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FACULDADE DE TECNOLIGIA DE SOROCABA TECNOLOGIA EM PROJETOS MECÂNICOS JENNIFER JADY GOMES DE MOURA CONSTRUÇÃO DE MÁQUINAS II Projeto de redutor ECDR 2 estágios SOROCABA 2020 JENNIFER JADY GOMES DE MOURA CONSTRUÇÃO DE MÁQUINAS II Projeto de redutor ECDR 2 estágios Trabalho apresentado ao curso de tecnologia em Projetos Mecânicos da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba. Orientador: Luiz Alberto Balsamo SOROCABA 2020 Sumário 1. Introdução............................................................................................................................ 6 2. Dados do projeto ................................................................................................................. 7 3. Determinação da potência do motor elétrico....................................................................... 7 3.1. Cargas atuantes .................................................................................................................... 7 3.2. Atrito .................................................................................................................................... 8 3.3. Força exercida no cabo ........................................................................................................ 8 3.4. Potência efetiva.................................................................................................................... 8 3.5. Potência do motor ................................................................................................................ 9 4. Seleção do motor ................................................................................................................. 9 5. Relação de transmissão ..................................................................................................... 11 5.1. Relação de transmissão do redutor .................................................................................... 11 6. Dimensionamento e seleção das correntes ........................................................................ 12 6.1. Relação de transmissão ...................................................................................................... 12 6.2. Potência de projeto ............................................................................................................ 13 6.3. Rodas dentadas .................................................................................................................. 14 6.4. Seleção da corrente ............................................................................................................ 16 7. Dimensionamento das engrenagens .................................................................................. 17 7.1. Dimensionamento do 1º pinhão ......................................................................................... 17 7.1.1. Critério de desgaste para P1 ........................................................................................... 17 7.1.2. Critério de resistência para P1 ........................................................................................ 20 7.2. Dimensionamento da 1ª coroa ........................................................................................... 20 7.2.1. Critério de desgaste para C1 ........................................................................................... 21 7.2.2. Critério de resistência para C1........................................................................................ 21 7.2.3. Definição do material ..................................................................................................... 22 7.3.Dimensionamento do 2º pinhão .......................................................................................... 22 7.3.1. Critério de resistência ..................................................................................................... 23 7.3.2. Critério de desgaste ........................................................................................................ 23 7.3.3. Análise das equações ...................................................................................................... 23 7.4. Dimensionamento da 2ª coroa ........................................................................................... 25 7.4.1. Critério de desgaste para C2 ........................................................................................... 25 7.4.2. Critério de resistência para C2........................................................................................ 25 7.4.3 Definição do material ...................................................................................................... 26 8. Peso das engrenagens ........................................................................................................ 26 8.1. Peso do pinhão 1 ................................................................................................................ 26 8.2. Peso da coroa 1 .................................................................................................................. 26 8.1. Peso do pinhão 2 ................................................................................................................ 27 8.2. Peso da coroa 2 .................................................................................................................. 27 9. Resumo dos resultados ...................................................................................................... 27 10. Verificação de interferência........................................................................................... 27 11. Seleção de acoplamento................................................................................................. 28 12. Layout da máquina ........................................................................................................ 30 12.1. Esquema de atuação das forças ....................................................................................... 30 13. Dimensionamento dos eixos .......................................................................................... 31 13.1. Dimensionamento do eixo de entrada (E1) ..................................................................... 31 13.1.1. Plano Vertical E1 .......................................................................................................... 32 13.1.2. Plano Horizontal E1...................................................................................................... 33 13.1.3. Momento fletor equivalente ......................................................................................... 34 13.1.4. Definição do material ................................................................................................... 34 13.1.5. Tipo de carregamento ................................................................................................... 34 13.1.6. Critério de Dobrovolski ................................................................................................ 35 13.2. Dimensionamento do eixo intermediário (E2) ................................................................ 35 13.2.1. Plano vertical E2 ........................................................................................................... 36 13.2.2. Plano horizontal E2 ...................................................................................................... 37 13.2.3. Momento fletor equivalente ......................................................................................... 38 13.2.4. Definição do material ................................................................................................... 39 13.2.5. Critério de Dobrovolski ................................................................................................39 13.3. Dimensionamento do eixo de saída (E3) ......................................................................... 39 13.3.1. Peso da roda dentada .................................................................................................... 40 13.3.2.Peso da corrente ............................................................................................................. 41 13.3.3. Plano vertical E3 ........................................................................................................... 41 13.3.4. Plano horizontal E3 ...................................................................................................... 42 13.2.3. Momento fletor equivalente ......................................................................................... 43 13.2.4. Definição do material ................................................................................................... 43 13.2.5. Critério de Dobrovolski ................................................................................................ 43 14. Seleção dos rolamentos ................................................................................................. 44 14.1. Rolamento do eixo 1 ........................................................................................................ 44 14.2. Rolamento do eixo 2 ........................................................................................................ 45 14.3. Rolamento do eixo 3 ........................................................................................................ 46 15. Seleção dos retentores ................................................................................................... 47 16. Seleção das chavetas ...................................................................................................... 47 15.1. Chaveta para eixo de entrada ........................................................................................... 48 15.1.1. Acoplamento ................................................................................................................. 48 15.2. Chaveta para eixo intermediário ...................................................................................... 49 15.2.1. Coroa 1 ......................................................................................................................... 49 15.3. Chaveta para eixo de saída .............................................................................................. 50 15.3.1. Coroa 2 ......................................................................................................................... 50 15.3.2. Roda Dentada ............................................................................................................... 51 REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 55 6 1. Introdução Com a finalidade de desenvolver de maneira prática os conhecimentos adquiridos até o presente momento, foi proposto a elaboração de um projeto que contemplasse as competências previstas na grade curricular do curso, além de simular uma situação factual que envolve profissionais desta área. O seguinte trabalho pretende apresentar detalhadamente o dimensionamento de um redutor de dupla redução, considerando sua aplicação no acionamento de um puxador de vagoneta. Portanto, todo estudo deve satisfazer as condições determinantes para funcionamento pleno do projeto, atendendo especificações técnicas e tolerâncias, além de viabilizar o processo ao definir o layout do conjunto, bem como os materiais utilizados. Na fase do "Projeto Conceitual", temos documentado em linguagem de desenho técnico todo conjunto de acionamento da máquina em subconjuntos, descritas com suas devidas especificações e dimensões finais. Com isso, durante a execução espera-se que o aluno apresente resoluções fundamentadas para as situações propostas, orientadas por conteúdos absorvidos dos semestres anteriores. 7 2. Dados do projeto Para realização de um projeto, se faz necessário coletar dados técnicos através de um estudo de aplicação. Neste caso, visto o propósito didático, esses foram fornecidos como mostra a tabela abaixo: Descrição Grandeza Unidade Carga da vagoneta P= 3500 kgf Velocidade V= 0,8 Diâmetro do tambor D= 600 mm Ângulo de inclinação da rampa α= 17 Graus Núm. de polos do motor np= 4 Pólos Tabela 01 - dados fornecidos para o projeto Além disso, temos informações relativas ao diâmetro do eixo e da roda da vagoneta, medindo 8 cm e 50 cm, respectivamente. Considera-se um regime de trabalho contínuo e de carga máxima, sendo 24 h/dia com vida de projeto de 90.000 horas. 3. Determinação da potência do motor elétrico 3.1. Cargas atuantes Figura 01 - Esquema de distribuição de forças Analisando a Figura 01, conduzimos os cálculos desenvolvendo as componentes da força peso da vagoneta. Onde: PT = Peso total PN = Carga normal total P = Carga da vagoneta α = Ângulo de inclinação 8 PT = PT = PN = PT = 3.2. Atrito A força de atrito que atua no sistema é calculada através da seguinte expressão: Sendo: PN = Carga normal total Wt = Atrito total, indicado pela fórmula: Wt = + 0,005 Onde: µ = Coeficiente de atrito da carreta, em mancais é utilizado 0,002. f = Resistência ao rolamento entre roda e trilho, neste caso será adotado 0,05, para resistência de aço com aço. d = Diâmetro do eixo D = Diâmetro da roda 0,005 = Fator de combinação de atritos de rolamento e de escorregamento. Wt = + 0,005 = Desenvolvida todas a incógnitas, é possível obter a força de atrito, logo: = 16,7889 kgf 3.3. Força exercida no cabo Nessa etapa, considerando o peso total da vagoneta, calculamos a força que atua no cabo para transporte da mesma, dada pela formula: F = 1040,0889 kgf 3.4. Potência efetiva Inicialmente, para cálculo da potência requerida pelo equipamento, temos as variáveis descritas na seguinte formula: 9 Nef = 11,0943 cv 3.5. Potência do motor Para obter a potência de acionamento necessária para o sistema e, consequentemente, efetuar a seleção do motor elétrico, é necessário um estudo da cadeia de cinemática na qual será transmitida a força motriz. N = Onde: Nef = Potencia efetiva ηtotal = Rendimento total do sistema O rendimento total (ηtotal) é definido considerando o rendimento individual de cada elemento presente na cadeia cinemática, visto que em uma transmissão há dispersão de energia ligada a inúmeros fatores. Analisando o esquema do conjunto de acionamento, definimos os seguintes rendimentos: Rolamentos Engrenagens Correntes Cabo Acoplamento ᶯ 0,998 ᶯ 0,962 ᶯ 0,97 ᶯ 0,95 ᶯ 0,97 Tabela 02 - Rendimento dos elementos do sistema ηtotal = = 0,7601 N = = 14,5958 cv 4. Seleção do motor O motor é um dos elementos padronizados pelo fabricante. Com a potência calculada e o número de polos definido inicialmente, selecionamos no catálogo da Weg, na classe de motores W22, um motor que atenda ao cálculo e contemple as especificações solicitadas: Figura 02 - Catálogo Weg W22 IR3 Premium. 10 Filtrando no catálogo digital da Weg, na linha de produtos W22 IR3 Premium, obtemos documentos informativos acerca do produto. A escolha da linha Premium justifica a condição do projeto ser desenvolvido de forma prática, apesar de ter sido indicada a linha IR2, que atualmente está descontinuadapelo fabricante, por questões de custo no projeto. Figura 03 - Folha de dados técnicos do produto. Figura 04 - Desenho de fabricação 11 5. Relação de transmissão Para concluir os cálculos da relação de transmissão no conjunto, devemos encontrar a rotação de serviço do tambor: ηserv. = ηserv. = = 25,4647 rpm A relação de transmissão total, entre a rotação de saída do motor e a de serviço do tambor será descrita conforme a seguinte formula: itotal = itotal = = 69,1153 5.1. Relação de transmissão do redutor Nesta aplicação, o redutor de velocidades tem como objetivo limitar a velocidade de acionamento do motor ao passo que transmite a potência para o tambor. Considerando que as reduções de velocidade estarão presentes em dois elementos do conjunto, a transmissão por correntes e o próprio redutor, a princípio iremos considerar a relação de 3 para as correntes, a fim de obter a relação de redução mínima: itotal = iredutor = iredutor = = 23,0384 Para redutores de 2 estágios (2 pares de engrenagens cilíndricas de dentes retos), a relação de transmissão máxima é de 1:45, atendendo a condição do projeto. Agora, se faz necessário verificar as repartições por estágio, assim: 1º Estágio i1 = i1 = = 5,8399 2º Estágio i2 = 12 i2 = = 3,9450 Por fim, calculamos a rotação no eixo de saída do redutor: iredutor = → ηsaída = ηsaída = = 76,3942 rpm 6. Dimensionamento e seleção das correntes As correntes de rolos são mecanismos notoriamente eficientes para transmissão de potência mecânica em aplicações industriais. Em condições apropriadas de trabalho, seu rendimento atinge 98%, além de apresentar um desempenho satisfatório em ambientes de poeira e abrasivos, assim como boa resistência em altas temperaturas. 6.1. Relação de transmissão O calculo da relação de transmissão das correntes é expresso pela seguinte formula: i = = Onde: η1 = Rotação do eixo motor η2 = Rotação do eixo movido N1 = Número de dentes da roda denta motora N2 = Número de dentes da roda denta movida Para fins de validação dos cálculos, a rotação do eixo motor deve ser igual a rotação de saída do redutor, desenvolvendo a operação fixando a relação de 1:3, temos: 3 = η1 = = 76,3941 rpm Preliminarmente, foi sugerido para roda motriz 17 dentes, por convenção é o mais usual. Entretanto, após algumas tentativas concluímos que o valor que atende as especificidades do projeto é N1= 15, seguindo os cálculos: 3 = N2 = = 45 13 6.2. Potência de projeto A potência de projeto (Np) para corrente de rolos é determinada em função da potência nominal do motor corrigida por fatores baseados nos tipos de carga (fator Kc) e no número de dentes da roda dentada menor (fator Kd), de acordo com a seguinte formula: Np = Ambos os fatores são consultados em tabelas, conforme descrito a seguir: Apresentado inicialmente o regime de trabalho, utilizamos choques moderados para vencer a inércia. Definido número de dentes igual a 15, prosseguimos com desenvolvimento do cálculo: Np = Np = 24,7059 cv. Logo, é determinar o passo combinando essas informações através de um gráfico que indica possíveis tamanhos de corrente para transmissão de potência a uma velocidade preestabelecida. Aconselha-se utilizar uma corrente simples, analisando custo e complexidade de confecção, porém, quando esta Figura 05 - Tabela fator Kc. Figura 5- Tabela fator Kc Figura 06 - Tabela fator Kd. 14 Conclui-se que o passo a ser utilizado será de 38,10 mm (1 "), atendendo a velocidade máxima tabelada, obedecendo a condição do diâmetro da roda dentada movida não exceder o diâmetro do tambor, como será evidenciado a seguir. 6.3. Rodas dentadas Para averiguação dos cálculos e seleção das rodas dentadas, devemos descobrir seus respectivos diâmetros primitivos, cuja formula é: Dp = Onde: p = Passo da corrente N = Número de dentes da roda dentada Roda Motriz Dp1 = = 183,2612 mm Figura 07 - Gráfico de passo da corrente. 15 Roda Movida Dp2 = = 546,1859 (< 600) Analisando o catálogo do fabricante Enco, obtemos tabelas descritivas acerca das especificações técnicas para fabricação das rodas dentadas de acordo com as normas DIN/ISO 24B-2. Figura 08 - Catálogo Enco de rodas dentadas. Por fim, calculamos a distância entre centros (C) das rodas dentadas estabelecendo alguns critérios. O valor deve ser um pouco maior que a metade da somatória dos diâmetros externos das rodas, podendo seguir o seguinte parâmetro: 16 Assim, garantimos uma boa margem para que a corrente possa se ajustar ao efeito poligonal. Logo: mm 6.4. Seleção da corrente Para finalizar a seleção da corrente, há necessidade de calcular o número de elos, apresentado na seguinte fórmula: Onde: C = Distância entre centros p = Passo da corrente N1 = Número de dentes da roda dentada motora N2 = Número de dentes da roda dentada movida E = = 90,8636 Adota-se "E" para unidade par imediatamente superior a calculada E = 92. Desta forma, no catalogo da fabricante Cerello, selecionamos a corrente que satisfaz as condições estudadas. Figura 09 - Catálogo Cerello de correntes de rolo. 17 7. Dimensionamento das engrenagens Tendo sido previamente desenvolvido o cálculo da relação de transmissão por estágios do redutor (ver tópico 5.1), seguimos o dimensionamento dos pares de engrenagem obedecendo dois critérios: 1º. Critério de desgaste (pressão, contato, pitting) - tem a finalidade de garantir que não haja desgaste no flanco do dente dentro da vida útil projetada.Utiliza a formulação de Hertz para dois cilindros em contato, obtendo a seguinte expressão: O produto BD 2 representa o “volume mínimo” da engrenagem, capaz de transmitir a potência “N”, a uma rotação “n”, sob uma pressão “k”. Em "i±1" é empregado sinal positivo para engrenamento externo e o negativo para engrenamento interno. 2º. Critério de resistência (quebra) - visa assegurar, durante a vida útil, que não ocorra quebra. Utiliza a resistência dos materiais para sua análise, de modo que a tensão máxima provocada pelo engrenamento deverá ser menor que a tensão admissível do material, de acordo com a fórmula: 7.1. Dimensionamento do 1º pinhão 7.1.1. Critério de desgaste para P1 Tendo em vista que o pinhão é a engrenagem mais solicitada do sistema por receber a maior rotação, consequentemente tendo maior desgaste, iniciamos os cálculos partindo deste critério. Inicialmente, desenvolvemos a expressão da "pressão k": k = Onde: HB = Dureza Brinell no flanco do dente n = Rotação da engrenagem (1760 rpm). h = Vida da engrenagem (90.000 horas) E = Módulo de elasticidade do material (Eaço = 21.000 kgf/mm 2 ) Consultando a tabela a seguir, adotamos um material que apresente maior dureza, a fim de atender a aplicação. No caso, um 8620 cementado com tensão admissível de 15 kgf/mm 2 e dureza Brinell de 600 kgf/mm2 . 18 Para não usar o limite máximo do material, adotamos 580 kgf/mm 2 . k = = 0,5152 kgf/mm2 Pelo critério de desgaste: Nesta aplicação, utilizamos a relação de B/D ≤ 1,2, por se tratar de pinhão bi- apoiado.Portanto, isolando B e substituindo na equação anterior temos: B = Sendo: B = Largura da engrenagem. D = Diâmetro da engrenagem. = 41,7279 mm Nessa etapa, calculamos a velocidade periférica da engrenagem com intuito de estabelecer o número mínimo de dentes. Figura 11 - numero mínimo de dentes Figura 10 - Tabela de materiais de engrenagens 19 Como mostra a tabela, para velocidades acima de 2 m/s o número mínimo de dentes é 14. Por convenção, no cálculo do módulo, utilizaremos 15 dentes. Onde: D = Diâmetro da engrenagem. Z = Número de dentes. Os módulos são padronizados segundo a norma DIN 780, sendo assim atribuído o valor próximo superior ao calculado, neste caso 3. Com essas informações, recalculamos o diâmetro do pinhão considerando o módulo normalizado. Definido o diâmetro primitivo, determinamos agora a largura, substituindo as variáveis na equação: É conveniente que o pinhão e a coroa não possuam a mesma largura, devido a dilatação térmica que pode acontecer entre ambos e também para garantir a área de contato. Para isso, é solicitada fabricação do pinhão com uma largura, aproximadamente, 5% maior que a calculada, com isso temos o seguinte resultado: Figura 12 - Módulos normalizados. 20 Verificando a relação B/D ≤ 1,2: Portanto, o material utilizado atende pelo critério de desgaste: 7.1.2. Critério de resistência para P1 Comprovando pelo critério de resistência, devemos analisar dois fatores: Fator de carga "e" - varia conforme o regime de utilização, para esta aplicação adotamos e= 0,8, para utilização continua e carga máxima. Fator de correção "q" - depende do tipo de engrenamento e o número de dentes da engrenagem. Nesse caso, trata-se de engrenamento externo, então consultamos a tabela correspondente: Conclui-se que o material satisfaz ambos os critérios. 7.2. Dimensionamento da 1ª coroa O dimensionamento da primeira coroa está precisamente relacionado a valores do primeiro pinhão, tais como módulo, largura e relação de transmissão. Portanto, iniciamos os cálculos definindo especificações dimensionais para em seguida estabelecer o material que suporte as tensões. Numero de dentes da coroa 1 Figura 13 - Fator de correção "q". 21 Diâmetro da coroa 1 Rotação da coroa 1 A largura da cora 1 será a mesma do pinhão, mas sem o acréscimo de 5% da fabricação. Sendo assim, a largura será de 43,0561, mas para fabricação será de 43. 7.2.1. Critério de desgaste para C1 Visto que as dimensões da engrenagem foram definidas, utilizamos o modelo do critério de desgaste para obter a dureza do material: Substituindo na fómula da "pressão k": 7.2.2. Critério de resistência para C1 Para obter a tensão máxima para o volume definido da engrenagem, calculamos através do critérios de resistência. Definindo fator "q" para número de dentes maior que e 60, temos: 22 7.2.3. Definição do material Constatou-se que o material aço ABNT 1045 com tempera superficial atende as solicitações mecânicas inerentes a coroa 1, oferecendo até 450 HB de dureza com tensão admissível de 13 kgf/mm 2 . 7.3.Dimensionamento do 2º pinhão Para o dimensionamento do segundo pinhão será utilizado um método secundário, partindo da redução de rotação em relação ao pinhão anterior, porém com aumento em sua solicitação com relação a resistência. Aumentando o número de dentes, consequentemente altera-se o fator de correção "q" para engrenamento externo, nesse caso definimos 17 dentes, portanto: Logo, descrevemos o módulo através da seguinte expressão. De acordo com a relação B/D ≤1,2 temos: Visando atingir a um resultado o mais próximo possível de 1,2, a equação terá a seguinte relação: 23 Sendo assim, o cálculo será feito utilizando, o critério de resistência, seguido do critério de desgaste, onde o valor do diâmetro primitivo desse pinhão será colocado em evidência. Ao final do processo, as equações obtidas serão igualadas a fim de obter um valor em função da tensão do material. 7.3.1. Critério de resistência 7.3.2. Critério de desgaste Primeiro, calculamos o valor da pressão "k", segundo as variaveis nessa transmissão: Substituindo o fator na expressão do critério de desgaste: 7.3.3. Análise das equações Igualando, as equações I e II, temos: Fazendo uma comparação entre a tensão (σmáx) e a dureza (HB), buscamos possíveis materiais que atendam aos requisitos, para isso acompanhamos a seguinte tabela: 24 σmáx HB 10 444 12 487 13 507 15 544 20 628 Tabela 1 - Resultados de dureza para diferentes tensões. Analisando a correlação, é viável selecionar o mesmo material utilizado no primeiro pinhão, ou seja, um 8620 cementado que oferece até 600 HB de dureza com tensão admissível de 15 kgf/mm 2 , pois além de atender as solicitações mecânicas previstas favorece a compra de material e a manufatura. Substituindo valor na equação I, obtemos: Agora, alterando o modulo com base no diâmetro: Para validar a operação, recalculados o diâmetro segundo módulo normalizado: Utilizando a equação do critério de resistência, substituindo as incógnitas, determinamos a largura (Bp2) do segundo pinhão: Como descrito para o primeiro pinhão, a largura deve ser 5% maior com relação a coroa, pelas razões mencionadas anteriormente (área de contato, dilatação térmica). Desse modo, para fabricação será adotado Bp2 = 80,6843 mm ≈ 81 mm. Verificando a relação entre a largura dos dentes e o diâmetro primitivo para pinhão bi- apoiado, concluímos: 25 7.4. Dimensionamento da 2ª coroa O principio para dimensionar a segunda coroa é o mesmo utilizado para primeira, revisando os dados: i2 = 3,9450 m = 4 η2= 301,42 rpm Z1 = 17 dentes Bc2 = 76,8422 Número de dentes da coroa 2 Diâmetro da coroa 2 Rotação da coroa 1 Como geometricamente a coroa já está definida, partimos para escolha do material. 7.4.1. Critério de desgaste para C2 Substituindo na fómula da "pressão k": 7.4.2. Critério de resistência para C2 Para obter a tensão máxima para o volume definido da engrenagem, calculamos por meio do critério de resistência. Como o numero de dentes ainda é maior que 60, temos que o fator q = 2,6, potanto: 26 7.4.3 Definição do material Nota-se que o aço 1045 com tempera superficial suporta as solicitações mecânicas presentes na coroa 2, oferecendo entre 170 e 450 HB de dureza com tensão admissível de 13 kgf/mm 2 , além disso oferece vantagens em relação aos custos do projeto por ser o mesmo material utilizado na primeira coroa. 8. Peso das engrenagens Considerando a influência do peso da engrenagem no dimensionamento do eixo, calculamos através da seguinte fórmula: Onde: P = Peso da engrenagem D = Diâmetro da engrenagem B = Largura da engrenagem γ = Peso específico; para o aço γaço = 0,0078 (g/mm 3 ) Será subtraído 30% do peso calculado das coroas, pois esse valor corresponde ao total de massa retirado no alívio das mesmas. 8.1. Peso do pinhão 1 8.2. Peso da coroa 1 27 8.1. Peso do pinhão 2 8.2. Peso da coroa 2 9. Resumo dos resultados A fim de facilitar a visualização dos cálculos realizados até o momento, tabelamos as engrenagens com suas respectivas especificações: Engrenagem Diâmetro primitivo (mm) Largura B (mm) N° de dentes Módulo Rotação (rpm) Material Tratamento térmico Dureza (hb- kgf/mm²) Tensão adm. (kgf/mm²) Peso (kg) Pinhão 1 45 45,2 15 3 1760 8620 Cementado Temperado 600 HB 15 0,560 Coroa 1 261 43,1 87 301,42 1045 Tempera Superficial 170-450 HB 13 12,590 Pinhão 2 68 80,7 17 4 301,42 8620 Cementado Temperado 600 HB 15 2,286 Coroa 2 268 76,8 67 76,41 1045 Tempera Superficial 170-450 HB 13 23,716 Tabela 2 - 10. Verificação de interferência Para garantir que não haja interferência entre a primeira coroa e o terceiro eixo, realizamos o cálculo através da seguinte expressão: Sendo: Dp2 = Diâmetro do pinhão 2 Dc2 = Diâmetro da coroa 2 Figura 14 - Croqui demonstrativo 28 Sendo: Dc1 = Diâmetro da coroa 1 m1 = Módulo do primeiro par de engrenagem Com essas informações é possivel estipular o diâmetro máximo do terceiro eixo: 11. Seleção de acoplamento Para esta aplicação, nos orientamos pelo fabricante TeTeFlex, linha de acoplamentos de pino e bucha TeTeFlex Plus. Os cálculos são exemplificados para a escolha do acoplamento compatível com o projeto. As fórmulas e recomendações de uso foram seguidas conforme as indicações do fabricante em seu catálogo. A seguir, fatores relevantes a aplicação do projeto devem ser analisados: Para o acoplamento foram considerados somente os fatores de partida, serviço e de funcionamento. Os demais fatores ou não são aplicáveis ao projeto ou tem sua relevância igual a 1 para incremento do Fator Total. Figura 2 Figura 3 29 Consultando a tabela, selecionamos o acoplamento cujo torque nominal seja menor que o máximo calculado anteriormente: Selecionado o tamanho D 4 de acoplamento, que atende as especificações do projeto (220 < 246). Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 30 12. Layout da máquina No estudo inicial do layout da máquina, foi definida a posição de cada elemento para que o eixo seja dimensionado sem o impacto da influência dos sentidos das forças. Para isso, é feito uma análise criteriosa que nos permita obter um conjunto mais compacto sem desconsiderar as exigências de funcionamento e manutenção 12.1. Esquema de atuação das forças Para fins didáticos, representamos as forças que atuarão em todos os componentes do projeto. Figura 9 Figura 8 31 13. Dimensionamento dos eixos 13.1. Dimensionamento do eixo de entrada (E1) Inicialmente, calculamos o momento torsor considerando os esforços vindos do motor, portanto: Sendo: N = Potencia do motor = 15 cv n = Rotação do motor = 1760 Pra distribuição das forças, é necessario um estudo prévio dos rolamentos a serem montados na carcaça. Para isso, tomamos o diâmetro máximo que foi calculado para o terceiro eixo, analisamos as opções de rolamentos para estipular uma largura que será admitida apenas para fins de cálculo. Agora, é possível determinar a força tangencial, seguindo a seguinte fórmula: A força radial é a reação ao escorregamento em um ângulo de 20 graus entre um dente e outro, representado pela fórmula: Conforme exemplificado no esquema de atuação das forças, o peso do acoplamento interage com o eixo de entrada, logo deve ser avaliado no cálculo. De acordo com as especificações o peso previsto no catálogo é de 4 kg, então temos: Figura 10- Diagrama de momento torsor E1. 32 13.1.1. Plano Vertical E1 Nessa etapa, faremos uma análise das forças em seus respectivos planos determinando a reação nos apoios, abaixo temos a representação da força tangencial somada ao peso do pinhão 1: Substituindo na primeira equação: Realizando a somatória de momentos nos pontos temos: Figura 11 Figura 12 - Diagrama de momento fletor plano vertical E1 33 13.1.2. Plano Horizontal E1 Substituindo na primeira equação: Realizando a somatória de momentos nos pontos obtemos: Figura 13 Figura 14- Diagrama de momento fletor plano horizontal E1. 34 13.1.3. Momento fletor equivalente Analisando os pontos onde temos momentos fletores máximos em ambos os planos, calculamos o momento fletor equivalente: 13.1.4. Definição do material O material a ser utilizado na fabricação do eixo é determinado de acordo com a operação, pois devem conferir alta resistência mecânica, baixa sensibilidade à concentração de tensões e boa usinabilidade. Aços com baixo e médio teor de carbonono são muito empregados, geralmente com tratamentos térmicos de tempêra ou normalização. Visualizandoa tabela que relaciona os materiais e suas respectivas tensões de ruptura, considerando o tipo de solicitação, seleciono o aço SAE 4320 normalizado, pois apresenta a mesma tensão de ruptura que o material utilizado no primeiro pinhão com σrup = 65 kgf/mm 2 13.1.5. Tipo de carregamento Para esta aplicação temos dois tipos de carregamentos: Tensão constante Tensão alternada A tensão admissível para o tipo de carregamento I é calculada em função da tensão de ruptura do material: Figura 15 Figura 16 Figura 17 35 Já a tensão admissível para o tipo de carregamento III é obtida através da tensão calculada anteriormente: 13.1.6. Critério de Dobrovolski Para determinação do diâmetro mínimo do eixo, utilizamos o critério de Dobrovolski, que se baseia na expressão de dimensionamento por flexão, acrescido de um conceito de combinação dos momentos fletor e torsor, este por sua vez proporciona um momento fictício chamado de momento ideal ou combinado, e o efeito de carregamento diferente é corrigido pelo fator α, conforme fórmula: O fator α relaciona as tensões provocadas por diferentes tipos de carregamentos. Sendo: Substituindo as variáveis na fórmula, temos: Verificando a condição de espaçamento entre o diâmetro interno da engrenagem e a base superior da chaveta, que deve ser duas vezes o módulo, concluimos que este deve ser um eixo pinhão. Portanto a matéria-prima será um aço SAE 8620 cementado, pois como mencionado anteriormente, apresenta uma tensão de ruprtura que satisfaz os cálculos. 13.2. Dimensionamento do eixo intermediário (E2) Calculamos o momento torsor considerando a redução na rotação do segundo eixo 36 Lembrando que o eixo intermediário é solicitado pela coroa (C1) e pinhão (P2), devemos determinar forças radiais e tangenciais para cada engrenagem, portanto: Força tangencial C1 Força radial C1 Força tangencial P2 Força radial P2 13.2.1. Plano vertical E2 Figura 19 Figura 18 37 Substituindo na primeira equação: Realizando a somatória de momentos nos pontos temos: 13.2.2. Plano horizontal E2 Figura 21 Figura 20- Diagrama de momento fletor plano vertical E2 38 Substituindo na primeira equação: Realizando a somatória de momentos nos pontos temos: 13.2.3. Momento fletor equivalente Analisando os pontos onde temos momentos fletores máximos em ambos os planos, calculamos o momento fletor equivalente: Figura 22- Diagrama de momento fletor plano horizontal E2 39 13.2.4. Definição do material Considerando o tipo de solicitação, ainda é preferível manter o aço SAE 4320 normalizado, pois apresenta a mesma tensão de ruptura que o material utilizado no segundo pinhão com σrup = 65 kgf/mm 2 13.2.5. Critério de Dobrovolski Onde: σI = 21,645 σIII = 5,696 13.3. Dimensionamento do eixo de saída (E3) Calculamos o momento torsor considerando a redução na rotação do terceiro eixo Figura 24 Figura 23 40 Força tangencial C2 Força radial C2 Sabendo que o eixo de saída é solicitado pela coroa (C2) e pela roda dentada será necessário termos a força de transmissão da roda dentada motora para que se possa achar a resultante das forças em um ponto. Resultante A resultante da transmissão é dada pela fórmula: Onde: FTr = Força de transmissão f = Fator de carga 13.3.1. Peso da roda dentada Será utilizado o mesmo principio da determinação do peso das engrenagens: Figura 25 41 13.3.2.Peso da corrente Adota-se o peso da corrente como sendo 1/3 do seu peso sobre a roda dentada motora e 2/3 sendo na roda dentada movida: Onde: E = Numero de elos P = Passo da corrente PC = peso da corrente = 0,0135 kg/mm 13.3.3. Plano vertical E3 Substituindo na primeira equação: Realizando a somatória de momentos nos pontos temos: Figura 26 42 13.3.4. Plano horizontal E3 Substituindo na primeira equação: Realizando a somatória de momentos nos pontos temos: Figura 28 Figura 27 - Diagrama de momento fletor plano vertical E3 43 13.2.3. Momento fletor equivalente Nesse caso, observa-se que os pontos "b" e "c" apresentam maiores momentos fletores no plano horizontal e vertical, respectivamente, portanto calcula-se com os valores de cada ponto nos planos, utilizando o maior momento (visto que será a região mais solicitada) para efetivação dos cálculos. 13.2.4. Definição do material Tendo em vista que este eixo deve suportar maior numero de esforços, optamos pelo aço SAE 4340 tratado com tempera total e σrup = 160 kgf/mm 2 . 13.2.5. Critério de Dobrovolski Figura 29 - Diagrama de momento fletor plano horizontal E3 Figura 30 44 Onde: σI = σIII = 14. Seleção dos rolamentos É requisito de projeto que os rolamentos utilizados sejam autocompensadores de rolos, uma vez que lidamos com cargas radiais e axiais muito pesadas em uma aplicação que podepredispor o eixo a desalinhamento ou deflexão. Para seleção dos tamanhos do rolamento utilizamos as equações de vida, conforme norma ISO 281, orintado pelo catálogo do fabricante SKF. 14.1. Rolamento do eixo 1 Onde: Lh = vida nominal básica (horas de funcionamento) = 90.000 horas L = vida nominal básica (milhões de revoluções) n = velocidade de rotação = 1760 rpm Para calcularmos a capacidade dinâmica do rolamento é necessário considerar os esforços que atuam sobre o eixo em que o rolamento será dimensionado. Portanto: Figura 31 - Reações no eixo 1. 45 Carga equivalente no ponto "a" [Peq(a)] Carga equivalente no ponto "c" [Peq(c)] Substituindo o maior valor na fórmula da capacidade dinâmica: Sendo: C = Capacidade dinâmica P = Carga equivalente n = Expoente da equação de vida para rolamentos de esferas = 3 para rolamentos de rolos = 10/3 Filtrando no site do fabricante com as informações referentes ao diâmetro do eixo e capacidade dinâmica, selecionamos o rolamento. Para esta aplicação, foi utilizada a linha 22208 E (Anexo A) 14.2. Rolamento do eixo 2 A seleção de todos os rolamentos será orientada pelas equações de vida. Considerando os esforços que atuam sobre o eixo em que o rolamento será dimensionado, determinamos a capacidade dinâmica: Figura 32 - Reações no eixo 2. 46 Carga equivalente no ponto "a" [Peq(a)] Carga equivalente no ponto "d" [Peq(d)] Substituindo o maior valor na fórmula da capacidade dinâmica: Filtrando no site do fabricante foi estabelecido o rolamento da linha 22210 E (Anexo B). 14.3. Rolamento do eixo 3 Considerando os esforços que atuam sobre o eixo em que o rolamento será dimensionado, determinamos a capacidade dinâmica: Carga equivalente no ponto "b" [Peq(b)] Carga equivalente no ponto "d" [Peq(d)] Substituindo o maior valor na fórmula da capacidade dinâmica: Figura 33 - Reações no eixo 3. 47 Filtrando no site do fabricante foi estabelecido o rolamento da linha 22213 E (Anexo C). 15. Seleção dos retentores O retentor tem por finalidade primordial reter óleos, graxas ou outros fluidos que devem ser contidos internamente na máquina ou em outro agregado mecânico. É sempre empregado entre duas peças que tenham movimento relativo. Este elemento cumpre a função de vedação tanto em condição estática como dinâmica, além de ser flexível a variações de temperatura e meio externo. As definições descritas no presente projeto foram orientadas pela norma DIN 3761 e as informações coletadas no catálogo do fabricante Sabó. Serão utilizados dois retentores, para os eixos de entrada e saída do redutor. Ambos serão do tipo BRG, que possui a vedação principal com mola, proteção contra poeira e é recoberto externamente com borracha. Sendo o material do lábio NBR (nítrilica), mais usual em aplicações industriais (Anexo D). 16. Seleção das chavetas Chaveta é um elemento de máquina que serve para transmitir potência do eixo para a roda (polias, engrenagens, volantes, etc.), fazendo-os girar solidariamente. Fabricada em aço, ela se interpõe em uma cavidade de um eixo e de um cubo. Para seu dimensionamento consideramos os esforços atuantes, mais especificamente o tipo de deformação. Nessa aplicação foram utilizados valores orientativos retirados da apostila de Desenho Técnico Mecânico II, Fatec - SO, conforme norma DIN 6885. Figura 34 - Perfil do retentor utilizado 48 15.1. Chaveta para eixo de entrada 15.1.1. Acoplamento As chavetas são dimensionadas por esmagamento e cisalhamento: Esmagamento Onde: Mt1 = Momento torsor no eixo 1 = 6.103,977 kgf.mm h = Altura da chaveta (ver figura x) de1 = Diâmetro do eixo 1 = 30 mm σesc = Tensão de escoamento FS = Fator de segurança Para tensão de escoamento definimos o material, segundo a seguinte tabela: Material σe [kgf/mm 2 ] τc [kgf/mm 2 ] SAE 1020 21 12,50 SAE 1030 26 15,50 SAE 1040 31 18,50 Tabela 3 - Materiais para chaveta. Figura 35 - Tabela dimensional de chavetas 49 Para o fator de segurança analisamos o tipo de carregamento, segundo a seguinte tabela: Tipo de Carregamento F.S. Constante (uniforme) 2 Intermitente 3 Reverso ou com choques 6 Tabela 4 - Fator de segurança. Cisalhamento Optando pelo maior valor definimos as dimensões normalizadas: Chaveta tipo "A" 8 X 7 X 50 DIN 6885. 15.2. Chaveta para eixo intermediário 15.2.1. Coroa 1 Esmagamento Material σe [kgf/mm 2 ] τc [kgf/mm 2 ] SAE 1020 21 12,50 SAE 1030 26 15,50 SAE 1040 31 18,50 50 Cisalhamento Optando pelo maior valor definimos as dimensões normalizadas: Chaveta tipo "A" 9 X 14 X 40 DIN 6885. 15.3. Chaveta para eixo de saída 15.3.1. Coroa 2 Esmagamento Material σe [kgf/mm 2 ] τc [kgf/mm 2 ] SAE 1020 21 12,50 SAE 1030 26 15,50 SAE 1040 31 18,50 Cisalhamento Optando pelo maior valor definimos as dimensões normalizadas: Chaveta tipo "A" 12 X 20 X 63 DIN 6885. 51 15.3.2. Roda Dentada Cisalhamento Visto que a largura mínima necessária não atende aos requisitos de projeto da roda dentada, será necessário a utilização de duas chavetas: Chaveta tipo "A" 10 X 16 X 56 DIN 6885. 52 Anexos Anexo A - Especificações técnicas do rolamento 22209 E 53 Anexo B - Especificações técnicas do rolamento 22210 E 54 Anexo C - Especificações técnicas do rolamento 22213 E 55 Referências Consultas para a realização dos procedimentos da seleção do motor: Catálogo – WEG - para motores trifásicos. Consultas para realização do cálculo de engrenagens: Apostila Prática- PROJETO DE ENGRENAGEM- Prof. M.Sc. Luiz Alberto Balsamo (março / 2011). Consultas para seleção de acoplamentos: Catálogo – TeTeFlex -para acoplamentos de pino e bucha. Consultas para realização dos cálculos dos eixos: Apostila de EIXOS- Prof. José Antonio Esquerdo Lopes- (FATEC SO, 2005). Consultas para a seleção da Corrente: Catálogo de Correntes- Standard- Dupla. Fabricante Cerello. Consultas para a seleção da Roda Dentada: Catálogo de Roda Dentada- Fabricante Enco.