Dimensionamento Mecânico de Empilhadeira com Nivelamento

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DIMENSIONAMENTO MECÂNICO DE UMA EMPILHADEIRA COM 
MECANISMO DE NIVELAMENTO 
 
Rafael Montes do Amaral 
 
 
 
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de 
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, 
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como 
parte dos requisitos necessários à obtenção do 
título de Engenheiro. 
 
Orientador: 
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. 
 
 
 
 
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL 
SETEMBRO DE 2016 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
DEM/POLITÉCNICA/UFRJ 
 
DIMENSIONAMENTO MECÂNICO DE UMA EMPILHADEIRA COM 
MECANISMO DE NIVELAMENTO 
 
Rafael Montes do Amaral 
 
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE 
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE 
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS 
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. 
 
Aprovado por: 
________________________________________________ 
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. (Orientador) 
 
________________________________________________ 
Prof. Ricardo Manfredi Naveiro, D.Sc. 
 
________________________________________________ 
Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc 
 
 
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL 
SETEMBRO DE 2016
 
i 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Amaral, Rafael Montes do 
Dimensionamento mecânico de uma empilhadeira com 
mecanismo de nivelamento/ Rafael Montes do Amaral - Rio 
de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2016. 
VIII, 87 p.: il.; 29,7 cm. 
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho 
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / 
Curso de Engenharia Mecânica, 2016. 
Referências bibliográficas: p. 86-87. 
1. Máquina de elevação. 2. Equipamento Hidráulico. 
3. Mecanismo de nivelamento. 4. Projeto Mecânico. 
I. Pina Filho, Armando Carlos de. II. Universidade Federal 
do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Engenharia 
Mecânica. III. Título. 
 
ii 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho aos 
meus pais, Bárbara Montes e 
Marcos Vidigal 
 
iii 
AGRADECIMENTOS 
 
Gostaria de agradecer imensamente aos meus pais, Bárbara Maria Padão Montes 
do Amaral e Marcos Vidigal do Amaral, primeiramente pelo amor que me oferecem ao 
longo de toda a minha vida, pela boa educação que me deram, o que me permitiu me 
tornar uma pessoa correta, e finalmente, pelo apoio, liberdade e compreensão durante os 
meus anos de Universidade. 
Agradeço também a outros familiares, que de alguma forma participaram dessa 
etapa da minha vida, irmãos, tios, avós, primos. Em especial aos meus irmãos, Pedro e 
Luiz, que estão sempre presentes em minha vida, e com quem sei que poderei contar para 
qualquer situação. 
Aos meus amigos, presentes em todos os momentos, tanto nos momentos de 
alegria e diversão, quanto nos momentos de dificuldade. Amigos dos tempos de Campo 
Grande, da Barra da Tijuca, e outros bons amigos. Um agradecimento especial aos amigos 
da faculdade, que compartilharam comigo muitas alegrias e dificuldades ao longo de 
todos esses anos. 
À minha namorada, Sabrina, por seu companheirismo. Por estar presente durante 
grande parte da minha vida universitária. Por me apoiar em minhas decisões, por entender 
meus momentos de ausência para estudo, e por estar ao meu lado nos bons momentos de 
lazer. 
Por fim agradeço ao professor Armando, por ter aceitado me orientar nesse 
projeto, sempre se mostrando solícito e prestativo, e contribuindo com valiosos conselhos 
ao trabalho. 
 
 
iv 
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos 
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. 
 
DIMENSIONAMENTO MECÂNICO DE UMA EMPILHADEIRA COM 
MECANISMO DE NIVELAMENTO 
 
Rafael Montes do Amaral 
Setembro/2016 
 
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho 
Curso: Engenharia Mecânica 
 
Historicamente a movimentação de carga é uma atividade fundamental para a 
sociedade e para o homem. Seja na construção civil, na indústria, nos portos, ferrovias, 
na agricultura ou em centros distribuidores, é indispensável o uso de meios que permitam, 
erguer e transportar os mais variados tipos de carga. São tantas as diversas necessidades 
específicas, que novos equipamentos destinados a aplicações únicas são constante objeto 
de estudo dos fabricantes. O presente trabalho tem por objetivo desenvolver o conceito 
de um equipamento voltado para a movimentação de carga em superfícies planas e que 
possa atuar sobre pequenos aclives por meio de um mecanismo que permita seu 
nivelamento. Após uma análise quanto a escolha da melhor configuração para o 
equipamento, baseado nos tipos de equipamentos de elevação de carga do mercado e na 
aplicação do equipamento em análise, decidiu-se por desenvolver o projeto de uma 
empilhadeira manual motorizada. Foi feito um estudo quanto a viabilidade técnica do 
mesmo e o dimensionamento e especificação dos seus componentes, englobando o 
cálculo dos esforços envolvidos e a escolha dos materiais. 
 
Palavras-chave: Máquina de elevação, Projeto de máquinas, Empilhadeira, Mecanismo 
de nivelamento. 
 
v 
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the 
requirements for the degree of Mechanical Engineer. 
 
MECHANICAL DESIGN OF A STACKER WITH A LEVELLING MECHANISM 
 
Rafael Montes do Amaral 
September /2016 
 
Advisor: Armando Carlos de Pina Filho 
Course: Mechanical Engineering 
 
Historically the load transportation is a fundamental activity for society and for 
men. Whether in construction, industry, seaports, railways, in agriculture or in 
distribution centers, it’s imperative the use of means to allow the lifting and transportation 
of all kinds of cargo. There are so many the different specific needs, that new equipment 
for unique applications are constantly manufacturers’ object of study. The present work 
aims to develop the concept of an equipment focused on cargo handling over flat surfaces, 
as well as over sloped surface by way of a mechanism that allows its self levelling. After 
an analysis regarding the choose of the best setting for the machine, based on the types of 
lifting machines existent on the market and on the application of the equipment in 
question, it was decided to develop the project of a powered hand stacker. A study about 
the technical feasibility of it was done, as well as the design and specification of its 
components, encompassing the calculation of the efforts involved and the choice of 
materials. 
 
Keywords: Lifting machine, Machine design, Stacker, Levelling mechanism. 
 
vi 
Sumário 
1 Introdução.................................................................................................................. 1 
1.1 Motivação .......................................................................................................... 1 
1.2 Objetivo e requisitos do projeto ......................................................................... 1 
1.3 Movimentação de carga ..................................................................................... 2 
1.4 Pontes e pórticos rolantes .................................................................................. 5 
1.4.1 Pontes rolantes....................................................................................................... 5 
1.4.2 Pórticos rolantes .................................................................................................... 6 
1.5 Empilhadeiras .................................................................................................... 7 
2 Concepção do modelo ............................................................................................. 11 
2.1 Modelo 1 .......................................................................................................... 11 
2.2 Modelo 2 ..........................................................................................................13 
3 Conceito do equipamento ........................................................................................ 15 
3.1 Aplicações previstas ........................................................................................ 15 
3.1.1 Utilização em terreno plano ................................................................................ 15 
3.1.2 Utilização em terreno irregular............................................................................ 16 
3.1.3 Utilização em terreno inclinado .......................................................................... 16 
3.2 Análise das solicitações ................................................................................... 17 
3.2.1 Movimentação longitudinal ................................................................................. 18 
3.2.2 Tombamento lateral ............................................................................................. 28 
4 Dimensionamento e seleção dos principais componentes ....................................... 36 
4.1 Seleção do material .......................................................................................... 37 
4.1.1 Aços carbono comuns e microligados ................................................................. 38 
4.1.2 Aços inoxidáveis ................................................................................................. 40 
4.1.3 Escolha ................................................................................................................ 42 
4.2 Forquilhas ........................................................................................................ 43 
4.2.1 Escolha do perfil .................................................................................................. 44 
4.2.2 Análise dos esforços ............................................................................................ 46 
 
vii 
4.3 Torre de elevação ............................................................................................. 52 
4.3.1 Escolha do perfil .................................................................................................. 52 
4.4 Cilindros hidráulicos ........................................................................................ 53 
4.4.1 Simples ação ........................................................................................................ 54 
4.4.2 Dupla ação ........................................................................................................... 55 
4.4.3 Simbologia de cilindros hidráulicos .................................................................... 55 
4.4.4 Regra dos 80% .................................................................................................... 56 
4.4.5 Seleção do cilindro hidráulico de levantamento .................................................. 56 
4.4.6 Seleção dos cilindros hidráulicos de nivelamento ............................................... 58 
4.5 Motores hidráulicos ......................................................................................... 61 
4.5.1 Principais tipos .................................................................................................... 61 
4.5.2 Simbologia de motores hidráulicos ..................................................................... 63 
4.5.3 Motor hidráulico da roda de tração ..................................................................... 64 
4.5.4 Seleção do motor hidráulico ................................................................................ 70 
4.6 Corrente ........................................................................................................... 72 
4.6.1 Transmissão por correntes ................................................................................... 72 
4.6.2 Seleção da corrente .............................................................................................. 73 
4.7 Seleção das rodas ............................................................................................. 77 
4.7.1 Seleção do produto .............................................................................................. 77 
4.7.2 Determinação da capacidade de carga necessária ............................................... 77 
4.7.3 Seleção do material da roda................................................................................. 78 
4.7.4 Escolha ................................................................................................................ 79 
4.8 Pinos ................................................................................................................. 81 
5 Conclusão ................................................................................................................ 84 
6 Referências Bibliográficas ...................................................................................... 86 
 
 
1 
1 Introdução 
1.1 Motivação 
A motivação para o desenvolvimento do presente trabalho veio a partir da observação da 
falta de equipamentos no mercado destinados à movimentação de cargas em superfícies 
inclinadas. Esse tipo de equipamento seria útil para eventuais necessidades de mover 
cargas sobre aclives, como nos casos de socorro a animais feridos em encostas, de resgate 
em situações de emergência em terrenos acidentados, na possibilidade de um maior 
aproveitamento dos espaços disponíveis em armazéns, almoxarifados, depósitos, 
tornando possível a estocagem de material sobre rampas de acesso, por exemplo. 
1.2 Objetivo e requisitos do projeto 
Dada as observações descritas na seção 1.1, o projeto tem por objetivo desenvolver um 
conceito diferenciado de equipamento para elevação de carga, bem como demonstrar seu 
funcionamento, dimensionamento e especificação de seus componentes. 
O equipamento em estudo deverá ser capaz de atender aplicações comuns de elevação de 
carga em superfícies planas, e também a modos de utilização diferenciados: 
 Movimentação sobre superfície irregular; 
 Movimentação sobre superfície levemente inclinada. 
O foco do projeto será sua viabilidade técnica. O viés econômico para a fabricação e 
montagem de tal equipamento será considerado, porém não em detalhes. Aspectos 
referentes ao estudo da influência do comportamento do solo sob compressão não serão 
abordados. Limitações de tamanho e peso serão consideradas de modo a garantir boas 
condições de manobra ao deslocamento manual e certa portabilidade à máquina. 
Serão formuladas as equações que regem o carregamento do equipamento sobre 
superfícies planas e superfícies inclinadas. Em seguida serão atribuídos valores às 
variáveis com base na configuração final definida para o equipamento, e determinados os 
esforços, torques necessários e máximas inclinações permitidas para o equipamento em 
análise. 
 
 
 
2 
1.3 Movimentação de carga 
É o nome dado a atividade que consiste no levantamento, transporte e deslocamento de 
determinada carga. Pode ser feita manualmente, ou com a utilização de equipamentos e 
acessórios destinados a esse tipo de atividade. 
Desde o princípio das civilizações o homem se utiliza da movimentação de cargas, 
originalmente para construção civil, onde as cargas a serem movimentadas são de grande 
massa. No começo se utilizava de engenhosos mecanismos para facilitar a tarefa de 
carregar, descarregar mercadorias, construir. Desde alavancas, sistemas de polias até 
mesmo guindastes de madeira, nos quais os aspectos de segurança eram precários, e na 
maioria das vezes era necessário o esforço manual de enormes quantidades de operários, 
tal como mostrado na Figura 1. 
 
Figura 1 - Construção do Obelisco do Vaticano em 1586 (https://en.wikipedia.org/wiki/Domenico_Fontana) 
 
Foi durante a Revolução industrial que as máquinas de movimentação de carga passaram 
por grandes evoluções tecnológicas, como a utilização de outros materiais como ferro3 
fundido e aço na produção dos equipamentos. Com o desenvolvimento de máquinas 
hidráulicas e das máquinas a vapor, substituiu-se o esforço manual como fonte de 
potência nesse tipo de tarefa, permitindo um grande avanço em termos de capacidade de 
levantamento e velocidade. A Figura 2 ilustra uma ponte rolante movida à vapor, do 
fabricante DEMAG, em uma linha de produção no período pós revolução industrial. 
 
Figura 2 - Exemplo de ponte rolante movida a vapor em 1875 (http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/2365934) 
 
A mecanização dessa classe de equipamentos gerou um enorme aumento da 
produtividade nas indústrias, construção civil, nos portos, escavações em minas, centros 
distribuidores, comércio. 
Atualmente, as máquinas de elevação e transporte devem atender a diversas normas de 
segurança, operação, projeto, fabricação, ergonomia, de modo a mitigar os riscos 
inerentes envolvidos no processo de transferência de carga. 
 
4 
Existe uma enorme variedade de equipamentos destinados a operações de movimentação 
de carga. Rudenko (RUDENKO, 1976) classifica as máquinas de levantamento em três 
grandes categorias, conforme mostrado na Figura 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 - Principais tipos de máquinas de elevação 
 
Os equipamentos, segundo Brasil (BRASIL, 1988) podem ser descritos da seguinte 
maneira: 
 Macacos – Destinam-se a elevação de cargas pequena altura, com ou sem 
deslocamento horizontal, a pequena distância; 
 Talhas – São máquinas constituídas essencialmente por um redutor de velocidade 
ligado a um tambor e polias de acionamento e suspensão de carga; 
 Dispositivos especiais – Tem a mesma finalidade das talhas usando, porém, sistemas 
patenteados de multiplicadores de força; 
Máquinas de elevação e 
transporte
Máquinas de elevação
• Macacos
• Talhas
• Talhas manuais portáteis
• Carrinhos manuais de talhas
• Talhas elétricas portáteis
• Monovias elétricas
• Teleférico monotrilho
• Guinchos
• Carrinhos de guindaste
Guindastes
• Guindaste giratório estacionário
• Guindastes móveis sobre trilhos
• Guindastes sem trilho
• Guindastes de locomotiva e de esteira
• Guindastes tipo ponte
• Guindastes flutuantes
• Guindastes de cabos
Elevadores
• Talhas pneumáticas
• Funiculares 
• Empilhadeiras
• Elevadores verticais
• Elevadores tipo mastro
• Elevadores de cabine
 
5 
 Guinchos – Compostos essencialmente de tambor com cabo, freio, redutor, motor, 
chassi, destinam-se a elevação ou ao arraste de carga a grande altura ou distancia; 
 Monovias – São talhas dotadas de um sistema de translação sobre a aba inferior de 
viga “I”, motorizadas ou manuais; 
 Pontes rolantes – Possuem uma estrutura horizontal em ponte que permite o 
movimento transversal de um guincho; 
 Pórticos rolantes – Diferem das pontes por possuírem estrutura própria e autonomia 
para sua translação; 
 Guindastes – Classifica-se como guindaste qualquer máquina de levantamento 
dotada de lança. Também nessas máquinas a peça básica é o guincho. 
 Empilhadeiras – São equipamentos específicos para manuseio de cargas em pátios 
de estocagem ou almoxarifados. Eles têm capacidade variando de 0,6 t a 6,0 t nas 
linhas normais de fabricação. 
 
Esse trabalho buscou estudar alternativas para o desenvolvimento de um conceito 
diferenciado de equipamento, buscando uma configuração adequada dentro de duas das 
principais categorias de equipamentos de elevação: Pontes e pórticos rolantes e 
Empilhadeiras. 
 
1.4 Pontes e pórticos rolantes 
Pontes e pórticos rolantes são equipamentos capazes de erguer e movimentar cargas. 
Podem atender a uma grande variedade de aplicações, podendo chegar a erguer milhares 
de toneladas. 
1.4.1 Pontes rolantes 
Equipamentos de elevação e transporte de cargas. Geralmente tem propulsão própria. 
Podem ser constituídos por uma viga ou duas vigas, que circulam ao longo de um caminho 
de rolamento. O dispositivo de elevação de carga pode ser uma talha com guincho, no 
caso de pontes monoviga, ou um carro guincho, no caso de pontes biviga. 
Seus principais tipos de configuração são: Monoviga (Figura 4) e Biviga (Figura 5). 
 
6 
 
Figura 4 - Ponte rolante Monoviga (http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page114461.html#) 
 
 
Figura 5 - Ponte rolante Biviga (http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page114461.html#) 
 
1.4.2 Pórticos rolantes 
Pórticos rolantes são similares as pontes rolantes, porém apresentam a diferença de ter 
uma estrutura própria que sustenta a viga principal. Assim como as pontes rolantes, 
podem ter uma ou duas vigas, e apresentam a liberdade de poderem movimentar-se sobre 
trilhos ou não e ainda com a possibilidade de fazer curvas, no caso de pórticos rolantes 
sobre rodas. 
Seus principais tipos de configuração são: Monoviga (Figura 6), Biviga (Figura 7), 
cavalete móvel (Figura 8) e Semi-pórtico (Figura 9). 
http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page114461.html
http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page114461.html
 
7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.5 Empilhadeiras 
Define-se empilhadeira como um veículo auto propelido ou manual, com pelo menos três 
rodas, projetado para realizar movimentação de cargas. 
Empilhadeira são equipamentos versáteis, que auxiliam a movimentação de carga de 
maneira ágil e eficaz, principalmente utilizadas para levantar, transportar e posicionar 
cargas paletizadas. As empilhadeiras são equipamentos muito utilizados para transportes 
Figura 6 – Pórtico rolante monoviga sobre rodas 
(https://www.logismarket.pt/gh/projectos-
especiais/1999602185-1228749840-p.html) 
Figura 7 - Pórtico rolante biviga sobre trilhos 
(https://www.logismarket.pt/tecponte/portico-
rolante/2015147337-1228749840-p.html) 
Figura 9 - Semi-pórtico monoviga 
(http://www.brevil.ind.br/produto-
detalhe/6/semiportico-monoviga) 
Figura 8 - Pórtico cavalete móvel 
(http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page1
14797.html) 
 
8 
interno. Destinam-se tanto à movimentação vertical, como horizontal de materiais de 
praticamente todos os tipos. 
São aplicáveis nas mais variadas situações: Em linhas de produção (alimentação de 
maquinas, movimentação de produtos de processo, produtos acabados ou matéria prima) 
e na armazenagem, (carga e descarga, colocação em estoque seleção de itens para 
expedição). Sendo utilizadas na movimentação de paletes, bobinas, fardos, sacaria, tubos 
ou toras, tambores, peças volumosas, materiais quentes ou corrosivos, caçambas, 
contêineres, contentores. (TOMÁZ, 2010) 
Podem inclusive ser montadas com diversos tipos de implementos para diferentes 
serviços (Figura 10). 
 
Figura 10 - Diversos tipos de implementos para empilhadeiras (http://www.goodsenseforklift.com/en) 
 
De uma maneira geral possuem menor robustez e menor capacidade de carga se 
comparadas a guindastes e pontes rolantes, porém dado sua grande versatilidade, muitas 
vezes podem substituir esses equipamentos. 
http://www.goodsenseforklift.com/en
 
9 
Existe uma enorme gama de capacidades possíveis dependendo do tamanho e tipo da 
empilhadeira, podendo chegar a capacidades de mais de 50 toneladas, nas empilhadeiras 
para serviços ultra pesados. 
Os principais tipos de empilhadeira são diferenciados por sua configuração e aplicação, 
e também pelo modo de propulsão, podendo ser motor de combustão (gás liquefeito, 
gasolina ou diesel), motor elétrico, motor hidráulico ou mesmo manual. 
Basicamente, os principais tipos de empilhadeira são: 
 Empilhadeira motorizada: 
O tipo mais difundido, por sua versatilidade, capacidade de carga, e fácil manuseio. Trata-
se de um veículo auto propelido dotado de uma torre de elevação com as forquilhas para 
o levantamento e transporte de carga. Possuem um contrapeso que garante que o 
equipamento não tombe quando carregado. Podem ser elétricas, com energia proveniente 
de baterias, oque as torna mais silenciosas e menos poluentes, ideal para serviços em 
ambiente fechado. Ou movidas por motor de combustão, que normalmente tem maiores 
capacidades de carga, mas apresentam a desvantagem de serem mais barulhentas e 
emitirem gases tóxicos. 
 
Figura 11 - Empilhadeira a diesel contrabalançada (http://www.equipmentondemand.com/product/10000-lb-
pneumatic-tire-forklifts/) 
 
 Empilhadeira manual: 
Uma alternativa a empilhadeiras contrabalançadas. Geralmente é mais leve e mais 
compacta, requer menos manutenção e seu manuseio é ainda mais simples. Existem 
http://www.equipmentondemand.com/product/10000-lb-pneumatic-tire-forklifts/
http://www.equipmentondemand.com/product/10000-lb-pneumatic-tire-forklifts/
 
10 
modelos totalmente não motorizados, onde tanto a manobra e tração do equipamento, 
quanto o acionamento do mecanismo de levantamento são feitos manualmente pelo 
operador. Outros modelos apresentam uma unidade de potência, hidráulica ou 
elétrica, que auxilia o manuseio da empilhadeira pelo operador, e permite um ganho 
em termos de capacidade de carga e/ou velocidade de deslocamento. A Figura 12, 
mostra modelos de empilhadeiras, totalmente manual e com unidade de potência 
elétrica. 
 
Figura 12 - Empilhadeira manual e empilhadeira semielétrica (http://www.paletrans.com.br/pt-br/produtos) 
 
 
http://www.paletrans.com.br/pt-br/produtos
 
11 
2 Concepção do modelo 
Para o desenvolvimento do equipamento, foram avaliados alguns modelos de 
configurações possíveis, visando atender a proposta de aplicação em terrenos planos e 
terrenos com pequenas inclinações. A escolha do modelo final foi feita pesando as 
vantagens e desvantagens de cada modelo. 
2.1 Modelo 1 
O modelo 1 (Figura 13) é um Pórtico cavalete móvel adaptado para trabalhos em terrenos 
inclinados. 
 
 
Contém uma viga principal, por onde corre um trole com uma talha manual, ao qual a 
carga é fixada e movimentada ao longo da viga principal. A coluna lateral que suporta a 
viga principal está pinada à base do pórtico, e pode girar em torno dessa fixação através 
do avanço do pistão dos cilindros hidráulicos que estão ligados às colunas laterais e às 
bases. 
Viga 
Principal 
 
Colunas 
laterais 
Cilindros 
hidráulico
s 
Rodas 
Base 
Figura 13 - Modelo 1: Pórtico cavalete móvel 
 
12 
Quando utilizado em uma superfície plana, a operação de movimentação de carga se dá 
de forma similar a um pórtico móvel convencional, com a carga suportada pela viga e 
pelos cilindros hidráulicos. 
Quando há a necessidade de um trabalho em aclive, os cilindros avançam até que a coluna 
se encontre na vertical, e a viga principal paralela ao plano horizontal (Figura 14). 
 
Figura 14 - Configuração convencional versus configuração alterada 
 
É necessário que não haja deslizamento entra a roda do pórtico e a superfície do terreno 
inclinado, o atendimento dessa condição depende do coeficiente de atrito entre a 
superfície do pneu e do terreno, e do ângulo de inclinação do terreno. 
A configuração convencional da Figura 14 ilustra como seria a utilização de um pórtico 
convencional sobre um plano inclinado, havendo o risco de tombamento do equipamento, 
em torno do ponto A. O não tombamento irá depender de inúmeras variáveis, como: as 
dimensões do pórtico, a magnitude da carga içada, o peso próprio do pórtico e o ângulo 
de inclinação do terreno. 
A configuração alterada, obtida com o avanço dos cilindros hidráulicos, garante que, 
idealmente, mesmo carregado, o pórtico não gire em torno do ponto A, ficando necessário 
apenas garantir no projeto que não irá ocorrer deslizamento entre a roda e o terreno. 
Contudo, esse modelo apresenta desvantagens. Como o fato de necessitar de grandes 
cilindros hidráulicos, que são pesados e de alto custo, também não é facilmente operável 
e nem apresenta uma boa portabilidade. Além disso, tem sua condição de estabilidade 
 
13 
facilmente prejudicada, pois, como o levantamento é feito por cabos (ou corrente), 
pequenos deslocamentos da carga podem ocasionar o tombamento do pórtico. 
 
2.2 Modelo 2 
O modelo 2 (Figura 15) é uma empilhadeira motorizada. 
 
Figura 15 - Modelo 2: Empilhadeira hidráulica motorizada 
 
O modelo 2 é uma empilhadeira hidráulica motorizada. 
O funcionamento da empilhadeira é similar ao de empilhadeiras convencionais “All 
terrain”, com rodas adequadas para a utilização em terrenos irregulares. Porém, além dos 
rodízios, a empilhadeira conta com um par de cilindros hidráulicos laterais responsáveis 
pelo nivelamento da torre de elevação. Os cilindros estão ligados por pinos à torre de 
elevação e aos braços de apoio, o que permite a rotação da torre em relação aos braços. 
Esse sistema permite, tanto a utilização em terreno tanto plano, quanto inclinado. 
Torre de 
elevação 
Roldana 
Corrente 
de rolos 
Cilindro de 
levantamento 
Rodas de 
carga (2x) 
Cilindros de 
nivelamento 
(2x) 
Motor 
hidráulico 
Roda de 
tração 
Unidade 
de 
potência 
Alavanca 
de 
comando 
Conjunto das 
forquilhas 
Braços de apoio 
 
14 
Para a utilização em superfícies inclinadas, um dos cilindros irá apresentar um avanço 
maior que o do outro de modo a manter a carga erguida sempre na direção vertical (Figura 
16). 
 
Figura 16 – Vista frontal do nivelamento da carga sobre terreno inclinado 
 
O equipamento conta com uma unidade de potência hidráulica, responsável por acionar: 
 O motor hidráulico ligado à roda de tração que irá auxiliar o deslocamento e manobra 
do equipamento; 
 Os cilindros de nivelamento, responsáveis por garantir o nivelamento do 
equipamento, tanto em operação em declive quanto em operação em superfície plana. 
 O cilindro de levantamento, responsável por erguer o garfo da empilhadeira junto a 
carga. 
 
O modelo 2 apresenta vantagens de tamanho, facilidade de utilização e maior estabilidade 
se comparado ao modelo 1. Por essas razões, o modelo 2 foi o escolhido para esse projeto. 
 
 
15 
3 Conceito do equipamento 
O modelo de equipamento escolhido soma as aplicações de uma empilhadeira 
convencional, ou seja, que opera sobre superfícies lisas e planas, a outras aplicações 
específicas: a possibilidade de ser usada sobre terrenos irregulares e a capacidade de içar 
cargas sobre pequenos aclives. 
O conceito para o equipamento envolve um circuito hidráulico, com uma unidade de 
potência responsável por acionar os atuadores lineares e rotativos. Um motor hidráulico 
é responsável por fornecer torque a roda de tração auxiliando o deslocamento do 
equipamento. O cilindro de levantamento suspende a corrente, que por consequência, 
ergue o conjunto das forquilhas causando o levantamento da carga. 
Quando for necessário utilizar o equipamento em uma superfície inclinada, dois outros 
atuadores lineares laterais são responsáveis por nivelar a torre de elevação com a carga, 
de modo a evitar um possível tombamento do equipamento. Tal mecanismo foi inspirado 
na patente US4869054 (HOSTETLER, DAVID L e HOWARD 0. HERSHBERGER, 
1989). 
A escolha adequada das rodas irá garantir que o equipamento possa operar sobre terrenos 
com superfícies acidentadas e irregulares e terrenos inclinados. 
 
3.1 Aplicações previstas 
3.1.1 Utilização em terreno plano 
Aplicação convencional de empilhadeiras manuais e motorizadas. O equipamento pode 
ser deslocado manualmente com pouco esforço em pavimentos planos e lisos, em 
qualquer direção, e ser facilmente manobrado. Sendo aplicados para serviços de carga e 
descarga, assim como para trabalhos de montagem e manutenção. Geralmente utilizados 
para trabalhos em chão de fábrica, depósitos, armazéns, oficinas, conforme exemplifica a 
Figura 17. 
 
16 
 
Figura 17 - Empilhadeira manual (http://www.saur.com.br/pt/industrial/equipamentos-para-movimentacao-
manual/m-empilhadeira-manual) 
 
3.1.2 Utilização em terreno irregular 
Um tipo de operação específicaque requer rodízios (ou rodas) adequados para a 
movimentação. Alguns tipos de empilhadeiras manuais no mercado são capazes de 
atender a essa aplicação. A operação se dá sobre superfície plana, tanto lisa, quanto 
irregular, como pavimento mal-acabado, grama, terra batida, entre outras. Geralmente o 
equipamento conta com um motor hidráulico ou elétrico para facilitar a movimentação, 
como é o caso do equipamento da Figura 18. 
 
Figura 18 - Empilhadeira do tipo "All terrain" (http://www.conhersa.com/elevadores-electricos) 
 
3.1.3 Utilização em terreno inclinado 
Esse tipo de aplicação introduz o conceito motivador para o desenvolvimento desse 
equipamento. Permitindo a utilização da empilhadeira manual para diversos trabalhos em 
aclives, o que nenhuma outra, dessa categoria no mercado, se propõe a atender. 
http://www.conhersa.com/elevadores-electricos
 
17 
 
Figura 19 - Conceito de empilhadeira com mecanismo de nivelamento 
 
O ângulo máximo para utilização sobre superfícies inclinadas depende dos coeficientes 
de atrito estático e de rolamento entre a superfície das rodas e do terreno e das dimensões 
do equipamento. Dessa maneira, alguns tipos de terreno (Tabela 1) serão considerados 
para operação do equipamento, e o ângulo limite para operação será estabelecido com 
base no tipo de terreno mais crítico. 
 
Tabela 1 - Valores para coeficiente de atrito entre pneus de borracha e outras superfícies (EATON, 1998) 
 Valores aproximados - coeficiente de atrito 
Superfícies em contato Estático - μs de Rolamento – μr 
Pneu de 
borracha 
Asfalto 0,8 0,012 
Concreto 0,8 0,01 
Macadame 0,7 0,015 
Terra firme 0,5 0,025 
Grama 0,4 0,045 
 
3.2 Análise das solicitações 
Para que o equipamento possa atuar de forma segura em todas as suas aplicações, deve-
se analisar as solicitações em cada caso. Deve-se garantir, que o equipamento não irá 
deslizar plano abaixo quando necessitar se movimentar ou estacionar sobre um aclive. 
Também é necessário certificar-se de que o equipamento não irá tombar lateralmente 
quando executar a tarefa de levantamento. 
 
18 
Essa seção se presta a analisar genericamente as condições de equilíbrio nos casos da 
aplicação do equipamento, de modo a obter equações que permitam calcular os esforços 
atuantes no equipamento, bem como o máximo ângulo de inclinação possível para cada 
tipo de terreno. 
 
3.2.1 Movimentação longitudinal 
O conceito da empilhadeira prevê sua utilização sobre pequenos aclives de maneira 
segura, assim como outras empilhadeiras existentes, a movimentação sobre superfícies 
inclinadas segue uma recomendação específica, conforme ilustra a figura 20. 
Nesse caso, as empilhadeiras se movem com os garfos na posição inferior, carregadas ou 
não. 
 
Figura 20 - Recomendação para movimentação de empilhadeiras sobre plano inclinado 
(https://www.osha.gov/SLTC/etools/pit/workplacehazards/ramps.html) 
 
Portanto, serão avaliadas as condições de equilíbrio das principais situações as quais a 
empilhadeira está sujeita durante sua a movimentação longitudinal sobre plano inclinado. 
São elas, a empilhadeira em movimento, ou parada no plano. A formulação desenvolvida 
é uma adaptação da sequência demonstrada para veículos automóveis (NICOLAZZI, 
MACHADO e ROSA, 2012). 
 
19 
3.2.1.1 Determinação da posição do Centro de gravidade (CG) 
 
 
Figura 21 - Diagrama de corpo livre (DCL) da empilhadeira em superfície plana; 
 
Para encontrar a distância longitudinal do CG, faz-se primeiramente o diagrama de corpo 
livre da empilhadeira sobre uma superfície plana (Figura 21). Supondo que RDI e RDII 
sejam e as reações normais no eixo dianteiro e RT no eixo traseiro, e P o peso total do 
veículo. Analisando no plano yz (Figura 22), o equilíbrio de forças na direção vertical, 
tem-se que: 
 
Figura 22 - DCL no plano longitudinal (yz) 
 
20 
 
Do balanço das forças verticais: 
∑ 𝐹𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 = 0: 
𝑃 = 𝑅𝐷 + 𝑅𝑇 
Onde, 
𝑅𝐷 = 𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 
Definindo uma variável x, tal que: 
𝑥 = 
𝑅𝑇
𝑃
 
Para obter a posição do CG: 
∑ 𝑀𝐷 = 0: 
𝑃 𝑎1 = 𝑅𝑇 𝑙 
 𝑎1 =
𝑅𝑇 𝑙
𝑃
 
Ou ainda, 
 𝑎1 = 𝑥 𝑙 
De forma similar, para o eixo traseiro: 
∑ 𝑀𝑇 = 0: 
𝑃 𝑎2 = 𝑅𝐷 𝑙 
Ou ainda, 
 𝑎2 = (1 − 𝑥) 𝑙 
Onde 
𝑙 → Distância entre eixos 
𝑎1 → Distância do CG ao eixo dianteiro 
 
21 
𝑎2 → Distância do CG ao eixo traseiro 
𝑅𝐷 → Reação resultante no eixo dianteiro medida no plano horizontal 
𝑅𝑇 → Reação no eixo traseiro medida no plano horizontal 
 
Para o cálculo da altura h do centro de gravidade em relação ao solo, fez-se uma análise 
do carregamento da empilhadeira em plano com inclinação θ em relação a horizontal, 
como mostrado na figura 23. 
 
Figura 23 - DCL da empilhadeira parada em um aclive com inclinação θ 
 
Novamente, analisando o plano yz com foco nas forças verticais: 
 
Figura 24 - Esquema para cálculo da posição vertical do CG 
 
22 
 
Do equilíbrio dos momentos em torno do ponto S, obtém-se: 
∑ 𝑀𝑆 = 0: 
𝑅′𝐼 (𝑐 + 𝑑) − 𝑃 𝑐 = 0 
Do triângulo ABS, tem- se as seguintes relações: 
(𝑐 + 𝑑) = (𝑙 + 𝑦) 𝑐𝑜𝑠𝜃 
𝑐 = 𝑎2 𝑐𝑜𝑠𝜃 − (ℎ − 𝑟𝑐) 𝑠𝑒𝑛𝜃 
𝑦 = (𝑟𝑇−𝑟𝑐) ∙ 𝑡𝑔𝜃 
Reescrevendo a equação de equilíbrio de momentos: 
𝑅′𝐼 (𝑙 + 𝑦) 𝑐𝑜𝑠𝜃 − 𝑃 𝑐 = 0 
Ou ainda, 
𝑅′𝐼 (𝑙 + 𝑦) = 𝑃 [𝑎2 − (ℎ − 𝑟𝑐) 𝑡𝑔𝜃] 
Rearranjando a equação, 
(ℎ − 𝑟𝑐) 𝑡𝑔𝜃 =
𝑃 𝑎2 − 𝑅
′
𝐼 (𝑙 + 𝑦)
𝑃
 
Definindo uma nova variável x’, tal que: 
𝑥′ = 
𝑅′𝐼𝐼
𝑃
 
1 − 𝑥′ = 
𝑅′𝐼
𝑃
 
Rearranjando a equação com as definições de a2 e R’I, encontra-se a posição vertical do 
CG: 
ℎ = 
𝑅𝐷 𝑙 − 𝑅
′
𝐼 (𝑙 + 𝑦)
𝑃 𝑡𝑔𝜃
+ 𝑟𝑐 
𝑅′𝐼 → Componente vertical da reação na roda dianteira medida no plano inclinado 
𝑅′𝐼𝐼 → Componente vertical da reação na roda traseira medida no plano inclinado 
 
23 
𝑟𝑐 → Raio da roda de carga 
𝑟𝑇 → Raio da roda de tração 
𝜃 → Ângulo de inclinação com relação a horizontal 
 
3.2.1.2 Empilhadeira parada em aclive 
 
 
Figura 25 – DCL da empilhadeira parada sobre aclive 
 
 Equilíbrio de forças e momentos: 
∑ 𝑀𝑇 = 0: 
𝑅𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2 − 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 ℎ 
Sabendo que, 
𝑎2 =
𝑅𝐷 𝑙
𝑃
 
Substituindo, tem-se: 
𝑅𝐼 = 𝑅𝐷 𝑐𝑜𝑠𝜃 −
𝑃 ℎ 𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑙
 
∑ 𝑀𝐷 = 0: 
 
24 
𝑅𝐼𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1 + 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 ℎ 
Sabe-se que, 
𝑎1 =
𝑅𝑇 𝑙
𝑃
 
Substituindo, tem-se: 
𝑅𝐼𝐼 = 𝑅𝑇 𝑐𝑜𝑠𝜃 +
𝑃 ℎ 𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑙
 
 Determinação do máximo aclive 
Para o caso da empilhadeira estacionada em um plano inclinado com freio na roda 
traseira: 
Para que não haja deslizamento, a componente da força peso na direção do aclive, não 
deve superar a força de atrito estática. 
Do equilíbrio de forças na direção x, tem-se que: 
𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝜇𝑒 𝑅𝐼𝐼 
Substituindo RII e rearranjando: 
 
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [
𝜇𝑒 
𝑎1
𝑙
1 − 𝜇𝑒 (
ℎ
𝑙
)
] (1) 
 
 
O tombamento longitudinal ocorre quando RI se iguala a zero, assim, o máximo ângulo 
para que não ocorra o tombamento longitudinal é: 
 𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [
𝑎2 
ℎ
 ] (2) 
 
 
 
 
25 
3.2.1.3 Empilhadeira em movimento 
Com o movimento do veículo surgem outras forças, além do peso. São elas: a força de 
atrito de rolamento na superfície de contato pneu-pista, a resistência aerodinâmica, que 
atua no centro de pressão do veículo, e a resistência de inércia, que atua no centro de 
gravidade. Dado que as velocidades previstas são baixas e aproximadamente constantes, 
e de modo a simplificar os cálculos, serão consideradas nulas as resistências 
aerodinâmicas e de inércia, restando apenas a resistência ao aclive – que depende do peso 
– e a resistência de rolamento. Além disso, é considerado que a tração é traseira. 
 
Figura 26 - DCL da empilhadeira subindo um aclive 
 
 Equilíbrio de forças e momentos: 
Do equilíbrio de forças na direção do movimento do equipamento (direção x), como o 
mostrado na figura 26, tem-se: 
𝐹𝑀 = 𝑄𝑟 +𝑄𝑆 
 
Sendo: 
FM → Força motriz no eixo traseiro 
𝑄𝑟 = 𝑄𝑟𝐷 + 𝑄𝑟𝑇 → Resistência de rolamento 
Q𝑟𝐷 , Q𝑟𝑇 → Resistência ao rolamento dos eixos dianteiro e traseiro. 
𝑄𝑆 = Psenθ → Resistência ao aclive 
 
26 
 
Assim sendo, 
∑ 𝑀𝑇 = 0: 
𝑅𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2 − 𝑄𝑠 ℎ 
 
Substituindo QS e a2, tem-se: 
𝑅𝐼 = (1 − 𝑥) 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 − (𝐹𝑀 − 𝑄𝑟) 
ℎ
𝑙
 
Analogamente para o eixo dianteiro: 
∑ 𝑀𝐷 = 0: 
𝑅𝐼𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1 + 𝑄𝑆 ℎ 
Substituindo QS e a2, tem-se: 
𝑅𝐼𝐼 = 𝑥 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝐹𝑀 − 𝑄𝑟) 
ℎ
𝑙
 
 
 Determinação da máxima força motriz 
Para o caso do veículo com tração traseira: 
𝐹𝑀
𝑚á𝑥 = 𝜇𝑒 𝑅𝐼𝐼 
𝐹𝑀
𝑚á𝑥 = 𝜇𝑒 [𝑥 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝐹𝑀
𝑚á𝑥 − 𝜇𝑟 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃) 
ℎ
𝑙
] 
 
𝐹𝑀
𝑚á𝑥 = 𝜇𝑒 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 [
𝑥 − 𝜇𝑟 (
ℎ
𝑙
)
1 − 𝜇𝑒 (
ℎ
𝑙
)
] (3) 
 
A resistência de rolamento foi tomada como sendo: 
𝑄𝑟 = 𝜇𝑟 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 
 
27 
 
Onde, 
μe → Coeficiente de atrito estático 
μr → Coeficiente de atrito de rolamento 
 
 Determinação do máximo aclive 
Para o caso da empilhadeira em movimento em um plano inclinado com tração traseira 
(Figura 26). 
Do equilíbrio de forças na direção x, tem-se que: 
𝐹𝑀 = 𝑄𝑟 + 𝑄𝑆 
Substituindo Qr e QS: 
𝐹𝑀 = 𝑃(𝑠𝑒𝑛𝜃 + 𝜇𝑟𝑐𝑜𝑠𝜃) 
 
Igualando essa força com a força motriz máxima, 𝐹𝑀
𝑚á𝑥, obtém-se o ângulo de inclinação 
máximo para que não haja deslizamento do equipamento durante o movimento. 
 
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 {𝜇𝑒 [
𝑥 − 𝜇𝑟 (
ℎ
𝑙
)
1 − 𝜇𝑒 (
ℎ
𝑙
)
] − 𝜇𝑟} (4) 
 
Para que não haja tombamento da empilhadeira em movimento, RI deve ser maior do que 
zero, no limite: 
 𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (
𝑎2
ℎ
) (5) 
 
A partir das equações literais obtidas, é possível calcular os esforços resultantes nos eixos 
das rodas, o ângulo limite para operação da empilhadeira, e a máxima força trativa 
permitida para qualquer tipo de veículo com tração traseira movimentando-se sobre 
superfície inclinada. 
 
28 
Nesse projeto serão estabelecidos os ângulos limites de operação para variados tipos de 
terreno, e o torque requerido para propelir o equipamento, sempre respeitando a premissa 
de que o equipamento não deverá tombar nem deslizar qualquer que seja a situação. 
3.2.2 Tombamento lateral 
Quando atuando em um plano inclinado, uma empilhadeira convencional está sujeita a 
tombar lateralmente plano abaixo, conforme ilustrado na figura 16. Para a empilhadeira 
em análise, um mecanismo de nivelamento garante que a empilhadeira não corra risco de 
tombar, mesmo sobre um aclive. 
A solução encontrada foi inspirada na Patente US4869054 (HOSTETLER, DAVID L e 
HOWARD 0. HERSHBERGER, 1989), que conceitua um tipo de mecanismo para uma 
máquina que realiza o roçamento de vegetações. Esse equipamento possui lâminas que 
estão sempre paralelas ao terreno e que, ao girarem, fazem o corte da vegetação rente ao 
solo. Para que as lâminas consigam sempre realizar o roçamento, independente da 
inclinação do terreno, o equipamento é dotado de um mecanismo que permite responder, 
através da atuação de cilindros hidráulicos, a alterações no terreno, mantendo sempre a 
sua estrutura principal orientada verticalmente, o que evita um possível tombamento da 
máquina. Esse mecanismo permite ao veículo roçar terrenos em diversas inclinações, 
conforme observa-se na Figura 27. 
 
 
29 
 
Figura 27 - Estado da arte da patente com suas aplicações 
Esse tipo de tecnologia se provou viável e inclusive a companhia detentora da patente, e 
outras concorrentes, comercializam máquinas roçadeiras com esse conceito de 
nivelamento, como pode ser visto na Figura 28. 
 
Figura 28 - Máquina roçadeira ATM 162HD em operação em terreno inclinado 
(http://www.harperturfequipment.com/media/resources/turf/slope-mowers/Mower_20151231.pdf) 
 
 
30 
Existe ainda, no mercado diversos equipamentos com mecanismos similares que 
aumentam a produtividade dos equipamentos ao possibilitar que eles operem sobre 
superfícies inclinadas. Outro exemplo de aplicação é o sistema de nivelamento utilizado 
em colhedeiras, conforme mostra a figura 29. 
 
Figura 29 - Sistema de nivelamento da Hillco Technologies empregado em uma colhedeira John Deere 
(https://www.hillcotechnologies.com/john-deere-leveling-systems.html) 
Serão analisadas as condições de equilíbrio da empilhadeira para a ocasião do 
levantamento de carga em plano inclinado, em comparação com o caso de uma 
empilhadeira convencional. 
A figura 30 representa o diagrama de corpo livre de uma empilhadeira convencional 
carregada em um plano com inclinação θ. 
 
Figura 30 - Empilhadeira na configuração convencional sobre plano inclinado 
 
 
31 
Do equilíbrio dos momentos no plano yz: 
 
Figura 31 - DCL no plano yz 
 
∑ 𝑀𝑥
𝐴 = 0: 
𝑅𝑇 =
 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1
𝑙
 
∑ 𝑀𝑥
𝑇 = 0: 
𝑅𝐷 =
 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2
𝑙
 
 
 
Do equilíbrio de forças e momentos no plano xy: 
 
32 
 
Figura 32 - DCL no plano xy 
 
∑ 𝐹𝑦 = 0: 
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 + 𝑅𝑇 = 𝑃 cos 𝜃 
Onde, 
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 = 𝑅𝐷 
 
∑ 𝑀𝑧
𝐴 = 0: 
𝑅𝐷𝐼 𝑘 + 𝑅𝑇 
𝑘
2
+ 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑃 cos 𝜃 
𝑘
2
 
Substituindo RT e rearranjando a equação, obtém-se que: 
𝑅𝐷𝐼 = 𝑃 [cos 𝜃 (
𝑙 − 2 𝑎1
2 𝑙
) − 𝑠𝑒𝑛 𝜃 
ℎ
𝑘
] 
 
O tombamento em torno do ponto A ocorre quando RDI se iguala a zero. O ângulo θ limite 
para que não haja tombamento é dado por: 
A 
 
33 
 
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [
 𝑘 (𝑙 − 2 𝑎1)
2 ℎ 𝑙 
] (6) 
 
 
Dessa maneira, para esse tipo de configuração, o máximo ângulo de inclinação sob o qual 
o equipamento poderia operar, depende diretamente das suas dimensões principais. Com 
o mecanismo de nivelamento, essa dependência pode ser contornada, permitindo ao 
equipamento operar sobre maiores aclives. 
A figura 33 ilustra novamente a empilhadeira sobre um plano inclinado, porém dessa vez 
sob sua configuração alterada, com o mecanismo de nivelamento atuando. 
 
Figura 33 - Empilhadeira na configuração alterada sobre plano inclinado 
 
 
Do equilíbrio dos momentos no plano yz: 
 
34 
 
 
∑ 𝑀𝑥
𝐴 = 0: 
𝑅𝑇 =
 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1
𝑙
 
∑ 𝑀𝑥
𝑇 = 0: 
𝑅𝐷 =
 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2
𝑙
 
Do equilíbrio de forças e momentos no plano xy: 
 
Figura 34 - DCL no plano xy 
 
35 
∑ 𝐹𝑦 = 0: 
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 + 𝑅𝑇 = 𝑃 cos 𝜃 
Onde, 
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 = 𝑅𝐷 
 
∑ 𝐹𝑦 = 0: 
𝜇𝑒 (𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 + 𝑅𝑇) = 𝑃 sen 𝜃 
 
Substituindo-se, encontra-se o máximo ângulo abaixo do qual não há deslizamento das 
rodas sobre a superfície do terreno. 
 𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (𝜇𝑒) (7) 
 
 
∑ 𝑀𝑧
𝐴 = 0: 
𝑅𝐷𝐼 𝑘 + 𝑅𝑇 
𝑘
2
+ 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 ℎ cos 𝜃 = 𝑃 cos 𝜃 (
𝑘
2
+ ℎ 𝑠𝑒𝑛 𝜃) 
Substituindo RT e rearranjando a equação, obtém-se que: 
𝑅𝐷𝐼 = 𝑃 cos 𝜃 (
1
2
− 
𝑎1
2 𝑙 
) 
 
Nota-se que o tombamento não mais é influenciado pelo ângulo de inclinação θ. Assim 
sendo, o ângulo limitante será aquele que faz com que ocorra um deslizamento das rodas 
sobre a superfície. 
 
 
36 
4 Dimensionamento e seleção dos principais componentes 
Para esse trabalho, por se tratar de um produto conceitual, que à princípio está destinado 
às mesmas aplicações de empilhadeiras convencionais, com o diferencial de poder atuar 
em plano inclinado e em terrenos irregulares, as dimensões dos componentes da 
empilhadeira, bem como outras especificações desejadas, foram determinadas baseadas 
em valores encontrados em empilhadeiras similares no mercado. 
A comparação (Tabela 2) foi feita com modelos dos fabricantes nacionais Paletrans e 
Vonder, e com o fabricante espanhol Conhersa. 
 
Tabela 2 - Especificações de outras empilhadeiras do mercado 
Especificações 
Paletrans 
LM 516 
Vonder 
6889000500 
Conhersa ET 
1000 
Capacidade de carga kg 500 500 1000 
Peso do equipamento kg 136 - 495 
Elevação mm 1600 1600 1600 
Comprimento útil do garfo mm 1150 1150 1150 
Largura externa do garfo mm 535 550 - 
Comprimentototal mm 1540 1150 1900 
Largura total mm 590 550 1500 
Altura total mm 2010 2080 2140 
 
Após a pesquisa acerca dos produtos similares do mercado, definiu-se as principais 
especificações para o projeto da empilhadeira, conforme mostra a tabela 3. 
A máxima inclinação será determinada para cada tipo de terreno na seção 4.5, com base 
nas equações desenvolvidas na seção 3.2. 
 
Tabela 3 - Especificações básicas da empilhadeira em análise 
Carga a ser 
erguida [kg] 
Altura máxima das 
forquilhas [mm] 
Comprimento útil 
do garfo [mm] 
500 1600 1150 
 
 
 
37 
4.1 Seleção do material 
A escolha do material adequado a ser utilizado para a fabricação da estrutura do 
equipamento e das suas forquilhas é fundamental, pois as propriedades desse material 
irão influenciar diretamente no cálculo dos esforços e deflexões máximas atuantes nos 
componentes, determinando se os componentes irão resistir ou não aos esforços durante 
sua utilização. No caso da empilhadeira em análise, a escolha do material também deve 
levar em conta os tipos de aplicação prevista para o equipamento. 
Para a escolha do material adequado as propriedades levadas em conta foram, 
principalmente: 
 Facilidade de obtenção do material - a escolha de um material de fácil obtenção é 
importante para facilitar a fabricação e diminuir os custos envolvidos, melhorando a 
viabilidade do produto; 
 Resistência mecânica - pode-se conceituar resistência mecânica como sendo, a 
capacidade dos materiais de resistir a esforços de natureza mecânica, como tração, 
compressão, cisalhamento, torção, flexão e outros sem romper e/ou deformar-se 
(GONÇALVES e MARTINS, 2008). 
 Soldabilidade - é a capacidade que os materiais têm de ser unidos pelo processo de 
soldagem, tendo por objetivo a continuidade das propriedades físicas (mecânicas) e 
químicas, ou seja, a continuidade metalúrgica da junta soldada. 
 Resistência à corrosão – corrosão é definida como um ataque destrutivo e não 
intencional de um metal. Para materiais metálicos, o processo de corrosão é 
normalmente eletroquímico, isto é, uma reação química na qual existe a transferência 
de elétrons a partir de uma espécie química para uma outra. Átomos metálicos, 
caracteristicamente perdem ou cedem elétrons na que é chamada uma reação de 
oxidação (CALLISTER JR., 2012). Essa reação geralmente tem o efeito de causar 
degradação no material afetando negativamente suas propriedades mecânicas. 
Considerando a aplicação prevista para o equipamento, o qual poderá ser utilizado 
tanto indoor quanto outdoor, estando sujeito a impactos e ao efeito do tempo, uma 
boa resistência mecânica e boa resistência à corrosão são desejáveis. 
Dadas as propriedades de interesse para o material das forquilhas e da estrutura do 
equipamento, a opção natural foi buscar um tipo de aço que melhor se encaixasse nas 
características desejáveis. A opção pelo aço se dá devido às notáveis propriedades desta 
 
38 
liga, à abundância das suas matérias-primas, sua enorme variedade de características – 
existem mais de 3500 diferentes tipos de aço - e finalmente, pelo seu preço competitivo. 
A figura 35 mostra uma divisão dos materiais metálicos: 
 
Figura 35 - Tipos de materiais metálicos (PANNONI) 
 
Esse trabalho buscou analisar alguns tipos de aço, de modo a escolher o material adequado 
para a empilhadeira. Foram eles: Aços carbono comuns, aços microligados e aços 
inoxidáveis. 
4.1.1 Aços carbono comuns e microligados 
É a quantidade de carbono presente no aço que define sua classificação. Basicamente, 
pode-se definir o aço como sendo uma liga Ferro-Carbono, contendo geralmente de 
0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de certos elementos secundários 
(como Silício, Manganês, Fósforo e Enxofre), presentes devido aos processos de 
fabricação. (CHIAVERINI, 2002) 
 Aços de alto teor de carbono possuem mais do que 0,6% de carbono e apresentam 
elevada dureza e resistência após têmpera. São comumente utilizados em trilhos, 
molas, engrenagens, componentes agrícolas sujeitos ao desgaste, pequenas 
ferramentas, entre outros. 
 
39 
 Aços de médio teor de carbono possuem de 0,3% a 0,6% de carbono e são utilizados 
em engrenagens, bielas e outros componentes mecânicos. São aços que, temperados 
e revenidos, atingem boa tenacidade e resistência. 
 Aços de baixo teor de carbono possuem um máximo de 0,3% deste elemento e 
apresentam grande ductilidade. São bons para o trabalho mecânico e soldagem, não 
sendo temperáveis. Muito utilizados na construção de edifícios, pontes, navios, 
automóveis, dentre outros. Nessa categoria estão os aços comuns e os aços 
microligados. Podem ser de baixa liga (menos de 8% de elementos de ligas), ou de 
alta liga (mais de 8% de elementos de liga). Estes aços apresentam maior resistência 
mecânica que os aços de baixo carbono idênticos, mantendo a ductilidade e a 
soldabilidade, e são destinados às estruturas onde a soldagem é um requisito 
importante (Carbono baixo). Os principais aços estruturais de baixo carbono 
comercializados pela fabricante Gerdau são: ASTM A36, ASTM A572 e ASTM 
A588, conforme mostra a figura 36, extraída do catálogo. 
 
Figura 36 - Características dos aços da linha ASTM (GERDAU) 
 
 
40 
4.1.2 Aços inoxidáveis 
Os aços inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão numa variedade de ambientes, 
especialmente o ambiente atmosférico. Seu elemento de liga predominante é o cromo; 
uma concentração de pelo menos 11% de Cr em peso é requerida. 
Aços inoxidáveis variam em sua composição desde ligas de ferro relativamente simples 
com cerca de 11-12% de Cromo, a ligas complexas que incluem até mais de 25% de 
Cromo, com quantidades substanciais de Níquel, Molibdênio e outros elementos de liga. 
Principais características dos aços inoxidáveis: 
 Resistência à corrosão, manchas, ferrugem e pits; 
 Resistência à oxidação até 700°C e, em alguns casos, acima de 1000°C; 
 Limites elásticos variando de 200 N/mm2 até acima de 1500 N/mm2; 
 Resistência ao impacto e tenacidade em temperaturas criogênicas; 
 Pode ser fundido, forjado, usinado, polido e ligado através de técnicas de 
soldagem; 
 Longa duração, aparência atraente; 
 Baixo custo de manutenção; 
 Baixa rugosidade superficial; 
 Material reciclável. 
Os aços inoxidáveis podem ser divididos em três grupos principais, com base na fase 
constituinte predominante na sua microestrutura metalúrgica: austeníticos, ferríticos e 
martensíticos. Cada grupo apresenta propriedades próprias que lhes confere vantagens e 
desvantagens. 
Austeníticos: 
 Os mais comumente usados; 
 Excelente resistência à corrosão (18 % Cr); 
 Endurecem em trabalho; 
 Sujeitos a trincas a quente e precipitação de carbonetos 
 Normalmente não são necessários nem pré nem pós aquecimento; 
 Mais facilmente soldáveis; 
 Não magnéticos. 
 
41 
Ferríticos: 
 Cromo (15-30%); 
 Boa resistência à corrosão; 
 Sujeito a crescimento de grãos; 
 É recomendado um recozimento posterior a solda; 
 Magnético. 
Martensíticos: 
 Cromo (12-17%); 
 Resistência moderada à corrosão; 
 Endurecimento ao ar (têmpera); 
 Recomenda-se pré-aquecimento e recozimento após soldagem; 
 Magnético. 
Dada as características de cada grupo, considerando a aplicação do equipamento em 
análise. O grupo de aços inoxidáveis mais adequado para uma possível escolha é o 
grupo dos aços inoxidáveis austeníticos, devido ao seu maior percentual de cromo, o 
que lhe confere melhor resistência a corrosão (Figura 37), a sua melhor soldabilidade 
em comparação com os outros grupos, e por ser o tipo mais comumente utilizado. 
 
Figura 37 - Representação gráfica da resistência do aço inoxidável à corrosão/oxidação de acordo com o teor de 
cromo 
 
Entretanto, dentro do grupo dos aços inoxidáveis austeníticos, existem diversos tipos 
classificados conforme a composição química (Figura 38), os quais apresentam 
diferentespropriedades mecânicas e são próprios para diferentes tipos de aplicações. 
 
42 
 
 
Figura 38 - Aços inoxodáveis da série 300 (CARBÓ, 2008) 
 
4.1.3 Escolha 
Após análise dos aços carbono comuns, aços carbono microligados e dos aços 
inoxidáveis, três opções foram selecionadas como possíveis escolha final. O aço carbono 
comum ASTM A36, o aço de baixo teor de liga ASTM A588 e o aço inoxidável 304. 
Ainda que os aços ASTM A588 e o 304 apresentem ótima resistência à corrosão, o aço 
ASTM A36 leva vantagem nos outros quesitos, como custo, melhor soldabilidade, e por 
ser um item de catálogo dos fabricantes, não sendo necessária a fabricação de perfis sob 
encomenda. Por esses fatores, o aço A36 foi escolhido para ser o principal material da 
empilhadeira, estando presente na estrutura principal do equipamento, como os braços de 
apoio e a torre de elevação, bem como no conjunto das forquilhas. 
A tabela 4 resume as principais propriedades do aço estrutural ASTM A36. 
 
 
43 
Tabela 4 - Principais propriedades do ASTM A36 
(http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=afc003f4fb40465fa3df05129f0e88e6&ckck=1) 
Propriedades Valor Unidades 
Módulo de elasticidade 200 GPa 
Coeficiente de Poisson 0,26 - 
Módulo de cisalhamento 79,3 GPa 
Massa específica 7850 kg/m³ 
Resistência à tração 400 - 500 MPa 
Limite de escoamento 250 MPa 
 
4.2 Forquilhas 
As Forquilhas (ou garfos), formam o componente móvel da empilhadeira, que está em 
contato direto e suporta a carga a ser movida. As forquilhas (Figura 39) estão unidas a 
estrutura da empilhadeira por correntes, e sua movimentação se dá através do movimento 
do cilindro hidráulico. 
 
Figura 39 - Forças atuando no conjunto das Forquilhas 
 
 
Cada forquilha será modelada como uma viga com uma extremidade engastada e uma 
extremidade livre e carregada uniformemente. Conforme ilustra a Figura 40. 
 
44 
 
Figura 40 - Viga em balanço com carga uniforme (BUDYNAS e NISBETT, 2011) 
 
4.2.1 Escolha do perfil 
Para a escolha do perfil de viga para as forquilhas, buscou-se uma viga capaz de fornecer 
resistência suficiente para aguentar o peso da carga de projeto, e que fosse de certa forma 
leve, para não tornar o equipamento demasiadamente robusto, uma vez que uma das 
premissas do conceito para essa empilhadeira é que a mesma seja portátil e facilmente 
manobrável. 
A principal característica que cada forquilha deve apresentar é uma elevada resistência a 
flexão. Da equação 8, nota-se a importância de se buscar um perfil com elevado momento 
de inércia de área, quanto maior ele for menor será a tensão normal devido ao momento 
fletor: 
 𝜎 = −
𝑀 𝑦
𝐼𝑥
 (BUDYNAS e NISBETT, 2011) (8) 
 
Onde, 
σ = tensão normal devido ao momento fletor; 
M = momento fletor; 
y = distância ao áxis neutral; 
Ix = Momento de inércia de área. 
 
 
45 
O momento de inércia de área, também chamado de segundo momento de área ou 
segundo momento de inércia, é uma propriedade geométrica da seção transversal de 
elementos estruturais. Fisicamente ele está relacionado com as tensões e deformações que 
aparecem por flexão em um elemento estrutural e, portanto, junto com as propriedades 
do material determina a resistência de um elemento estrutural sob flexão. O momento de 
inércia de área da seção transversal de uma viga, em relação a um eixo que passe pelo seu 
centro de gravidade, mede a sua rigidez, ou seja a sua resistência à flexão em relação a 
esse eixo. 
A viga também estará sujeita a uma tensão de cisalhamento devido ao momento criado 
pela carga suportada: 
 𝜏 =
𝑉 𝑄
𝐼 𝑏
 (BUDYNAS e NISBETT, 2011) (9) 
 
Onde 
τ = tensão de cisalhamento devido ao momento; 
V = força de cisalhamento; 
Q = primeiro momento da área sujeita a força de cisalhamento; 
I = momento de inércia de cisalhamento; 
b = largura da seção. 
 
Portanto, o perfil de viga escolhido para as forquilhas, foi a viga em “U”. Ela possui um 
momento de inércia relativamente alto, não é tão pesada e acima de tudo possui boa 
aplicabilidade para forquilhas. 
A Figura 41 mostra as vigas “U” de mercado, da fabricante Gerdau, e o perfil que foi 
escolhido. 
 
46 
 
Figura 41 - Catálogo de vigas perfil "U" (GERDAU) 
 
Para as forquilhas, dado a criticidade de sua operação, escolheu-se um material com maior 
resistência mecânica e com proteção adicional contra corrosão. A opção foi pelo aço 
patinável ASTM A588. A tabela 5 destaca suas principais propriedades. 
 
Tabela 5 - Principais propriedades do ASTM A588 grau B 
(http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=3012ccf84b234c0f9603f388acc20995&ckck=1) 
Propriedades Valor Unidades 
Módulo de elasticidade 205 GPa 
Coeficiente de Poisson 0,28 - 
Módulo de cisalhamento 80 GPa 
Massa específica 7870 kg/m³ 
Resistência à tração 483 MPa 
Limite de escoamento 350 MPa 
 
4.2.2 Análise dos esforços 
Para analisar os esforços na forquilha, a massa do perfil de viga pode ser obtida 
multiplicando a massa linear (peso nominal) pela massa específica do material utilizado. 
Como a figura 41 refere-se ao aço A36, o peso nominal nela descrito não se aplica ao aço 
A588. Para obtenção do peso nominal do A588, basta multiplicar a área do perfil, pela 
massa específica do aço A588. 
A Figura 42 demonstra o Diagrama de Corpo livre do conjunto das forquilhas. 
 
47 
 
 
Figura 42 - Diagrama de corpo livre do conjunto das forquilhas modelado como viga em balanço uniformemente 
carregada 
 R1: Reação no engaste 
 
𝑅1 = 𝑤 𝐿, onde 
 
w (densidade de carga distribuída) = 
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
2𝐿𝐹𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎
+ 
𝑃𝐹𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎
𝐿𝐹𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎
 
L (comprimento carregado da forquilha) = 1,15 m’ 
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 500 kgf = 4905 N 
𝑃𝑓𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎 = L × Peso Nominal𝐴588 × g = (1,15 × 15,66) × 9,81 = 176,7 N 
 
Logo, 
𝑅1 = 2629,2 N 
 
 V: Esforço cortante 
𝑉(𝑥) = 𝑤 (𝐿 − 𝑥) 
R1 
M1 
w 
L 
x 
 
48 
 
Figura 43 - Gráfico do esforço cortante x Comprimento das forquilhas 
 
Vmáx = V(0) = 2629,2 N 
Vmín = V(L) = 0 N 
 
 M: Momento fletor 
 𝑀(𝑥) = −
𝑤
2
 (𝐿 − 𝑥)2 (10) 
 
 
Figura 44 - Gráfico do momento fletor x Comprimento das forquilhas 
 
Mmáx = M(0) = 1511,8 N.m 
Mmín = M(L) = 0 N.m 
Esforço cortante – V (N) 
Comprimento - L (m) 
Momento Fletor – M (Nm) 
Comprimento - L (m) 
 
49 
 
 y: Deflexão da viga 
 
𝑦(𝑥) = 
𝑤 𝑥2
24 𝐸 𝐼
 (4 𝐿 𝑥 − 𝑥2 − 6 𝐿2) (11) 
 
 
Figura 45 - Gráfico da deflexão x Comprimento das forquilhas 
 
ymáx = y(L) = 5,55 mm 
ymín = y(0) = 0 mm 
 
 
 σ: Tensão de flexão 
Como 𝑊𝑦 = 
𝐼𝑦
𝑦
 , substituindo na equação 8, tem-se que: 
 
𝜎(𝑥) = −
𝑀 (𝑥)
𝑊𝑦
 (12) 
 
 
 
 
 
Deflexão – y (m) 
Comprimento - L (m) 
 
50 
 
 
Figura 46 - Gráfico da tensão de flexão x Comprimento das forquilhas 
 
σmáx = σ (0) = 163,61 MPa 
σmín = σ (L) = 0 Mpa 
 
 τ: Tensão cisalhante 
De modo a simplificar o problema, a equação 9 foi ajustada. A variável Q aproximada 
para o valor de Wy do catálogo, e sabendo que b = tw, tem-se: 
 
𝜏 (𝑥) =
𝑉(𝑥) 𝑊𝑦
𝐼𝑦 𝑡𝑤
 (13) 
 
 
Figura 47 - Gráfico da tensão cisalhante x Comprimento das forquilhas 
 
Tensão – σ (Pa) 
Comprimento - L (m) 
Tensão – σ (Pa) 
Comprimento - L (m) 
 
51 
τmáx = τ (0) = 8,46 MPa 
τmín = τ (L) = 0 Mpa 
 
 Critério de falha de Von Mises: 
Para um carregamento multiaxial, é necessário considerar a combinação de todas as 
componentes de tensão presentes no elemento estrutural. O critério de falha escolhido 
para o projeto será o Critério da Energia de Distorção ou Critério de Von Mises. Esse 
critério é baseado na energia de distorção de um dado elemento e pode ser enunciado 
como: "um elemento estrutural (dúctil) irá falhar se a energia associada à mudança de 
forma de um corpo, submetido a um carregamento multiaxial, ultrapassar a energia de 
distorção de um corpo de prova submetido a um ensaio uniaxial de tração". Para ocaso 
em análise, de um estado plano de tensões, a expressão matemática para a tensão 
equivalente de Von Mises é: 
σ𝐸𝑄 = √σ𝑥𝑥
2 + σ𝑦𝑦
2 − σ𝑥𝑥σ𝑦𝑦 + 3𝜏𝑥𝑦
2 < 𝜎𝑒𝑠𝑐 
Onde σesc é a tensão de escoamento do material, obtida através de ensaio de tração e 
indicada na tabela 5. 
No carregamento da forquilha, uma das tensões principais é zero, a equação da tensão 
equivalente de Von Mises pode ser reescrita como: 
 σ𝐸𝑄 = √[(σ𝑚á𝑥)2 + 3 ∙ (τ𝑚á𝑥)2] < 𝜎𝑒𝑠𝑐 (14) 
 
Para o cálculo da tensão equivalente na equação 14, foram considerados as máximas 
tensões envolvidas, por questões de sobrecarga e segurança, muito embora elas não 
ocorram no mesmo ponto. 
Portanto, para o carregamento das forquilhas, a tensão equivalente obtida é: 
σ𝐸𝑄 = 164,27 𝑀𝑃𝑎 
 
 
52 
O coeficiente ou fator de segurança para o dimensionamento desse componente é obtido 
através da equação: 
𝐹𝑆 =
𝜎𝑒𝑠𝑐
𝜎𝐸𝑄
=
 350 𝑀𝑃𝑎
164,27 𝑀𝑃𝑎
= 2,13 
 
O fator de segurança obtido foi considerado satisfatório, uma vez que leva em conta a 
criticidade do equipamento e visa manter as forquilhas compactas. 
 
4.3 Torre de elevação 
Para empilhadeiras convencionais, a torre de elevação atua como mero guia das 
forquilhas, não estando sujeita a grandes esforços. Para o projeto da empilhadeira em 
questão, devido ao mecanismo de nivelamento e à aplicação sobre terreno inclinado, 
surgem esforços na torre de elevação. 
Entretanto, como o nivelamento da torre ocorre com a carga no ponto mais baixo possível, 
gerando um menor momento nas vigas da torre, e considerando ainda que existem chapas 
de reforço nas vigas, os esforços de deflexão foram considerados desprezíveis. 
 
4.3.1 Escolha do perfil 
A escolha do perfil foi feita considerando que a principal função da torre de elevação é 
servir de guia para os roletes das forquilhas e permitir que o levantamento de cargas seja 
feito de modo seguro. Ainda assim, buscou-se um perfil com boa resistência. 
Assim sendo o perfil escolhido foi o perfil U de abas paralelas. A figura 48 mostra as 
características do perfil da viga U escolhida. 
 
53 
 
Figura 48 - Dimensões do perfil da viga U (COMERCIAL GERDAU) 
 
4.4 Cilindros hidráulicos 
Cilindros hidráulicos são atuadores lineares capazes de transformar a energia hidráulica, 
proveniente da pressurização de um fluido (geralmente óleo mineral), em energia 
mecânica. 
Basicamente os cilindros hidráulicos são constituídos de uma camisa metálica oca, com 
um êmbolo móvel solidário a uma haste, elementos de vedação e conexões hidráulicas 
para entrada e saída do óleo. O êmbolo divide o interior do cilindro em duas câmaras, ao 
pressurizar-se cada uma delas, o êmbolo juntamente com a haste irá se deslocar realizando 
o movimento linear do atuador, conforme mostra a figura 49. 
 
Figura 49 - Principais partes de um cilindro hidráulico (http://www.ashm.mx/blog/page/3/) 
 
http://www.ashm.mx/blog/page/3/
 
54 
São diversos os tipos de cilindros hidráulicos: Cilindros de ação simples, de dupla ação, 
diferencial, telescópico, amortecedor, entre outros. Sendo os principais tipos os de 
simples ação e os de dupla ação. 
Além disso, inúmeros são os tipos de ponteiras (Figura 50) que podem ser ligados à haste 
por meio de solda, rosca, prendedores, tirantes. 
 
Figura 50 - Alguns tipos de ponteiras para cilindros hidráulicos (http://www.grices.it/en) 
4.4.1 Simples ação 
Cilindros que possuem uma única conexão para entrada do fluido no interior do cilindro. 
O cilindro ao ser acionado pela unidade de potência hidráulica move-se em uma direção. 
O seu retorno para a posição da haste em repouso ocorre com o auxílio de uma mola 
interna ou pela ação da gravidade. A figura 51 mostra esquematicamente o funcionamento 
de um cilindro de simples ação com retorno por mola. 
 
Figura 51 - Cilindro simples ação com retorno por mola 
(http://www.peninsularcylinders.com/HH_Links/HH_LH_NFPA_Cylinders/HH_LH_NFPA_Spring%20Extend%20a
nd%20Return.htm) 
 
http://www.grices.it/en
http://www.peninsularcylinders.com/HH_Links/HH_LH_NFPA_Cylinders/HH_LH_NFPA_Spring%20Extend%20and%20Return.htm
http://www.peninsularcylinders.com/HH_Links/HH_LH_NFPA_Cylinders/HH_LH_NFPA_Spring%20Extend%20and%20Return.htm
 
55 
4.4.2 Dupla ação 
Possuem duas conexões, uma para entrada e outra para o retorno do óleo. Nesse tipo de 
cilindro, a movimentação da haste tanto para o avanço quanto para o recuo é feita 
pressurizando-se o fluido de pressão em cada uma das câmaras, ou seja, são cilindros que 
realizam trabalho tanto no avanço quanto no recuo. Na figura 52 pode-se observar a 
configuração de um cilindro de dupla ação em uma vista em corte. 
 
Figura 52 - Cilindro hidráulico de dupla ação (http://www.skf.com/my/products/seals/industrial-seals/hydraulic-
seals/general-technical-information/introduction-to-fluid-power/hydraulic-cylinders/index.html) 
 
4.4.3 Simbologia de cilindros hidráulicos 
A simbologia para cilindros hidráulicos, bem como de todos os outros componentes que 
podem compor um circuito hidráulico ou pneumático, segue o padrão estabelecido na 
norma específica, no caso a ABNT 8897, representado na figura 53. 
 
Figura 53 - Simbologia para atuadores lineares segundo a norma ABNT 8897 
 
56 
4.4.4 Regra dos 80% 
A regra dos 80% é uma regra prática utilizada no dimensionamento de equipamentos 
hidráulicos, e ele estabelece os limites de segurança dos cilindros hidráulicos. Todo 
equipamento deverá ser utilizado no máximo até 80% de sua carga máxima para evitar 
acidentes e incidentes. Caso o equipamento utilizado esteja acima da faixa de segurança, 
deve-se utilizar um equipamento mais potente para realizar o trabalho com segurança. 
Essa regra se aplica ao curso e a capacidade do cilindro. 
Ao utilizar 100% do curso, corre-se o risco de provocar danos ao anel de vedação presente 
no pistão do cilindro (anel de parada). 
A importância da regra dos 80% para a capacidade de carga é que, a maioria das cargas 
não é içada em seu centro verdadeiro. Isto resulta em cargas laterais para o cilindro. Levar 
em conta um fator de segurança é a maneira mais simples de compensar as características 
fora do centro no levantamento de um ponto. (TORVEL) 
4.4.5 Seleção do cilindro hidráulico de levantamento 
O cilindro de levantamento será responsável por erguer a carga até a altura desejada. 
Conforme foi pré-estabelecido, essa altura para o projeto será de 1,6 m, o que determina 
o tamanho total para o cilindro hidráulico estendido como sendo de no máximo 1,6 m. 
O cilindro deve ser capaz de exercer uma força superior ao dobro da soma do peso do 
conjunto das forquilhas e do peso da carga máxima permitida (500 kgf), conforme 
observa-se no esquema da Figura 54. 
 
Figura 54 - Força (F) do cilindro de levantamento 
 
𝐹 > 2 × (𝑃𝑓𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎 + 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) 
 
57 
Esse resultado deve ser multiplicado por um fator de sobrecarga, por medida de 
segurança. 
Utilizando o Solidworks para o cálculo da massa, tem-se que: 
(𝑃𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎 + 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) = 5680,0 𝑁 
O valor mínimo para a força do cilindro: 
𝐹 = 11360,0 𝑁 
Para a escolha do cilindro adequado, o fabricante consultado foi a Parker Hannifin, que 
trabalha com cilindros em diversos grupos de pressões nominais, de 17 a 345 bar. 
Dado que o esforço que o cilindro irá executar não é tão elevado, a busca foi por faixas 
de pressões menores, de modo a simplificar o dimensionamento da unidade de potência. 
 O diâmetro do pistão do cilindro hidráulico de interesse é dado pela equação: 
𝑃 =
𝐹
𝐴
→ 𝐴 =
𝜋𝑑2
4
=
𝐹
𝑃
→ 𝑑 = √
4𝐹
𝜋𝑃
 
A tabela 6 mostra a máxima força do cilindro para os grupos de menores pressões e os 
diâmetros do pistão que são necessários. 
Tabela 6 - Diâmetros mínimos para haste em cada faixa de pressão (PARKER HANNIFIN, 2009) 
Diâmetro 
do pistão 
(mm) 
Força de empurre (KN) do cilindro 
em várias faixasde pressão (bar) 
17 34 52 69 103 
51 3,5 7,0 10,5 14,0 21,0 
64 5,5 10,9 16,4 21,8 32,8 
76 7,9 15,7 23,6 31,4 47,2 
83 9,2 18,5 27,7 36,9 55,4 
89 10,7 21,4 32,1 42,8 64,2 
102 14,0 28,0 41,9 55,9 83,9 
114 17,7 35,4 53,0 70,7 106,1 
127 21,8 43,7 65,5 87,4 131,0 
140 26,4 52,8 79,3 105,7 158,5 
152 31,4 62,9 94,3 125,8 188,6 
178 42,8 85,6 128,4 171,2 256,8 
 
58 
Dadas as possíveis opções, priorizou-se buscar valores intermediários para o diâmetro, de 
modo a manter o equipamento portátil. Assim, a escolha final ficou pela faixa de pressão 
de 34 bar. 
Finalmente, o fator de segurança para o cilindro de levantamento pode ser determinado 
por: 
𝐹𝑆 =
 𝐹𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑖𝑑𝑜
𝐹𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜
=
21400
11360
= 1,89 
 
Esse fator de segurança foi considerado adequado, considerando que apresenta uma boa 
sobrecarga às condições de capacidade de carga de projeto e se adequa à regra dos 80% 
com sobras. 
Com relação ao comprimento do cilindro, a fabricante oferece cilindros com avanços até 
3000 mm. Para esse projeto, a escolha será por avanço de 900 mm, ou seja, o cilindro 
totalmente estendido chega a uma altura de 1800 mm, permitindo que o cilindro não opere 
com seu máximo curso, conforme a boa prática aconselha. 
4.4.6 Seleção dos cilindros hidráulicos de nivelamento 
Os cilindros hidráulicos de nivelamento são responsáveis por nivelar a torre de elevação 
quando o equipamento for operar em aclive. O nivelamento deverá ocorrer sempre com 
as forquilhas na posição inferior. 
Para a correta seleção do cilindro, se faz necessário calcular o seu curso. O comprimento 
do cilindro na posição recuada é a distância entre os seus olhais de fixação, enquanto que 
na posição avançada, o incremento obtido pode ser calculado por meio da lei dos 
cossenos. A Figura 55 mostra a comparação entre o cilindro na posição recuada, e na 
posição totalmente estendida. 
 
59 
 
Figura 55 - Esquema da atuação do cilindro de nivelamento 
 
Percebe-se que o curso necessário para o cilindro é: 
𝑐𝑢𝑟𝑠𝑜 = 𝐴𝐶′ − 𝐴𝐶 
Da geometria determinada para o equipamento, tem-se que: 
𝐴𝐶 = 500𝑚𝑚 ; 𝐴𝐵 = 400 𝑚𝑚; 𝐵𝐶 = 300 𝑚𝑚 
E que, pela lei dos cossenos: 
 𝐴𝐶′
2
= 𝐵𝐶2 + 𝐴𝐵2 − 2 𝐵𝐶′𝐴𝐵 𝑐𝑜𝑠 (𝜃 + 90) (15) 
 
 
 
60 
Onde, o ângulo a ser considerado deve ser o máximo permitido para a utilização segura 
do equipamento. Tal ângulo foi estabelecido na seção 4.5. 
𝜃 = 15,1° 
Assim, o curso máximo será de, aproximadamente: 
𝐶𝑢𝑟𝑠𝑜 = 60 𝑚𝑚 
A escolha será por cilindros com um curso superior, conforme recomenda a boa prática. 
Sendo assim, buscou-se cilindros com o curso de 200 mm. 
A força que o cilindro deve exercer para mover a torre de elevação carregada das 
forquilhas e da carga máxima de projeto é: 
 
𝐹 = (𝑃𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜) 
𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑐𝑜𝑠𝛽
 (16) 
 
Onde, 
Pconjunto : Força peso resultante do somatório dos pesos de cada um dos componentes que 
se move durante a ação de nivelamento. 
Logo, a mínima força que o cilindro de nivelamento precisa superar é: 
𝐹 = 2323,1 𝑁 
Novamente buscou-se nas tabelas do catálogo da Parker, e optou-se pelo faixa de pressão 
de 17 bar e pelo cilindro com pistão de 64 mm. 
Dessa forma, o fator de segurança para o cilindro de nivelamento pôde ser determinado 
por: 
𝐹𝑆 =
 𝐹𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑖𝑑𝑜
𝐹𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜
=
5500
2323,1
= 2,36 
Considerando que o carregamento em superfície inclinada é crítico, dado que uma falha 
pode não só ferir o operador e danificar a carga, como também causar um tombamento 
no equipamento, o fator de segurança obtido foi considerado adequado. 
 
 
61 
4.5 Motores hidráulicos 
Os motores hidráulicos são atuadores rotativos, e tal como os cilindros hidráulicos, 
transformam a energia de trabalho hidráulico, proveniente da pressurização de um fluido 
(geralmente óleo mineral), em energia mecânica, porém nesse caso, em energia mecânica 
rotativa, que é transferida ao objeto resistivo por meio de um eixo. 
Basicamente, os motores hidráulicos consistem em uma carcaça com conexões de entrada 
e saída, e um conjunto rotativo ligado a um eixo. 
Motores são semelhantes a bombas construtivamente, no entanto, enquanto as bombas 
recebem uma atuação rotativa para mover um fluido para fora do seu interior, os motores 
hidráulicos recebem o fluido pressurizado em seu interior e entregam uma atuação 
rotativa no seu eixo. 
4.5.1 Principais tipos 
Existe uma grande variedade de tipos e princípios construtivos para motores hidráulicos. 
Cada tipo possui vantagens e desvantagens dada a aplicação. 
 Motores de palheta 
As palhetas são montadas no rotor do motor, que por sua vez é montado deslocado do 
centro da carcaça. Basicamente, o fluido ao passar pela cavidade da carcaça empurra as 
palhetas causando a rotação do eixo. As palhetas são livres para entrar e sair do rotor, e 
tem seu contato com a parede da carcaça garantido pela atuação de molas. 
 
Figura 56 - Funcionamento de motores de palheta (PARKER HANNIFIN CORP, 2003) 
 
 
62 
 Motores de engrenagem 
Um motor de engrenagem é um motor de deslocamento positivo que desenvolve um 
torque de saída no seu eixo através da ação da pressão hidráulica nos dentes da 
engrenagem. Consiste basicamente em uma carcaça com aberturas de entrada e de saída 
e um conjunto rotativo composto de duas engrenagens. Uma das engrenagens, a 
engrenagem motora, é ligada a um eixo que está ligado a uma carga. A outra é a 
engrenagem movida, como mostrado na figura 57. 
 
Figura 57 - Funcionamento do motor hidráulico de engrenagens (PARKER HANNIFIN CORP, 2001) 
 
 Motor orbital 
O princípio de funcionamento dos motores orbitais é baseado na configuração de uma 
engrenagem interna montada a um encaixe externo. O fluido ao ser impulsionado para a 
cavidade do motor, move a engrenagem interna, que gira, entregando torque e rotação no 
eixo de saída, que é solidário a engrenagem interna. A figura 58 mostra a visão das 
engrenagens sem o eixo montado. 
 
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Figura 58 - Motor orbital (www.orbitalmotors.net) 
 Motores de pistão axial 
O motor de pistão é um motor de deslocamento positivo que desenvolve um torque de 
saída no seu eixo por meio da pressão hidráulica que age nos pistões. O conjunto rotativo 
de um motor de pistão consiste basicamente de placa de deslizamento, tambor de cilindro, 
pistões, placa retentora, mola de retenção, placa de orifício e eixo. 
 
Figura 59 - Motor de pistão axial (PARKER HANNIFIN CORP, 2003) 
 
4.5.2 Simbologia de motores hidráulicos 
A simbologia para atuadores rotativos, entre eles os motores hidráulicos, segue o padrão 
estabelecido na norma específica, a ABNT 8897, representado a figura 60. 
 
 
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Figura 60 - Simbologia para atuadores rotativos segundo a norma ABNT 8897 
 
4.5.3 Motor hidráulico da roda de tração 
Para a seleção de um motor para a roda de veículos móveis, alguns fatores devem ser 
levados em conta para a determinação do máximo torque requerido, e posterior escolha 
do motor adequado. 
O motor hidráulico será responsável por fornecer torque para a roda de tração, o que irá 
permitir ao equipamento uma melhor condição de deslocamento e manobra. 
Como trata-se de uma empilhadeira manual, que será deslocada por uma pessoa 
caminhando, o motor não precisa apresentar altas rotações, dado que a velocidade 
requerida para o equipamento é baixa. 
O torque de saída do motor deve ser suficiente para garantir que o equipamento possa 
operar em todas as situações inseridas no seu conceito de funcionalidade, ou seja, 
deslocar-se em superfícies planas e em aclives. 
 
Os seguintes dados serão necessários para a escolha do motor adequado: 
 Peso do equipamento (P): 
A força peso a ser utilizada é com o equipamento carregado, ou seja, considerando o peso 
do equipamento mais a carga máxima de projeto. Para esse cálculo fez-se necessário 
estimar o peso da unidade de potência, que não foi dimensionada no projeto.