPLES CORRENTE DUPLA 34 CORRENTE TRIPLA Este trabalho foi resumido com o objetivo de facilitar o projetista com as informações mais necessárias. Para mais informações consulte o trabalho do Prof. Flavio de Marco Filho da Universidade Federal do Rio de Janeiro https://pt.scribd.com/document/56103356/Elementos-de-Transmissao-Flexiveis-2009-4 Para desenho Como desenhar uma engrenagem de corrente https://pt.scribd.com/document/56103356/Elementos-de-Transmissao-Flexiveis-2009-4 https://pt.scribd.com/doc/229684956/Como-Desenhar-Rodas-Dentadas 35 ENGRENAGENS E REDUTORES Engrenagens São rodas dentadas utilizadas namaioria das máquinas para transmitir o movimento de um eixo para outro e sempre invertem o sentido de rotação. Sendo ambas de mesmo diâmetro, mantém a mesma velocidade entre os eixos. Na maioria das vezes, a engrenagem motora, de menor diâmetro, diminui a rotação e multiplica o torque no eixo da engrenagem movida. Em alguns casos é o contrário. A permanência ou mudança de velocidade de uma engrenagem em relação a outra, se chama relação de transmissão (i) e, seu valor, está em função dos diâmetros primitivos e número de dentes das mesmas. Engrenagens cilíndricas com dentes retos Engrenagens cilíndricas com dentes helicoidais Engrenagens com dentes helicoidais transmitem maior potência do que engrenagens com dentes retos de mesmo diâmetro e largura. Isso por causa do maior largura efetiva e portanto, maior contato entre os dentes. Além disso são mais silenciosas porque transmitem o movimento do dente de uma emgrenagem para o dente da outra de forma progressiva. Clique abaixo para Teoria Planilha de cálculos https://drive.google.com/file/d/1xIAHKoCgQlxPt4c0e0BW9nvXlvBevZyE/view?usp=sharing https://docs.google.com/spreadsheets/d/1Lte-nbB-UqLtQZV2ckt_FdR8rPR9gTh77bpLgbo23uo/edit?usp=sharing 36 Redutores e motoredutores com eixos coaxiais e engrenagens helicoidais São compactos e os eixos de entrada e de saída estão na mesma linha de centro Motoredutor e redutor com engrenagens helicoidais e eixos paralelos eixo de saída vazado eixo de saída maciço com motor acoplado Redutor com eixos paralelos e engrenagens helicoidais, especial para acionamento de extrusoras Engrenagens cônicas com dentes retos Este tipo de engrenagem é utilizado quando se deseja transmitir torque e rotação de um eixo para outro posicionado em ângulo diferente (eixos não paralelos entre si). Sendo os dentes paralelos ao eixo de giro, a transmissão de movimento, provoca impactos entre os dentes do par de engrenagens e consequente barulho e vibração. Engrenagens cônicas com dentes helicoidais Tem a mesma função da engrenagem cônica com dentes retos, mas transmite o movimento de forma mais silenciosa em função de baixo impacto entre os dentes. Com essa vantagem em relação as engrenagens com dentes retos, pode trabalhar com altas rotações (motores de 2 polos ou 3500 rpm). Além disso é mais eficiente tendo maior rendimento na transmissão de potência. 37 Motoredutor e redutor com engrenagens cônicas Rosca sem fim e coroa Este tipo de engrenamento é utilizado para transmitir rotação e torque de um eixo para outro em ângulo de 90°. Sua vantagem em relação aos tipos anteriores é a maior relação de transmissão de velocidade com o mesmo número de peças sendo que, com um único conjunto, pode chegar a redução de 1:100. Um conjunto duplo pode chegar a redução de 1:10000. A desvantagem é o baixo rendimento. Redutores a rosca sem fim Com relação ao preço, os redutores a rosca sem fim, tem menores custos de fabricação até o torque aproximado de 80kgfm no eixo da coroa (reduções próximas de 1:30), comparado aos redutores de engrenagens cônicas helicoidais que cumprem a mesma função. Mas o rendimento é baixo, principalmente nas altas reduções, necessitando maior potência do motor de acionamento. 38 Motoredutor com dupla rosca sem fim Motoredutor com braço de torção UMA PARTE DA HISTÓRIA DO DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO DE REDUTORES NO BRASIL A Redutores Transmotécnica Ltda. foi no passado um dos maiores fabricantes de redutores industriais no Brasil. Nos anos 90 foi vendida para um grupo americano e comprada de volta por uma fábrica de balanças nacional. Posteriormente foi adquirida por um empresário que a associou a mais 2 fabricas de redutores. Trabalhei nessa empresa desde 1974 até 2004 na área de vendas e acompanhei, assistindo palestras do departamento de engenharia, o desenvolvimento da tecnologia de projeto e fabricação de nova linha de redutores. Nosso departamento de engenharia era dirigido por engenheiros alemães mais focados nas normas DIN do que AGMA. Afirmavam que a norma DIN era superior nos detalhes. Em 1974, a Transmotécnica lançou a nova linha de redutores a rosca sem fim denominada Xevex, com aço temperado na rosca sem fim e bronze centrifugado da Termomecânica na coroa. Além dos materiais, o perfil dos dentes foi modificado obrigando ao desenvolvimento de caracóis especiais fabricados pela SU, hoje Sar SU. A capacidade de transmissão de torque subiu muito em relação aos redutores fabricados anteriormente com tecnologia mais conservadora e, nos acionamentos, passamos a fornecer redutores bem menores para a mesma máquina. Os redutores funcionavam bem, mesmo acima da capacidade nominal, um sinal de que estavam com folga na capacidade de transmitir e multiplicar o torque do motor. Após o lançamento da linha a rosca sem fim mais moderna, o departamento de engenharia passou a se envolver no desenvolvimento de redutores a engrenagens helicoidais com maior tecnologia de projeto e fabricação. A linha antiga consistia em projeto comum a todos os fabricantes brasileiros e com material das engrenagens aço 1045 cortado por fresas comuns e posteriormente nitretado com tratamento de baixa temperatura feito pela Brasimet, processo denominado pela mesma de “Tenifer”. Os cálculos das engrenagens eram os mais comuns à época. Os dentes eram cortados no ângulo de pressão 15°. Lembro que a tensão admissível, estava de acordo com o livro de um professor de engenharia da FEI, mas o fator de segurança era bem alto. O material aço 1045 posteriormente nitretado, com dureza baixa em relação aos utilizados nas engrenagens atualmente, obrigava o projetista a se preocupar mais com o desgaste dos dentes após determinadas horas de trabalho. O pé do dente, em função do módulo adotado e da largura do dente, estava sempre com folga na relação tensão admissível / tensão atuante. Em função disso, os dentes das engrenagens de um redutor raramente quebravam por causa de um tranco qualquer no acionamento da máquina, mas com o tempo de trabalho, os dentes das engrenagens se desgastavam obrigando sua troca. Em 1984, a Transmotécnica lançou a nova linha de redutores com eixos paralelos e engrenagens helicoidais denominada Maxidur. Com a utilização de material aço cromo níquel molibdênio no pinhão e 20manganês cromo5 na engrenagem, com alta dureza após a tempera, a pressão específica no contato dos dentes ficou bem menor do que a resistência oferecida pelo material, a tal ponto que a engenharia afirmava que os redutores poderiam durar dezenas de anos com aplicação correta e manutenção adequada. A maior dureza dos dentes permitiu módulos menores e consequentemente um pé do dente de menor dimensão. Então a preocupação do projetista passou a ser a resistência a flexão do pé do dente e houve a necessidade de mudar o ângulo de pressão de 15° para 25° para tornar o pé do dente proporcionalmente mais largo em relação aos dentes com material mole. Também foi adotado deslocamento de perfil para aumentar mais ainda a espessura do pé do dente em relação a cabeça. Outros detalhes também foram adotados para aumentar a resistência do pé do dente à flexão. Com todos esses procedimentos puderam ser diminuídos os 39 diâmetros das engrenagens para o mesmo torque e, evidentemente, o entre centros dos eixos que, por falta de espaço, obrigou o uso de rolamentos especialmente desenvolvidos para esses redutores. Os tamanhos e pesos dos redutores reduziram aproximadamente 2/3 em relação aos anteriores de mesma capacidade. Diferença entre os dentes de engrenagens com ângulo de pressão 15° e 25° Ângulo de pressão 15° Ângulo de pressão 25° Essa linha de redutores funcionoumuito bem em diversos equipamentos. Selecionamos vários redutores para elevação de turbina em usina de força com cálculos bem apertados relativos ao torque e potência do motor. Capacidade nominal do redutor com fator de serviço 1,2 sobre o motor. O cliente (muito importante na área de pontes rolantes), comprou, instalou e não tivemos problemas. Mas, com essa linha de redutores compactos, tivemos alguns problemas em torres de resfriamento devido as vibrações inerentes a esse tipo de equipamento. Nossa engenharia chegou à conclusão que, na seleção do redutor, não estavam sendo seguidos os fatores de serviço indicados pela norma AGMA, ou seja 2 para trabalho 24 h/dia, que obrigava a seleção de um tamanho maior. Os redutores da linha antiga, com engrenagens de aço 1045, eram bem maiores permitindo a utilização de eixos e mancais sobre dimensionados para os esforços gerados no eixo e nas engrenagens, não exigindo tanto cuidado na seleção. Outros fabricantes de redutores internacionais também tiveram problemas de baixa durabilidade com essa linha de redutores, mas a Hansen Industrial Gearboxes, adquirida pela Sumitomo Drive Technologies passou a fornecer redutores específicos para esse tipo de aplicação. VERIFICAÇÃO DAS CARGAS RADIAIS ADMISSÍVEIS NAS PONTAS DE EIXO DOS REDUTORES Quando cargas radiais incidirem sobre um ponto mais afastado da dimensão K/2 da ponta de eixo do redutor há necessidade de verificar se essa carga P2 é admissível pelos rolamentos do mesmo. A força 𝐹𝑟1 e a dimensão 𝐿1 são os dados fornecidos pelo catálogo do fabricante. Para verificar a força radial admissível na nova posição aplicar a fórmula a seguir 𝐹𝑟2 = 𝐹𝑟1 ∗ 𝐿1 𝐿2 40 TESTE DA POTÊNCIA MOTORA DA MÁQUINA OU EQUIPAMENTO 1 – A potência motora necessária para o acionamento de um equipamento qualquer, pode ser avaliada, medindo a amperagem e voltagem do motor. Para verificar a potência absorvida utilize a fórmula abaixo: 𝑃 = 𝑈 ∗ 𝐼 ∗ √3 ∗ 𝜂 ∗ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 1000 = 𝑘𝑊 U = Voltagem da rede I = amperagem medida a plena carga = porcentagem de rendimento do motor (verificar catálogo do fabricante) cos = fator de potência (verificar no catálogo do fabricante) Observação: e cos estão em função da potência instalada conforme se pode verificar no catálogo do fabricante. Exemplo: Motor de 3,7 kW (5 CV) – 4 polos (1730rpm) funcionando em 220V e com amperagem 10A (aproximadamente 75% da nominal). Verificando no catálogo da WEG: Potência Carcaça Rpm Corrente nominal 220 v Conjug. nominal kgfm Conjugado com rotor bloqueado Cp/Cn Conjug. máximo Cmax Cn Rendimento Fator pot. cos % da potência nominal CV kW 50 75 100 50 75 100 5,0 3,7 100L 1730 13,6 2,07 3,1 3,0 80,5 82,3 83,5 0,68 0,79 0,85 𝑃 = 220 ∗ 10 ∗ 1,73 ∗ 0,823 ∗ 0,79 1000 = 2,46𝑘𝑊 → 3,34𝐶𝑉 A maioria dos motores fornece um conjugado na partida até 3 vezes maior do que o nominal servindo para iniciar a partida de equipamentos com grande massa de inércia desde que não sejam muitas partidas por hora. 2 – Ou, em alguns casos, substituindo o acionamento motorizado por acionamento manual através do sistema descrito a seguir: Exemplo real: Rosca transportadora, acionada por um motor de 5,0CV e redutor de 1:27 que não movimenta a rosca nem mesmo com 80kg de material, sendo que foi projetada para movimentar no mínimo 250kg. 41 Dados da rosca Comprimento: 6m Diâmetro externo: 0,30m Passo: 0,25m Inclinação: 45° Rpm: 62 rpm Mancais em bronze fosforoso Material a ser transportado: Areia de quartzo Densidade do material: 2,0 ton/m³ Capacidade de transporte mínima desejada: 4 ton/h Material necessário para o teste: Um tubo de aço com parede grossa e 1m de comprimento, um grifo de cano de tamanho adequado, um saco de 60kg para ser enchido com o próprio material e balança para mais de 100kg. Calculando o torque fornecido pelo motoredutor 𝑇2 = 716,2 ∗ 𝐶𝑉 𝑟𝑝𝑚 ∗ 𝜂 = 716,2 ∗ 5 62 ∗ 0,95 = 54,8𝑘𝑔𝑓𝑚 𝜂 = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟 Para substituir a força tangencial fornecida pelo motoredutor de 5,0CV, o peso necessário pendurado na ponta do tubo com comprimento C = 1m, deverá ter o valor de: 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑝𝑒𝑠𝑜 = 𝑇2 𝐶 = 54,8𝑘𝑔𝑓𝑚 1𝑚 = 54,8𝑘𝑔𝑓 Se dispõe somente de uma alavanca de 0,80m aumentar o peso para 𝐹𝑜𝑟ç𝑎 𝑝𝑒𝑠𝑜 = 𝑇2 𝐶 = 54,8𝑘𝑔𝑓𝑚 0,80𝑚 = 68𝑘𝑔𝑓 42 O resultado será válido para alavanca posicionada exatamente na horizontal. Para alavanca na posição inclinada em relação a horizontal, aumentar seu comprimento de acordo com os desenhos a seguir: Se, nas situações acima, o peso de 55kg movimentar com facilidade a rosca com o material, diminuir o peso para valores menores. Neste caso, poderá também ser diminuído o comprimento da alavanca. Dessa forma, verificar a potência realmente necessária para movimentar o material. Para calcular a potência do novo motoredutor utilizar a fórmula 𝑃 = 𝑝ê𝑠𝑜 ∗ 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟. 𝑎𝑙𝑎𝑣𝑎𝑛𝑐𝑎 ∗ 𝑟𝑝𝑚 716,2 ∗ 𝑟𝑒𝑛𝑑. 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟 = 𝐶𝑉 Neste exemplo, após executado os testes acima e visto que um peso bem menor do que 50kgf movimentava a rosca, foi constatado que o motor não girava o equipamento porque não haviam ligado os fios corretamente na caixa de ligação. Nas páginas seguintes: ACIONAMENTOS – MÉTODOS DE CÁLCUL0 43 CORREIA TRANSPORTADORA APOIADA SOBRE ROLETES. TRANSPORTADOR DE CORREIA PARA MATERIAIS A GRANEL Para o cálculo da potência necessária para o acionamento de transportadores de correia, devemos conhecer as cargas que atuam sobre os roletes e seus rolamentos como o peso do material e da correia ao longo do transportador. Com esses dados podemos calcular a força de tração necessária para vencer as forças resistentes ao movimento. Nos transportadores de correia para produtos a granel, normalmente os dados de transporte são informados em toneladas por hora (t/h). Para facilitar o entendimento vamos efetuar os cálculos usando o sistema técnico de medidas. Cálculo da força peso exercida pelo material (𝐺𝑚) sobre a correia em função da capacidade de transporte: 𝐺𝑚 = 𝐿 ∗ 𝑇 ∗ 1000 𝑣 ∗ 60 = 𝑘𝑔𝑓 L = comprimento do transportador (m) T = capacidade de transporte (ton/hora) v = velocidade da correia (m/min) Forças de atrito geradas pela correia rolando sobre os roletes de apoio Podemos dividir as forças de atrito na parte superior e inferior da correia. Na parte superior o valor dessa força está em função do peso da carga (𝑮𝒎), somado a metade do peso da correia (𝑮𝒃). Metade do contato da correia com o rolete (f - conforme figura acima) cujo valor depende da maior ou menor tensão da correia e dos diâmetros dos roletes também influi no cálculo e pode ser admitido um valor mais alto, ou seja, 4mm. Para simplificação da fórmula, considerar o peso de todos os roletes (𝑮𝒓) do transportador. 𝐹𝑎𝑡𝑠 = [(𝐺𝑚 + 𝐺𝑏 2 ) ∗ 𝑓 ∗ 2 𝑑 ] + (𝐺𝑟 ∗ 𝜇𝑜) = 𝑘𝑔𝑓 Transportador Tekroll 44 Na parte inferior da correia, a forças de atrito são geradas principalmente pelo peso da correia rolando sobre os roletes (e seus rolamentos) ou, em alguns casos atrito de escorregamento da correia diretamente sobre chapa de aço ou qualquer outro material. Os valores dos coeficientes de atrito estão listados na tabela mais abaixo. 𝐹𝑎𝑡𝑖 = 𝐺𝑏 ∗ 𝜇 = 𝑘𝑔𝑓 𝑜𝑢 𝐹𝑎𝑡𝑖 = 𝐺𝑏 ∗ 𝜇𝑜 = 𝑘𝑔𝑓 𝐺𝑚= peso do material ao longo da correia (kgf) 𝐺𝑏 = peso da correia (kgf) 𝐺𝑟 = peso dos roletes (kgf) d = diâmetro dos roletes de apoio (mm) f = 4 mm= braço de alavanca da resistência ao rolamento entre correia e rolete. 𝜇 - coeficiente de atrito de escorregamento da correia de retorno sobre o apoio deslizante 𝜇𝑜- coeficiente de atrito de rolamento da correia sobre os roletes Força para flexionar a correia em torno do tambor de acionamento e de retorno. No cálculo da CEMA - Associação Americana dos Fabricantes de Transportadores- é admitido 41kg para os dois tambores considerando correia de largura 84 polegadas. Então, podemos considerar para correias de menor largura, uma força proporcionalmente diminuída. 𝐹𝑓𝑙 = 41 ∗ 𝐵 84 = 0,49 ∗ 𝐵 = 𝑘𝑔𝑓 B – Largura da correia em polegadas Forças adicionais 𝑭𝒂𝒅 Se fazem parte do sistema, devem ser somadas as forças resistentes devidas a outros componentes 𝐹𝑎𝑑 = 𝐹𝑟𝑎 + 𝐹𝑡𝑝 + 𝐹𝑔𝑢 = 𝑘𝑔𝑓 1 - 𝐹𝑟𝑎= Força para vencer atritos em cada raspador: 𝐹𝑟𝑎 = 1,4 ∗ 𝐵 = 𝑘𝑔𝑓 2 - 𝐹𝑡𝑝 = Força para acionamento de cada tambor dos trippers conforme tabela a seguir: Largura da correia (polegada) 16 20 24 30 36 42 48 54 60 72 84 𝐹𝑡𝑝 (kgf) 22,7 37,7 49,8 63,4 67,9 72,5 77 81,5 86,1 95,3 104,5 3 - 𝐹𝑔𝑢= Força de atrito referente às guias laterais: 𝐹𝑔𝑢 = (0,004 ∗ 𝐿𝑔 ∗ 𝐵) + (8,92 ∗ 𝐿𝑔) = 𝑘𝑔𝑓 45 𝐿𝑔 = comprimento das guias laterais (m) B – Largura da correia em polegadas Cálculo da força de tração 1 - Transportador horizontal: 𝐹𝑡 = 𝐹𝑎𝑡𝑠 + 𝐹𝑎𝑡𝑖 + 𝐹𝑓𝑙 + 𝐹𝑎𝑑 = 𝑘𝑔𝑓 Cálculo simplificado da força de tração. Fórmula prática para estimar a força de tração em transportadores horizontais, baseada em um coeficiente de atrito em função do comprimento. 𝐹𝑡 = [(𝐺𝑚 + 𝐺𝑏 + 𝐺𝑟) ∗ 𝐶] + 𝐹𝑎𝑑 = 𝑘𝑔𝑓 O valor de C é obtido na tabela a seguir 2 - Transportador em aclive: Força para elevar o material a uma altura H 𝐹𝑒 = 𝐺𝑚 ∗ 𝐻 𝐿 = 𝑘𝑔𝑓 H – altura de elevação ou desnível (m) L – comprimento do transportador (m) Cálculo da força de tração para transportador em aclive 𝐹𝑡 = 𝐹𝑎𝑡𝑠 + 𝐹𝑎𝑡𝑖 + 𝐹𝑓𝑙 + 𝐹𝑎𝑑 + 𝐹𝑒 = 𝑘𝑔𝑓 Para transportadores com muita carga, alta velocidade e muitas partidas por hora, é aconselhável verificar a FORÇA DE ACELERAÇÃO das massas em movimento através das fórmulas: 𝐹𝑎 = 𝐺 ∗ 𝑣 60 ∗ 9,8 ∗ 𝑡𝑎 = 𝑘𝑔𝑓 𝐹𝑎 = força de aceleração G = peso total = 𝐺𝑚 + 𝐺𝑏 + 𝐺𝑟 v = velocidade da correia (m/min) 𝑡𝑎= tempo de aceleração. A maioria dos motores admite até 6s para acelerar quando há poucas partidas por hora. Cálculo do torque requerido no eixo do tambor de acionamento: 𝑇 = (𝐹𝑎 + 𝐹𝑡) ∗ 𝐷 2 ∗ 1000 = 𝑘𝑔𝑓𝑚 Cálculo da rotação no eixo do tambor. 𝑛 = 𝑣 ∗ 1000 𝜋 ∗ 𝐷 = 𝑟𝑝𝑚 v = velocidade da correia (m/min.) D = diâmetro do tambor de acionamento (mm) Com os valores acima, já pode ser selecionado o redutor e o acoplamento de ligação entre os eixos do redutor e do tambor em função de torque e redução 46 Cálculo da potência requerida de acionamento no eixo de entrada do redutor/eixo do motor: a - A partir do torque e da rotação (rpm) do tambor: 𝑃 = 𝑇 ∗ 𝑛 716,2 ∗ 𝜂 = 𝐶𝑉 b - A partir da soma das forças 𝐹𝑎 + 𝐹𝑡 e da velocidade de transporte: 𝑃 = (𝐹𝑎 + 𝐹𝑡) ∗ 𝑣 60 ∗ 75 ∗ 𝜂 = 𝐶𝑉 P = potência requerida de acionamento – potência mínima do motor T = torque requerido no eixo do tambor n = rpm no eixo do tambor de acionamento h = rendimento do redutor v = velocidade do transportador em m/min Para obter a potência em kW multiplicar o valor por 0,736 No cálculo de potência foi considerado a força de tração para vencer os atritos somado à força de aceleração das massas em movimento do transportador. Na maioria dos transportadores o momento de aceleração das massas em movimento é menor do que o momento necessário para vencer os atritos, principalmente quando se admite um tempo de aceleração próximo de 6 segundos. Sendo que a maioria dos motores na partida, fornece o dobro ou mais do torque nominal, esse adicional pode ser aproveitado para dar a partida sendo poucas por hora, mas na seleção do redutor e do acoplamento há necessidade de adicionar a força de aceleração ao cálculo. CORREIA TRANSPORTADORA APOIADA SOBRE CHAPA METÁLICA Para calcular o torque requerido para o acionamento deste tipo de transportador onde a correia desliza sobre uma chapa lisa de aço, devemos considerar o peso do material distribuído sobre a correia somado ao peso da mesma. Quando for informado a capacidade de transporte em kg/h, aplicar a seguinte fórmula para cálculo do peso do material sobre o transportador 𝐺𝑚 = 𝐿 ∗ 𝑄 𝑣 ∗ 60 = 𝑘𝑔𝑓 L = comprimento do transportador (m) Q = kg/h de material transportado v = velocidade (m/min.) 1 – Transportador horizontal 𝑀 = (𝐺𝑚 + 𝐺𝑐) ∗ 𝜇 ∗ 𝐷 2 ∗ 1000 = 𝑘𝑔𝑓𝑚 Chapa de apoio 47 2 – Transportador inclinado 𝑀 = [𝐺𝑚 ∗ 𝑠𝑒𝑛 ∝ +(𝐺𝑚 + 𝐺𝑐) ∗ 𝑐𝑜𝑠 ∝∗ 𝜇] ∗ 𝐷 2 ∗ 1000 = 𝑘𝑔𝑓𝑚 M = Momento de torção necessário no eixo do tambor de acionamento 𝐺𝑚 = força peso do material sobre o transportador (kgf) 𝐺𝑐 = força peso da correia (kgf) D = diâmetro do tambor (mm) = a para correia de material sintético deslizando sobre chapa de aço = ângulo de inclinação em graus 𝑠𝑒𝑛𝛼 = 𝐴 𝐿 Cálculo da rotação por minuto no eixo do tambor / eixo de saída do redutor. 𝑛 = 𝑣(𝑚/𝑚𝑖𝑛) ∗ 1000 𝜋 ∗ 𝐷(𝑚𝑚) = 𝑟𝑝𝑚 v = velocidade da correia (m/min) Cálculo da potência necessária para o acionamento 𝑃 = 𝑀 ∗ 𝑛 716,2 ∗ 𝜂 = 𝐶𝑉 n = rotação no eixo do tambor de acionamento = rendimento do motoredutor. Exemplo de aplicação Iremos utilizar como exemplo o projeto de uma esteira transportadora de peças automotivas. Detalhes do projeto https://drive.google.com/file/d/1g1UMxPHqPXkhGEREhRRDWboMuTTXk54F/view?usp=sharing 48 Capacidade de transporte: 1260 peças por hora Massa de cada peça com embalagem = 15kg Massa da correia: 10kg Comprimento do transportador = 7m Diâmetro do tambor: 141,3mm Largura da correia: 280mm Velocidade desejada: 20m/min Inicialmente calcular qual o peso a ser transportado no tempo de 1 hora. 𝑄 = peso total das peças a ser transportado em 1 hora = 1260 peças/hora x 15kgf = 18900kgf/h Calcular a força peso do material sobre a esteira em um momento qualquer 𝐺𝑚 𝐺𝑚 = 𝐿 ∗ 𝑄 𝑣 ∗ 60 = 7𝑚 ∗ 18900𝑘𝑔𝑓/ℎ 20𝑚/𝑚𝑖𝑛 ∗ 60 = 110𝑘𝑔𝑓 L = comprimento do transportador em m Q = capacidade de transporte em kgf/h v = velocidade em m/min Para selecionar a correia é necessário calcular a força de tração 𝐹𝑡 exercida sobre a mesma 𝐹𝑡 = 𝐺𝑚 ∗ 𝜇 = 110𝑘𝑔𝑓 ∗ 0,4 = 44𝑘𝑔𝑓 = coeficiente de atrito de escorregamento = 0,30 a 0,40 para correia de material sintético deslizando sobre chapa de aço Carga de trabalho exercida pela força de tração sobre toda a largura da correia – 280mm 𝐶𝑡 = 𝐹𝑡 𝑙 = 44𝑘𝑔𝑓 280𝑚𝑚 = 0,15𝑘𝑔𝑓/𝑚𝑚 Cálculo do momento de torção necessário no eixo do tambor / eixo de saída do redutor 𝑀 = (𝐺𝑚 + 𝐺𝑐) ∗ 𝜇 ∗ 𝐷 2 ∗ 1000 = (110𝑘𝑔𝑓 + 10𝑘𝑔𝑓) ∗ 0,4 ∗ 141𝑚𝑚 2 ∗ 1000 = 3,4𝑘𝑔𝑓𝑚 𝐺𝑚 = força peso do material sobre o transportador (kgf) 𝐺𝑐 = força peso da correia (kgf) D = diâmetro do tambor (mm) Cálculo da rotação no eixo do tambor / eixo de saída do redutor 𝑛 = 𝑣 ∗ 1000 𝜋 ∗ 𝐷 = 20𝑚 𝑚𝑖𝑛⁄ ∗ 1000 3,14 ∗ 141𝑚𝑚 = 45𝑟𝑝𝑚 v = velocidade da correia (m/min) Conhecendo o momento de torção necessário para o acionamento e a rotação por minuto no eixo do tambor/eixo de saída do redutor já pode ser selecionado o motoredutor Motoredutor NMRZ 50 redução 1:40 eixo de saída vazado com flange #
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