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Elementos de Máquinas I Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Lincoln Ribeiro Nascimento Revisão Textual: Prof.ª Me. Natalia Conti Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas • Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas. • Apresentar ao aluno uma breve introdução ao estudo dos Elementos de Máquinas e suas aplicações e revisar alguns conceitos que são fundamentais para o estudo dos Elementos de Máquinas. OBJETIVO DE APRENDIZADO Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas O que são Elementos de Máquinas? Ex pl or Elementos de Máquinas são componentes mecânicos que constituem as diversas máquinas criadas pelo homem para a execução de tarefas. Ao iniciar-se o estudo em cursos de engenharia, é comum que este estudo inicial ocorra em uma área da física conhecida como Mecânica. Essa área da Física estuda, basicamente, os corpos em movimento ou repouso e, as causa, ou seja, o que faz um corpo estar em movimento ou repouso. Sendo assim, de uma maneira geral, o estudo da Mecânica pode ser dividido em 3 subáreas: • Cinemática – Estuda os corpos em movimento sem preocupar-se com a causa desse movimento; • Dinâmica – Estuda os corpos em movimento, incluindo nesse estudo a(s) causa(s) do movimento desses corpos; • Estática – Estuda os corpos em repouso, incluindo nesse estudo a(s) causa(s) do repouso desses corpos. Tanto em Estática, quanto em Dinâmica, a causa do movimento ou repouso dos corpos será resumida em uma única grandeza física, conhecida como Força. Em Resistência dos Materiais o estudo é direcionado, principalmente, ao estudo da Estática, ou seja, dos corpos em repouso, incluindo as forças atuantes nesse cor- po, os efeitos dessas forças no corpo e a resistência desse corpo à ação dessas forças. Na disciplina de Elementos de Máquinas vamos aplicar os conhecimentos de Re- sistência dos Materiais para o dimensionamento de elementos mecânicos utilizados em Máquinas. O que significa dimensionar um Elemento de Máquina? Ex pl or Dimensionar um elemento de máquina significa selecionar ou ainda calcular as dimensões desse elemento de máquina de tal forma que ele possa resistir aos esforços mecânicos aos quais ele estará exposto, quando a máquina ao qual ele pertence for utilizada. 8 9 Sendo assim, para se realizar o dimensionamento de um elemento de máquina são necessários conhecimentos das propriedades dos materiais, de resistência dos materiais e de mecânica, envolvendo estática, cinemática e dinâmica. Revisão dos Sistemas de Unidades de Medida Um sistema de unidades de medida estabelece quais unidades de medida devem ser utilizadas para todas as atividades de um país ou de uma determinada região. O estabe- lecimento de unidades de medida padrões facilita diversas atividades, como o comércio de produtos e serviços, a fabricação de equipamentos, a construção de edificações, a manutenção, entre outras atividades. Normalmente, um sistema de unidades de medida estabelece as unidades pa- drão para as chamadas 3 grandezas físicas fundamentais: • Comprimento; • Massa; • Tempo. As unidades de medida das demais grandezas físicas são obtidas através da com- binação das unidades dessas grandezas físicas fundamentais. O sistema de unidades de medida que é utilizado oficialmente no Brasil é o Sistema Internacional de Unidades (SI), que também é conhecido como Sistema MKS, que se refere às unidades de medida para as 3 grandezas físicas fundamentais (m, kg, s). Porém, no Brasil ainda existem diversos equipamentos que utilizam o sistema de unidades de medida conhecido como MK*S (MKS Técnico), no qual o quilograma (kg) como unidade de massa do SI é substituído pela utm (Unidade Técnica de Massa). Dessa forma, a letra K do Sistema MK*S representa a unidade de força desse sistema que é kgf (quilograma-força). Outro sistema de unidades de medida que pode ser encontrado em algumas situ- ações é o CGS (cm, g, s), no qual a unidade de força é a dyna. Finalmente, outro sistema de unidades de medida bastante conhecido, mas pou- co utilizado no Brasil é o Sistema inglês, em que a unidade de medida de compri- mento é a polegada (inch em inglês), normalmente representada por aspas duplas (“), ou ainda pelos símbolos in ou pol. Nesse sistema, a unidade de medida de massa é a libra (lb) e a unidade de força é a libra-força (lbf). Na tabela 1 é possível observar as principais unidades de medida desses sistemas de unidades. 9 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Tabela 1 – Principais Sistemas de Unidades de Medida Grandeza Física Sistemas de Unidades SI (MKS) MK*S CGS Inglês Comprimento m m cm pol Massa kg utm g lb Tempo s s s s Força N kgf dyna lbf Na disciplina de Elementos de Máquinas, toda vez que uma nova grandeza física for apresentada, será apresentada também a unidade de medida dessa grandeza. Nesse caso, a grandeza física aparecerá entre colchetes []. Por exemplo, a apresentação da unidade de medida de massa (m) será feita da seguinte forma: [ ]m kg= Sistemas de Unidades: Porque adotar um sistema padrão de unidades de medida utilizado no mundo todo como o SI? Ex pl or Entre outras vantagens, adotar um sistema de unidades que é utilizado no mun- do todo facilita a fabricação e o comércio de produtos entre os diversos países que adotam um mesmo sistema de unidades. As 3 Leis de Newton da Mecânica Para entender os conceitos envolvidos no estudo de Elementos de Máquinas, é fundamental relembrar as chamadas 3 Leis de Newton da Mecânica: • 1ª Lei: “Um corpo tende a manter o seu estado de movimento ou repouso”. Em outras palavras, essa lei trata do princípio da Inércia dos corpos. Dessa forma, um corpo no qual não estejam agindo forças externas, caso inicialmen- te estiver em repouso, tende a manter-se em repouso. Por outro lado, caso esse corpo inicialmente estiver em movimento, o mesmo tende a manter-se em movimento. • 2ª Lei: “A intensidade da Força Resultante aplicada em um corpo é diretamen- te proporcional à massa e à aceleração desse corpo”. Em outras palavras, quantomaior for a massa de um corpo, ou quanto maior for a aceleração de um corpo, maior será a intensidade da força resultante desse corpo. 10 11 De acordo com essa lei, a intensidade da força resultante atuante em um corpo é dada pela equação 1: .F m a= Onde: F → Força resultante atuante no corpo; m → Massa do corpo; a → Aceleração do corpo; Unidades de medida: [ ] 2 [ ] [ ] F N m kg ma s = = = • 3ª Lei: “Para toda força aplicada em um corpo ocorre uma reação de igual intensidade e sentido oposto”. Assim como as outras 2 leis, essa lei será de fundamental importância para o estudo de resistência dos materiais, pois na maioria das vezes será necessário estabelecer-se o chamado equilíbrio de um corpo, ou seja, uma situação onde a resultante das forças atuantes em um corpo é nula. E conhecer a ação e a reação de uma força será imprescindível para atingir esse objetivo. Tipos de Elementos de Máquinas Existem diversos tipos de elementos de máquinas. De acordo com a função exe- cutada, esses elementos podem ser agrupados ou não. Os principais elementos de máquinas são: • Eixos; • Elementos de Transmissão: Polias, Correias, Correntes, Engrenagens, Cha- vetas, Acoplamentos, etc; • Elementos de Apoio: Mancais de Rolamento, Mancais de Deslizamento, etc; • Elementos de Vedação: anéis de borracha, gaxetas, etc; • Elementos de Fixação: Parafusos, porcas, arruelas, anéis elásticos, etc; • Molas; • Cabos de aço; A seguir, esses elementos de máquinas serão apresentados. 11 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Eixos O eixo é um elemento de máquina de formato cilíndrico utilizado para suportar outros elementos de máquinas que realizam um movimento de rotação sobre esse eixo. Entre esses elementos que se apoiam em eixos incluem-se polias, engrenagens, entre outros. Os eixos podem ser classificados em 2 tipos: • Eixos: Trabalham fixos. Possuem apenas a função de suportar os outros elemen- tos de máquinas apoiados sobre eles. Não estão sujeitos a esforços de torção. • Eixos-árvore: Trabalham em movimento de rotação junto com os outros ele- mentos de máquinas apoiados sobre eles. Estão sujeitos a esforços de torção. São também um tipo de elemento de transmissão de potência. Na figura 1 é possível visualizar-se um exemplo de eixo-árvore sobre o qual está apoiada uma engrenagem. O movimento de rotação da engrenagem e do eixo é causado pelo motor elétrico. Figura 1 – Exemplo de eixo-árvore Fonte: iStock/Getty Images Elementos de Transmissão Os elementos de transmissão são elementos mecânicos de máquinas utilizados para transmissão de potência e movimento de um elemento a outro de uma má- quina ou sistema mecânico. Os principais elementos de transmissão são: • Eixos-árvore; • Acoplamentos; • Engrenagens; • Correntes; • Polias; 12 13 • Correias; • Chavetas. Os eixos-árvore já foram brevemente apresentados no item anterior. Os demais elementos de máquinas serão apresentados a seguir. Acoplamentos Os acoplamentos são elementos mecânicos utilizados para transmissão de potência e movimento de um eixo-árvore de uma máquina ou sistema mecânico para outro eixo–árvore de outra máquina ou sistema mecânico, sem alterar a sua velocidade de rotação. Na figura 2 é possível visualizar-se um exemplo de acoplamento entre 2 eixos rotativos. Figura 2 – Exemplo de Acoplamento Fonte: Adaptado de Wikimedia Commons Engrenagens As engrenagens são rodas dentadas utilizadas para a transmissão de potência e movimento de um eixo motor (que possui movimento de rotação) para outro eixo que passará a ter esse movimento de rotação (eixo movido). Dependendo do número de dentes das engrenagens, haverá aumento ou redução na velocidade de rotação entre o eixo motor e o eixo movido. Os principais tipos de engrenagens são: • Engrenagem Cilíndrica de Dentes Retos: Possui formato cilíndrico e os dentes são perpendiculares às faces da engrenagem. Na figura 3 é possível visualizar um exemplo de engrenagens cilíndricas de dentes retos utilizadas para transmissão de potência e rotação entre dois eixos. 13 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Figura 3 – Exemplo de Engrenagens Cilíndricas de Dentes Retos Fonte: iStock/Getty Images • Engrenagem Cilíndrica de Dentes Helicoidais: Possui formato cilíndrico e os dentes possuem uma inclinação (ângulo de hélice) em relação às faces da engrenagem. Na figura 4 é possível visualizar diversos exemplos de engrena- gens cilíndricas de dentes helicoidais acopladas em eixos de transmissão. Figura 4 – Exemplos de Engrenagens Cilíndricas de Dentes Helicoidais Fonte: iStock/Getty Images • Engrenagem Cônica: Possui formato cônico e os dentes podem ser retos ou helicoidais. Na figura 5 é possível visualizar 2 pares de engrenagens cônicas de dentes retos. 14 15 Figura 5 – Exemplo de Engrenagens Cônicas de Dentes Retos Fonte: iStock/Getty Images Na figura 6 é possível visualizar um par de engrenagens cônicas de dentes helicoidais. Figura 5 – Exemplos de Engrenagens Cônicas de Dentes Helicoidais Fonte: iStock/Getty Images • Coroa e Parafuso sem Fim: É um sistema mecânico composto por uma engrenagem coroa (movida) e uma parafuso especial chamado de parafuso com rosca sem fim (parafuso motor). Esse sistema é utilizado quando é ne- cessária uma transmissão de potência com uma grande redução de velo- cidades. O parafuso sem fim é assim chamado porque, por mais que seja rotacionado, nunca ocorre o seu travamento. Na figura 7 é possível visualizar 1 par formado por uma engrenagem movida (coroa) e um parafuso sem fim. 15 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Figura 7 – Exemplo de coroa e parafuso sem fim Fonte: iStock/Getty Images Correntes As correntes são elementos de máquinas de metal que são utilizados para o acopla- mento de 2 engrenagens que estão distantes entre si, para a transmissão de potência e movimento de um eixo motor (que possui movimento de rotação) para outro eixo que passará a ter esse movimento de rotação (eixo movido). As correntes são utilizadas, principalmente, quando o eixo motor e o eixo a ser movido estão muito distantes entre si. Isso evita a utilização de engrenagens muito grandes e pesadas. Na figura 8 é possível visualizar um exemplo de transmissão de potência e mo- vimento com a utilização de correntes em uma motocicleta. Figura 7 – Exemplo de Transmissão por Correntes em uma Motocicleta Fonte: iStock/Getty Images 16 17 Polias e Correias As polias são elementos de máquinas de formato cilíndrico, que são utilizadas para a transmissão de potência e movimento de um eixo motor (que possui movimento de rotação) para outro eixo que passará a ter esse movimento de rotação (eixo movido) com o auxílio de correias. Na figura 9 é possível visualizar um exemplo de polias utilizadas para transmissão de potência em motores de automóveis. Figura 9 – Exemplo de Polia Fonte: iStock/Getty Images As correias são elementos de máquinas fabricados em material flexível, utilizadas para o acoplamento entre 2 polias que estão distantes entre si, para a transmissão de potência e movimento de um eixo motor (que possui movimento de rotação) para outro eixo que passará a ter esse movimento de rotação (eixo movido). Na figura 10 é possível visualizar um exemplo de polias e correias utilizadas para transmissão de potência em motores de automóveis. Figura 10 – Exemplo de Transmissão de Potência utilizando-se Polias e Correias Fonte: iStock/Getty Images 17 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Chavetas As chavetas são elementos de máquinas utilizados para evitar a rotação entre uma polia ou engrenagem e o eixo, para a transmissão de potência e movimento de um eixo motor (que possui movimento de rotação) para outro eixo que passará a ter esse movi- mento de rotação (eixo movido). Essas chavetas podem ter diversos formatos. Na figura 11 é possível visualizar-se o formato de algumas chavetas. Figura 11 – Exemplos de Formatos deChavetas Fonte: iStock/Getty Images Por que utilizar chavetas em vez de fixar uma engrenagem ou polia diretamente no eixo de transmissão? Ex pl or Além da transmissão de potência e movimento, as chavetas costumam ser utiliza- das como um elemento de segurança. Nesse caso, as chavetas devem se construídas utilizando-se um material menos resistente do que o eixo, a polia ou a engrenagem, pois caso ocorra, por exemplo, o travamento do sistema, a chaveta irá romper-se, evitando assim danos maiores no sistema mecânico. Na figura 12 é possível visualizar uma chaveta montada na extremidade do eixo de um motor. Figura 12 – Detalhe de uma Chaveta Montada no Eixo de um Motor Fonte: Adaptado de iStock/Getty Images 18 19 Elementos de Apoio Os elementos de apoio são elementos de máquinas utilizados para apoiar outros elementos dessa máquina que estejam ou não em movimento. Os mancais são utilizados para apoiar eixos que realizam movimentos rotativos em uma máquina. Os mancais podem ser de 2 tipos: 1. Mancais de Rolamento: São formados por 2 anéis (um externo e outro interno), e entre esses 2 anéis, há elementos cilíndricos, cônicos ou esféricos, de forma a permitir uma redução no atrito entre o eixo e o mancal. São utilizados principal- mente para mancais que vão trabalhar em média e alta rotação. Na figura 13 é possível visualizar exemplos de mancais de rolamento. Figura 13 – Exemplos de Mancais de Rolamento Fonte: iStock/Getty Images 2. Mancais de Deslizamento: Também são conhecidos como Mancais de es- corregamento. Possuem um anel (também chamado de bucha) de um material com menor dureza entre o eixo e o mancal. Isso permite que, no caso de utilização prolongada, ocorra o desgaste desse anel, fazendo com que seja necessária apenas a troca desse anel, que por possuir maior dureza, irá se desgastar antes do eixo. São utilizados principalmente para mancais que vão trabalhar em baixas rotações ou com cargas muito elevadas. Na figura 14 é possível visualizar um exemplo de mancal de deslizamento em que a bucha é fabricada em alumínio. Figura 14 – Exemplos de Mancal de Deslizamento Fonte: Adaptado de iStock/Getty Images 19 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Quando os elementos a serem apoiados realizam movimentos lineares, normal- mente são utilizadas as chamadas guias ou barramentos. Na figura 15 é possível visualizar um torno mecânico no qual o carro principal movimenta-se linearmente apoiado sobre o barramento do torno. Figura 15 – Exemplo de Guia: Barramento de um Torno Mecânico Fonte: Adaptado de iStock/Getty Images Elementos de Vedação Os elementos de vedação são elementos de máquinas utilizados para evitar vaza- mentos de fluidos em componentes de máquinas que trabalhem com esses fluidos. Esses elementos de vedação são fabricados em materiais flexíveis, como a borra- cha, por exemplo, e também em materiais metálicos. Na figura 16 é possível visua- lizar um exemplo anéis de vedação utilizados em conexões para evitar o vazamento de óleo. Figura 16 – Exemplos de Elementos de Vedação: Anéis de borracha Fonte: iStock/Getty Images 20 21 Elementos de Fixação Os elementos de fixação são elementos de máquinas utilizados para fixação dos componentes das máquinas. Os elementos de fixação mais comuns são: • Parafusos; • Porcas; • Arruelas; • Rebites. Os parafusos são elementos de fixação que possuem roscas que permitem que um componente de uma máquina seja montado e, caso necessário, posteriormen- te, seja desmontado. Rosca é uma saliência de forma helicoidal que se desenvolve ao longo de uma superfície cilíndrica ou cônica.Ex pl or Quando o componente a ser fixado não possuir rosca, é possível utilizar as porcas com rosca para permitir a montagem do parafuso para fixação desse componente. Na figura 17 é possível visualizar um exemplo de parafuso e de porca com rosca. Figura 17 – Exemplos de Elementos de Fixação: Porca e Parafuso Fonte: Adaptado de iStock/Getty Images Por que utilizar arruelas em conjunto com parafusos e porcas? Ex pl or 21 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Quando o componente a ser fixado por um parafuso ou uma porca apresentar uma espessura muito pequena, como uma chapa, por exemplo, pode se utilizar uma arruela associada ao parafuso ou a porca, para evitar que ocorram deformações na chapa. Essa arruela irá aumentar a área de contato entre a cabeça do parafuso ou a porca e a chapa. Esse aumento da área de contato terá como consequência uma redução na tensão sobre a chapa. Na figura 18 é possível visualizar um conjunto de fixação composto por 1 para- fuso, 1 porca e 2 arruelas. Figura 18 – Exemplos de Elementos de Fixação: Porca, Parafuso e Arruelas Fonte: Adaptado de iStock/Getty Images Os rebites são elementos de fixação utilizados para fixação definitiva de compo- nentes de máquinas. Uma vez que um rebite é montado, a sua desmontagem somen- te é possível caso o rebite seja destruído. Na figura 19 é possível visualizar alguns exemplos de rebites. Figura 19 – Exemplos de Elementos de Fixação: Rebites Fonte: iStock/Getty Images 22 23 Molas As molas são elementos de máquinas que apresentam grandes deformações quan- do submetidas a esforços mecânicos, de tal forma que essas deformações não ultra- passem o limite elástico do material. As principais aplicações das molas são para o amortecimento de choque, o ar- mazenamento de cargas e o controle de movimentos. As molas podem ser apresentadas em diversos formatos. Na figura 20 é possível visualizar-se alguns exemplos de molas helicoidais. Figura 20 – Exemplos de Molas Helicoidais Fonte: iStock/Getty Images Cabos de Aço Os cabos de aço são elementos de máquinas utilizados para o transporte de cargas em guindastes, elevadores, pontes rolantes, entre outros. Em alguns casos também são utilizados para sustentar estruturas, como em pontes, por exemplo. Na figura 21 é possível visualizar um exemplo de cabo de aço enrolado em uma bobina. Figura 21 – Exemplo de Cabo de Aço em uma Bobina Fonte: iStock/Getty Images 23 UNIDADE Introdução ao Estudo dos Elementos de Máquinas Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Elementos de Máquinas MELCONIAN, S. Elementos de Máquinas. 10ª Edição - Ed. Érica, São Paulo, 2013. Leia o Capítulo 5 (p 91-94). Elementos de Máquinas BUDYNAS, R. G., NISBETT, J. K. Elementos de Máquinas de Sigley. 10ª Edição - Ed. AMGH, Porto Alegre, 2016. Leia também o Capítulo 1 da Parte 1 (p 3-39). Vídeos Elementos de Máquinas - Aula 23 - Conjuntos Mecânicos I https://youtu.be/32xN6wKHieA TElementos de Máquinas - Aula 24 - Conjuntos Mecânicos II https://youtu.be/_OB8_7vTGyM 24 25 Referências BUDYNAS, R. G., NISBETT, J. K. Elementos de Máquinas de Sigley. 10ª Edição - Ed. AMGH, Porto Alegre, 2016. HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 7ª Edição - Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2010. MELCONIAN, S. Elementos de Máquinas. 10ª Edição - Ed. Érica, São Paulo, 2013. MELCONIAN, S. Mecânica Técnica e Resistência dos Materiais. 19ª Edição - Ed. Érica, São Paulo, 2013. PEREIRA, C. P. M. Mecânica dos Materiais Avançada. 1ª Edição - Ed. Interciên- cia, Rio de Janeiro, 2014. 25
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