2 2 - Tipos de mecanismos

Prévia do material em texto

<p>19/08/2020</p><p>1</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>Instituto Federal de Goiás</p><p>Departamento IV - Coordenação de Mecânica</p><p>Disciplina: Dinâmica das Máquinas</p><p>Tipos de Mecanismos</p><p>Capítulo 2 – Cinemática e Dinâmica dos Mecanismos - Norton</p><p>Prof.: Marco Aurélio B C Badan</p><p>E-mail: marco.badan.ifg@gmail.com</p><p>Sala:</p><p>Colaboração e agradecimentos:</p><p>Prof . Ricardo Humberto de Oliveira Filho - UFTM</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Levando-se em conta os mecanismos em sua totalidade, estes podem ser divididos</p><p>conforme representado no diagrama:</p><p>19/08/2020</p><p>2</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Dentre os mecanismos mecânicos destacam-se:</p><p>Mecanismos de movimento uniforme: engrenagens, rodas de atrito, mecanismo de</p><p>rosca e os de acoplamento flexível.</p><p>Estão comumente fornecidos como completas unidades de montagem, muitas vezes</p><p>como “itens de prateleira”.</p><p>Neste ramo, do ponto de vista cinemático não há muito o que mudar, e a atual</p><p>pesquisa centraliza-se, principalmente, nos problemas de aperfeiçoamento do</p><p>material e da manufatura, como também no desenvolvimento de um uniforme e</p><p>completo cálculo fundamental, onde tenta-se incorporar todos os fatores de</p><p>influência.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismo de movimento periódico: mecanismos de barras, cames, engrenagens</p><p>não-circulares e mecanismos intermitentes.</p><p>Os mecanismos de movimento periódico são elementos de máquinas que não são</p><p>fornecidos como unidades pré-fabricadas e devem ser projetados para cada caso.</p><p>Em todas as máquinas que usam esses mecanismos periódicos, o desempenho</p><p>global e a eficiência dependem principalmente de inventividade e aprimoramento</p><p>do projeto.</p><p>19/08/2020</p><p>3</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismos planos e mecanismos tridimensionais</p><p>Uma outra classificação distingue, também, mecanismos planos (com os membros</p><p>localizados nos planos paralelos) e mecanismos tridimensionais.</p><p>Nos tridimensionais destacam-se os mecanismos esféricos, cujos eixos de rotação</p><p>interceptam num ponto, e os espaciais com os eixos em posições arbitrárias.</p><p>As figuras a seguir mostram alguns exemplos de mecanismos de movimento</p><p>periódico, classificados em mecanismos planos, esféricos e espaciais.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>19/08/2020</p><p>4</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>19/08/2020</p><p>5</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismo de 4 barras</p><p>O mecanismo de quatro barras, chamado também quadrilátero articulado, é o mais</p><p>usado graças a sua extrema simplicidade e robustez.</p><p>Todavia, os mecanismos de mais barras têm sido extensamente utilizados,</p><p>principalmente nos casos onde as exigências são maiores, e o de quatro barras não</p><p>satisfaz os requisitos técnicos.</p><p>Somente em casos muito esporádicos, o desejado movimento pode ser reproduzido</p><p>de maneira teoricamente exata. Na maioria dos casos, uma reprodução aproximada</p><p>há de satisfazer as condições predeterminadas.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>A reprodução será exata somente em um número limitado de pontos, chamados</p><p>pontos de precisão, diferindo no espaçamento entre eles de uma grandeza</p><p>geralmente com efeito desprezível na prática.</p><p>Embora, de um modo geral, sua configuração geométrica seja muito simples, o</p><p>projeto de um mecanismo de barras pode apresentar sérios problemas e requer,</p><p>muitas vezes, sofisticação matemática.</p><p>19/08/2020</p><p>6</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>A peça 1 representa o suporte ou estrutura, geralmente estacionária. A manivela 2 é</p><p>a peça acionadora que pode girar ou apenas oscilar. Em ambos os casos, a peça 4</p><p>(balancim) irá oscilar. Se a peça 2 gira, o mecanismo transforma movimento de</p><p>rotação em oscilação. Se a manivela oscila, o mecanismo então multiplica o</p><p>movimento de oscilação, através da peça 3 (biela).</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Enquanto a manivela 2 gira, não há perigo de travamento do mecanismo.</p><p>Entretanto, se esta oscila, deve-se tomar cuidado no dimensionamento dos</p><p>comprimentos das peças para evitar pontos mortos de modo que o mecanismo não</p><p>pare em suas posições extremas (travamento). Estes pontos mortos ocorrerão</p><p>quando a linha de ação da força acionadora tiver a mesma direção da peça 4,</p><p>conforme indicado na linha tracejada A’B’O4.</p><p>19/08/2020</p><p>7</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Além dos possíveis pontos mortos em um mecanismo de quatro barras, é necessário</p><p>verificar se o ângulo de transmissão entre as peças 3 e 4, representado por γ, atende</p><p>às recomendações de projeto.</p><p>Uma equação para o cálculo do ângulo de transmissão pode ser deduzida aplicando</p><p>a lei dos cossenos aos triângulos AO2O4 e ABO4:</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>19/08/2020</p><p>8</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Em geral, o ângulo de transmissão máximo não deve ser maior do que 140° e o</p><p>mínimo não deve ser inferior a 40° se o mecanismo for empregado para transmitir</p><p>grandes forças.</p><p>O mecanismo de quatro barras ainda pode assumir várias formas de montagem:</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>• Manivela e balancim</p><p>Os apoios (elo terra - 1) consistem numa carcaça ou base geralmente estacionária.</p><p>O elemento 2 gira completamente, e o elemento 4 oscilará. O mecanismo</p><p>transforma rotação em oscilação. Neste caso, quando o elemento 2 é o motor e apto</p><p>à rotação completa, não há possibilidade de ponto morto.</p><p>19/08/2020</p><p>9</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>• Duplo balancim</p><p>Os elementos 2 e 4 oscilam, deve-se evitar pontos mortos que podem paralisar o</p><p>mecanismo. Estes pontos mortos ocorrerão quando a linha de ação da força motora</p><p>coincidir com o eixo do elemento 4.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>O mesmo poderá ocorrer no caso em que, embora o elemento 2 possa girar</p><p>completamente, o elemento 4 seja o motor. Neste caso, os pontos mortos ocorrerão</p><p>em C1B1 e C2B2.</p><p>O ponto morto é combatido com a utilização de um volante de inércia.</p><p>19/08/2020</p><p>10</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Dupla manivela com retorno rápido</p><p>É uma inversão do mecanismo anterior onde a base passou de AD para AB. Se a</p><p>manivela AD for a condutora com ωAD= cte, a manivela BC conduzida terá uma</p><p>ωBC (MÉDIA) ,que numa determinada parte do ciclo é menor do que ωAD e em outra é</p><p>maior (retorno rápido).</p><p>Esta alteração ocorre sempre que a biela CD</p><p>for paralela à base AB.</p><p>Condições para evitar pontos mortos no</p><p>mecanismo:</p><p>1) AD >AB 2) BC > AB;</p><p>3) CD AB + BC - AD</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Paralelogramo articulado</p><p>Neste mecanismo o elemento AB é igual e paralelo ao elemento DC, o mesmo</p><p>acontece com o elemento AD e BC. Assim BC tem seu deslocamento sempre</p><p>paralelo à base AD.</p><p>Independente do elemento condutor, tem-se dois pontos mortos, a figura mostra um</p><p>deles no alinhamento das manivelas e biela, (alinhamento dos pontos A, BM , D e</p><p>CM).</p><p>Tem-se ainda ω4= ω2 , pois</p><p>AM = DN</p><p>Ou seja ω4 . DN = ω2 . AM</p><p>19/08/2020</p><p>11</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Exemplo: Rodas motrizes de locomotivas, sempre em pares, sendo os mecanismos</p><p>defasados e em rodas opostas para vencer os pontos mortos.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Manivelas anti-rotativas</p><p>Neste mecanismo AB = DC e AD = BC, mas não são paralelos como no exemplo</p><p>anterior. Neste caso, as manivelas giram em sentidos opostos, e com isto, AM é</p><p>diferente de DN, então ω4 é diferente de ω2. Se AB é condutora, a conduzida DC</p><p>deve possuir um dispositivo para ultrapassar os pontos mortos, por exemplo, um</p><p>volante de inércia acoplado ao eixo.</p><p>19/08/2020</p><p>12</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Sistema</p><p>biela-manivela</p><p>Esse mecanismo é largamente usado, e sua maior aplicação é em motores de</p><p>combustão interna. A figura mostra a base, a manivela, a biela e o pistão. No motor</p><p>de combustão interna, os gases exercem sua pressão sobre o pistão, e a força</p><p>resultante é transmitida ao eixo de manivela através da biela.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Os dois pontos mortos PMS e PMI ocorrem nas posições extremas do pistão</p><p>(alinhamento da biela com a manivela) e são superados pela instalação de um</p><p>volante de inércia no eixo de manivela.</p><p>19/08/2020</p><p>13</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismo de retorno rápido</p><p>Esses mecanismos são usados em máquinas-ferramentas para dar-lhes um curso de</p><p>corte lento e um retorno rápido com a utilização de uma manivela motora com</p><p>velocidade angular constante.</p><p>No projeto de um sistema de retorno</p><p>rápido, é importante que a razão entre</p><p>tempo de avanço e tempo de retorno seja</p><p>maior que a unidade.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Exemplo: Mecanismo de Plaina Limadora</p><p>Na figura observa-se a rotação completa da manivela b e a oscilação do balancim d,</p><p>comandado pelo par deslizante c que percorre um ângulo de retorno menor do que</p><p>o ângulo de trabalho (corte).</p><p>19/08/2020</p><p>14</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismo de alavanca articulada</p><p>Este mecanismo tem muitas aplicações onde se necessita vencer uma grande</p><p>resistência com uma pequena força motriz, como no caso das prensas mecânicas. A</p><p>figura mostra um exemplo onde as peças 4 e 5 têm o mesmo comprimento.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>À medida que o ângulo α diminui e as peças 4 e 5 se tornam quase alinhadas, a</p><p>força F necessária para vencer uma dada resistência P decresce conforme a relação:</p><p>F/P =2tgα .</p><p>Um britador ou uma prensa utilizam este mecanismo para vencer uma grande</p><p>resistência com uma pequena força.</p><p>19/08/2020</p><p>15</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismo garfo escocês</p><p>Este mecanismo é capaz de gerar movimento harmônico simples (MHS).</p><p>Inicialmente era empregado em bombas a vapor, mas atualmente é usado como</p><p>mecanismo de mesas vibratórias e gerador de seno e cosseno.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>O raio r da manivela girando a uma velocidade angular constante ωr e a projeção do</p><p>ponto P sobre o eixo x (ou eixo y) se deslocam com movimento harmônico simples.</p><p>O deslocamento, medido da direita para a esquerda, a partir da interseção da</p><p>trajetória de P com o eixo x é dado por: ondecos rx r r   r rt </p><p>19/08/2020</p><p>16</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismos traçadores de retas</p><p>São mecanismos projetados de modo que um ponto de uma das peças se mova em</p><p>linha reta. Dependendo do mecanismo, esta linha reta poderá ser aproximada ou</p><p>teoricamente exata.</p><p>Um exemplo de um mecanismo traçador de retas aproximadas é o mecanismo de</p><p>Watt.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>O ponto P está localizado de tal modo que os segmentos AP e BP são inversamente</p><p>proporcionais aos comprimentos O2A e O4B, respectivamente. Portanto, se as peças</p><p>2 e 4 tiverem o mesmo comprimento, o ponto P deverá estar no meio da peça 3.</p><p>19/08/2020</p><p>17</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>• Mecanismo Peaucellier</p><p>É um mecanismo que pode gerar uma linha reta exata. A figura mostra um exemplo</p><p>onde as peças 3 e 4 são iguais. As peças 5, 6, 7 e 8 também são iguais e a peça 2</p><p>tem seu comprimento igual à distância O2O4.</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Mecanismos came-seguidor</p><p>Vários são os critérios que possibilitam a classificação do mecanismo came-</p><p>seguidor.</p><p>Se o critério for a forma do came, consideram-se três grupos principais, a saber:</p><p>cames de translação, cames de disco e cames cilíndricas.</p><p>19/08/2020</p><p>18</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Outra forma de agrupamento do mecanismo came-seguidor é o que se baseia no</p><p>tipo do seguidor, o qual pode classificar-se segundo três critérios básicos: quanto</p><p>ao movimento, quanto à trajetória e quanto ao contato. Deste modo, relativamente</p><p>ao movimento permitido pode haver seguidores translacionais ou seguidores</p><p>oscilantes.</p><p>19/08/2020</p><p>19</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Se classificarmos a trajetória do seguidor em relação ao eixo da came pode-se ter</p><p>seguidores radiais ou seguidores transversais (axiais).</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p><p>Se classificarmos o seguidor pela forma como este faz contato com a superfície da</p><p>came, pode haver seguidores de faca, de rolete, de prato (ou plano) e esférico.</p><p>Neste caso, as escolhas serão em função da área de contato e restrições de</p><p>lubrificação.</p><p>19/08/2020</p><p>20</p><p>Prof. Marco Aurélio Brazão Costa Badan - IFG</p><p>MECANISMOS</p>