Sistemas articulados

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CAP. 02. SISTEMAS ARTICULADOS 
 
2.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS MECANISMOS 
 
Levando em consideração os mecanismos em sua totalidade, podemos classificá-
los conforme representado na figura abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2.1 Classificação dos mecanismos 
 
 
 
MECANISMOS 
Mecanismos c/ 
elementos 
MECÂNICOS 
Mecanismos c/ 
elementos 
HIDRAULICOS 
Mecanismos c/ 
elementos 
PNEUMÁTICOS 
Mecanismos c/ 
elementos 
ELÉTRICOS 
Mecanismos c/ 
elementos 
COMBINADOS 
 
Engrenagens 
 
Rodas de Fricção 
 
Mecanismos de Rosca 
Mecanismos de 
movimento 
UNIFORME 
Mecanismos de 
movimento 
PERIÓDICO 
Mecanismos de 
movimento 
COMPOSTOS 
Mecanismos 
de acoplamento flexível 
(correias, correntes, cabos de aço, etc.) 
Mecanismos de barras 
Mecanismos de came e seguidor 
Engrenagens não circulares 
Mecanismos intermitentes 
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2.2 – TIPOS DE MECANISMOS 
 
Dentre os mecanismos com elementos mecânicos destacam-se, segundo as 
peculiaridades de movimento transmitido, dois grupos distintos: 
 
2.2.1 - Mecanismos de movimento uniforme 
 
(engrenagens, rodas de fricção, mecanismo de rosca e os de acoplamento flexível). 
 
A grande gama de aplicações e as respectivas vantagens dos mecanismos de 
movimento uniforme, encontrados em inúmeras formas e variações, são bem 
conhecidas. Os mesmos estão comumente fornecidos como completas unidades de 
montagem, muitas vezes como “itens de prateleira”. Neste ramo, do ponto de vista 
cinemático, tinha sido alcançada uma certa conclusão e a atual pesquisa centraliza-se, 
principalmente, nos problemas de aperfeiçoamento do material e da manufatura, como 
também no desenvolvimento de um uniforme e completo cálculo fundamental, em que se 
tenta incorporar todos os disponíveis fatores de influência. 
 
2.2.2 - Mecanismo de movimento periódico 
 
(mecanismos de barras, cames, engrenagens não-circulares e mecanismos intermitentes). 
 
Os mecanismos de movimento periódico, são elementos de máquinas que não 
são fornecidos como unidades pré-fabricadas e devem ser, na maioria dos casos, 
projetados novamente, devido ao fato das exigências variarem consideravelmente de 
caso para caso. Em todas as máquinas que usam esses mecanismos periódicos, o 
desempenho global e a eficiência das mesmas dependem, em última análise, 
principalmente de inventividade e aprimoramento do projeto destes mecanismos. 
 
2.2.3 - Mecanismos planos e mecanismos tridimensionais. 
 
Uma outra classificação distingue, também, mecanismos planos, com os membros 
localizados nos planos paralelos, e mecanismos tridimensionais. Sendo que nos 
tridimensionais destacam-se os mecanismos esféricos, cujos eixos de rotação 
interceptam num ponto, e os espaciais com os eixos em posições arbitrárias 
 
As figuras abaixo mostram alguns exemplos de mecanismos de movimento 
periódico, classificados em mecanismos planos, esféricos e espaciais. 
 
 
 
 
Fig. 2.2 – Mecanismos de quatro barras: (a) plano , (b) esférico , (c) espacial 
 
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2.3 - QUADRILÁTERO ARTICULADO 
 
 O mecanismo de quatro barras, chamado também quadrilátero articulado, é o mais 
usado graças a sua extrema simplicidade e robustez. Porém, também, os mecanismos de 
mais barras têm sido extensamente utilizados, principalmente nos casos, onde as 
exigências são maiores e o de quatro barras não satisfaz os requisitos técnicos. 
 
Somente em casos muito esporádicos, todavia, o desejado movimento pode ser 
reproduzido de maneira teoricamente exata. Na maioria dos casos, uma reprodução 
aproximada há de satisfazes as condições predeterminadas. A reprodução será exata 
somente em um número limitado de pontos, chamados pontos de precisão, diferindo no 
espaçamento entre eles de uma grandeza, geralmente com efeito desprezível na prática. 
Embora, de um modo geral, sua configuração geométrica seja muito simples, o projeto de 
um mecanismo de barras pode apresentar sérios problemas e requer, muitas vezes, 
sofisticação matemática. 
 
 Manivela e balancim. Figura 2.3, onde os apoios 1 consistem numa carcaça ou 
base geralmente estacionária. O elemento 2 gira completamente ou apenas oscila, mas, 
em qualquer um dos casos, o elemento 4 oscilará. Em cada um desses casos 
respectivamente o mecanismo transforma rotação em oscilação ou simplesmente 
multiplica oscilações. Neste caso, quando o elemento 2 é o motor e apto à rotação 
completa, não há possibilidade de ponto morto. 
 
 
Fig.2.3 – Manivela e balancim sem ponto morto. Fig.2.4 – Duplo balancim com ponto morto. 
 
Duplo balancim. Figura. 2.4 onde o elemento 2 também oscila, deve-se evitar pontos 
mortos que podem paralisar o mecanismo. Estes pontos mortos ocorrerão quando a linha 
de ação da força motora coincidir com o eixo do elemento 4. 
 
O mesmo poderá ocorrer no caso em que, embora o elemento 2 possa girar 
completamente, e o elemento 4 seja o motor, neste caso o ponto morto é combatido com 
a utilização de um volante, figura 2.5. 
 
 
Fig. 2.5 – Manivela e balancim permite a 
transformação de movimento cc ⇔ ca, manivela 
AB=360º, balancim DC= α. Quando a entrada do 
movimento for no balancim teremos dois Pontos 
mortos em B1 e B2. 
 
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Dupla manivela com retorno rápido. 
 
 É uma inversão do mecanismo anterior onde a base 
passou de AD para AB . Se a manivela AD for a condu- 
tora com ωAD = constante, a manivela BC conduzida terá 
uma ωBC (MÉDIA) , que numa determinada parte do ciclo é 
menor do que ωAD (atraso) e em outra é maior (adianto) 
ou retorno rápido. Esta alteração ocorre sempre que a 
biela CD for paralela a base AB figura 2.6. 
Condições para evitar pontos mortos no mecanismo: 
1) AD > AB ; 2) BC > AB ; 3) CD < BC+ AD – AB 
4) CD > AB + BC - AD 
 
 Fig. 2.6 - Dupla manivela com retorno rápido. 
 
Paralelogramo articulado 
 
 Neste mecanismo o elemento AB é igual e 
paralelo ao elemento DC ( AB = // DC), e 
também AD = // BC. Assim a biela BC tem 
seu deslocamento sempre paralelo a base AD. 
Independente do elemento condutor, teremos 
dois pontos mortos, a figura mostra um deles 
no alinhamento das manivelas e biela pontos 
A, BM , D e CM, figura 2.7. 
 Aplicando-se a Eq. c1 temos ω4 = ω2 , pois 
AM = DN (ω4 . DN = ω2 . AM ). Fig. – 2.7 - Paralelogramo articulado. 
 
 
Uma aplicação: Rodas motrizes de 
locomotivas figura 2.8 sempre em pares, 
sendo estes defasados e em rodas opostas 
para vencer os pontos mortos. 
 
 
 
 
 Fig. 2.8 Rodas de locomotivas. 
 
Manivelas antirrotativas 
 
 Neste mecanismo temos AB = DC e 
AD = BC, mas não são paralelos como no 
exemplo anterior. Neste caso as manivelas 
giram em sentidos opostos e com isto temos: 
AM ≠ DN e ω4 ≠ ω2, figura 2.9. 
 Se a manivela AB é condutora (entrada), 
a manivela conduzida DC deve possuir um 
dispositivo para ultrapassar os pontos mortos, 
por exemplo volante de inércia acoplado ao 
eixo. 
 Fig. 2.9 - Manivelas antirrotativas. 
 
 
 
 
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2.4 - SISTEMA BIELA-MANIVELA. (Mecanismo com par deslizante) 
 
 Esse mecanismo é largamente usado e sua maior aplicação é em motores de 
combustão interna. A figura 2.10, mostra a base, a manivela, a biela e o pistão. No motor 
de combustão interna, os gases exercem sua pressão sobre o pistão, transmitida à 
manivela por intermédio da biela. 
 
 
 
Fig. 2.10 Sistema biela-manivela. Fig. 2.11 Pontos mortos no sistema biela-manivela. 
 
Os dois pontos mortos PMS e PMI ocorrem nas posições extremas do pistão 
(alinhamento da biela com a manivela)e são superados pela instalação de um volante no 
eixo da manivela figura 2.11. Esse mecanismo também é utilizado em compressores de 
ar, onde um motor elétrico movimenta a manivela e o pistão comprime o ar. Neste caso 
não ocorre ponto morto. 
 
2.5 - MECANISMO DE RETORNO RÁPIDO 
 
 Esses mecanismos são usados máquinas-ferramentas para dar-lhes um curso de 
corte lento e um retorno rápido com a utilização de uma manivela motora com velocidade 
angular constante. No projeto de um sistema de retorno rápido, é importante que a razão 
entre tempo de avanço e tempo de retorno que deverá ser maior que a unidade. 
Mecanismo de Plaina Limadora. É a variante da segunda inversão do mecanismo 
biela-manivela na qual fixamos a biela. Na figura 2.12 observamos a rotação completa da 
manivela B e a oscilação do balancim D comandado pelo par deslizante C que percorre 
um ângulo de retorno menor do que o ângulo de trabalho (corte). 
 
 Fig. 2.12 - Mecanismo da plaina limadora 
 
OBS: Existe um grande número de mecanismos articulados, que podem ser 
encontrados e estudados através das referências bibliográficas citadas. 
 
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2.6 – LEI DE GRASHOF 
 
Os mecanismos planos de quatro elementos, que possuem apenas pares 
rotativos, são divididos em duas classes. A classe 1 inclui todos os mecanismos em 
que um elemento, o de menor dimensão, poderá realizar uma rotação completa em 
relação aos três elementos. Quando nenhum elemento pode realizar uma rotação 
completa em relação aos outros três elementos é chamado de mecanismo de classe 2. 
A lei de Grashof é utilizada para verificar a classe destes tipos de 
mecanismos, esta lei diz que: a soma dos comprimentos do elemento menor e do 
elemento maior, devem ser menor ou igual a soma dos elementos restantes, para 
que um ou mais elementos consigam realizar uma rotação completa (360 graus ou 
movimento circular contínuo cc). 
 
s + l ≤ p + q onde: s = elemento menor, l = elemento maior, p, q = elementos restantes 
 
2.6.1 - Exemplo 
Classifique o mecanismo de figura 2.13, segundo a lei de Grashof (demonstre os 
cálculos). 
 
 
Fig. 2.13 – Dimensões dos elementos: Q2 Q4 = 400 mm; Q2 A = 120 mm; Q4 B = 340 mm; AB = 390 mm . 
 
2.6.2 - Exercícios de aula 
 
Classifique os mecanismos das figuras 2.14 e 2.15, segundo a lei de Grashof (demonstre 
os cálculos). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 s + l ≤ p + q 
 120 + 400 < 340 + 390 
 520 < 730 
 
Mecanismo classe 1 onde neste caso 
o elemento 2 (Q2 A) poderá realizar 
uma rotação completa. 
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2.6.3 - Exercício complementar 
 
1) Utilizando a lei de Grashof determine a classe do mecanismo da figura 2.16 e, se for o 
caso especifique o elemento que poderá realizar uma rotação completa em relação aos 
outros três. 
Dimensões dos elementos: Q2 Q4 = 144 mm; Q2 A = 48 mm; Q4 B = 87 mm; AB = 110 mm. 
 
OBS: ( Para validar o item apresentar o cálculo) 
 
 
 
Fig. 2.16 - Determinação da classe do mecanismo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.6.4 – Resposta do exercício complementar: 
 - Classe 1 e no mínimo o elemento 2 poderá realizar uma rotação completa em relação 
aos outros três.