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Elementos de Máquinas I Prof. Msc. Thiago E. Mendonça Silva Prof. MSc. Thiago Mendonça Contato • Graduação em Química – habilitação em Física • Mestrado em Química • eng.mec.4serie@gmail.com • meceng2017@gmail.com – thiago-silva@anhanguera.com – thiago-silva@aedu.com Prof. MSc. Thiago Mendonça Conteúdo Programático • Concepção e dimensionamento de elementos mecânicos. • A perspectiva de prevenção da falha: – Critério de falha – Principais modos de falha mecânica: • Falha superficial. • Falha por fadiga. • Falhas estáticas. • Concentração de tensões. • Fadiga e fluência Prof. MSc. Thiago Mendonça Conteúdo Programático • Transmissão de potência através de: – Eixos. • Equações de projeto. • Vibrações e velocidade crítica. • Orientações gerais para o projeto de eixos. • Cálculo de eixos. – Acoplamentos; chavetas e estrias • Acoplamentos rígidos • Acoplamentos elásticos • Ajustes cônicos de chavetas e estrias Prof. MSc. Thiago Mendonça Conteúdo Programático • União de elementos de máquinas e métodos de fixação: • Juntas roscadas. • Juntas soldadas. • Rebites. • Adesivos. • Mancais de rolamento. • Utilização e características • Tipos de mancais de rolamento. • Capacidade de carga. • Vida útil até à fadiga. • Seleção de mancais de rolamento. Prof. MSc. Thiago Mendonça Conteúdo Programático • Mancais de deslizamento e lubrificação. – Utilização e características. – Tipos e materiais de mancais de deslizamento. – Conceitos de lubrificação. – Mancais hidrodinâmicos. – Seleção de mancais de deslizamento Prof. MSc. Thiago Mendonça PEA – Plano de Ensino e Aprendizagem Prof. MSc. Thiago Mendonça PLT da Disciplina 296 Prof. MSc. Thiago Mendonça ATPS – Atividade Prática Supervisionada • Entrega deve ser feita IMPRETERIVELMENTE duas semanas antes do Exame Final. • Normas da ABNT • Grupo de até 6 pessoas • Dias de supervisão: a combinar com a sala Prof. MSc. Thiago Mendonça Cap. 1 - A Perspectiva de Prevenção da Falha • O que é Falha? – Qualquer modificação no tamanho, forma ou propriedades do material de uma máquina ou peça de máquina que a torne incapaz de realizar a função pretendida deve ser considerada como uma falha mecânica. – Conceito-chave: funcionamento inadequado. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Modos de Falhas Mecânicas: – Processos físicos que ocorrem ou que combinam seus efeitos para produzir falha. A Perspectiva de Prevenção da Falha Deformação elástica por temperatura Escoamento Indentação Ruptura dúctil Fratura frágil Fadiga Corrosão Desgaste Impacto Fretagem Fluência Relaxação térmica Ruptura por tensão Choque térmico Desagregação Desgaste por contato ou aderência Dano por Radiação Flambagem Prof. MSc. Thiago Mendonça Deformação Elástica, Escoamento e Ruptura Dúctil • É estabelecido experimentalmente que, se uma força externa axial direta F for aplicada a um elemento de máquina, são produzidas alterações no comprimento do elemento de máquina. • Onde k é denominado constante de mola ou razão de mola Prof. MSc. Thiago Mendonça • Se, em um elemento de máquina, excede a deformação elástica axial permitida em projeto, a falha irá ocorrer. Conforme dito, a ração de mola, kax, para a barra uniforme é: Prof. MSc. Thiago Mendonça Com inclinação igual ao módulo de elasticidade de Young, E. Para a barra uniforme mostrada na figura ao lado a tensão de engenharia, σ, é: Onde A0 é a área inicial da seção transversal da barra Prof. MSc. Thiago Mendonça • Outras equações relacionadas: Falha de FIPTOI Prof. MSc. Thiago Mendonça • Dados importantes: • Su = Limite de resistência do material • Syp = Limite de escoamento do material Prof. MSc. Thiago Mendonça Exemplo 2.1 – pg. 26 (PLT) • Uma barra reta de seção transversal retangular sob carregamento axial falhará em desempenhar sua função de projeto se o seu comprimento aumentar em 0,0060 polegadas ou mais. Deseja-se que o nível de tensões de operação na barra seja inferior à metade do valor do limite de escoamento, Syp. A barra é fabricada em aço 1040 HR (Syp = 42000 psi) com comprimento de 12 polegadas. Dado: E = 30.106 psi • A) Qual o modo de falha dominante mais provável? • B) É previsto ocorrer falha? Prof. MSc. Thiago Mendonça Exemplo 2.3 – pg 28 (PLT) • Uma barra reta de seção circular, axialmente carregada, falhará em sua função de projeto se as cargas axiais aplicadas produzirem alterações permanentes em seu comprimento após sua remoção. A barra tem 0,5oo polegadas de diâmetro, comprimento de 7,00 polegadas e é fabricada em aço 1020 HR (Su = 55000 psi; Syp = 30000 psi). Carga aplicada de 5800 lbf. • É previsto ocorrer falha? Qual o tipo de falha dominante? Prof. MSc. Thiago Mendonça Exemplo 2.4 – pg. 29 (PLT) • A barra cilíndrica carregada axialmente do Exemplo anterior, deve ser usada em uma aplicação diferente, para a qual deformações permanentes são aceitáveis, mas a separação da barra em duas partes destruiria a habilidade do dispositivo de desempenhar a sua função. A carga axial requerida para esta aplicação é de 11000 lbf. • É previsto ocorrer falha? Qual o tipo de falha dominante? Prof. MSc. Thiago Mendonça Resistência à fadiga • Normalmente, o projeto de peças ou estruturas sujeitas à solicitação em fadiga, é realizado com base em ensaios de fadiga realizados em laboratório. Dados básicos de fadiga na região devida de alto-ciclo são normalmente apresentados na forma de gráficos tensão cíclica versus número de ciclos. Estes gráficos são denominados curvas S-N, constituem uma informação importante para o projeto. Prof. MSc. Thiago Mendonça Resistência à fadiga Prof. MSc. Thiago Mendonça Exemplo 2.7 – pg 49 (PLT) • Uma barra cilíndrica retilínea carregada axialmente de diâmetro d = 0,500 polegadas é feita de alumínio 2024- T4 com limite de resistência Su = 68000 psi, limite de escoamento Syp = 48000 psi e propriedades de fadiga mostradas na Figura 2.19 (slide anterior). A barra será submetida a uma força completamente alternada de 6000 lbf e deve durar no mínimo 107 ciclos. • Qual o modo de falha dominante? • É previsto ocorrer falha? Prof. MSc. Thiago Mendonça Exemplo 2.8 – pg. 50 • Uma barra cilíndrica retilínea carregada axialmente é feita de aço 1020, com propriedades de fadiga mostradas na figura 2.19 (slide 21). A barra será submetida a uma força completamente alternada máxima de 7000 lbf. A fadiga é o modo de falha predominante. Se a vida infinita é desejada para esta peça, qual é o diâmetro mínimo que a barra deveria ter? Prof. MSc. Thiago Mendonça Flambagem • Flambagem • Para casos de peças curtas, robustas, prevê-se que a falha ocorrerá quando a tensão de compressão σc exceder o limite de resistência à compressão. Contudo, peças longas, finas, mesmo quando os níveis de tensão compressiva gerados pelas forças de compressão aplicadas permanecem dentro dos níveis de resistência aceitáveis, as grandes deflexões, δ, que ocorrem subitamente, podem destruir o equilíbrio da estrutura e produzir uma configuração instável que leve ao colapso. Prof. MSc. Thiago Mendonça Flambagem • Esta expressão para o menor valor da carga crítica que produz a flambagem em uma coluna, é chamada de Equação de Euler para a flambagem, e Pcr é chamada Carga Crítica de Euler para uma coluna Onde: E = módulo de elasticidade do material (Young) I = momento de inércia da seção transversal L = Comprimento efetivo Prof. MSc. Thiago Mendonça • Equação do módulo tangente ou Equação de Euler-Engesser Onde: Et = Módulo tangente Ou Prof. MSc. Thiago MendonçaTabela Comprimentos Efetivos para Diversos Tipos de colunas e Restrições nas Extremidades Restrições nas Extremidades Comprimento Efetivo Le para o comprimento real da coluna L Ambas as extremidades articuladas Uma extremidade articulada Uma extremidade engastada, outra livre Ambas as extremidades engastadas Le = L Le = 0,7L Le = 2L Le = 0,5L Prof. MSc. Thiago Mendonça Exemplo 2.17 – pg 77 • A curva de tensão-deformação à compressão para a liga de alumínio 7075-T7351 é apresentada abaixo. Uma barra cilíndrica vazada deste material tem diâmetro externo de 4 pol, com uma espessura de parede de 1/8 pol. Se for construída uma coluna com 9 pés de comprimento, fixa em uma extremidade e livre da outra, calcule a carga crítica de flambagem de acordo com: Dados: 1 pé = 12 pol – A equação de Euler Desgaste • Desgaste – O desgaste pode ser definido como a mudança cumulativa indesejável nas dimensões, promovida pela remoção gradual de partículas discretas de superfícies em movimento, devido predominantemente à ação mecânica. A corrosão frequentemente interage com o processo de desgaste, mudando as características das superfícies das partículas do desgaste por meio da reação com o ambiente Prof. MSc. Thiago Mendonça Desgaste • O processo de desgaste pode ser bem mais entendido reconhecendo-se que muitas variáveis estão envolvidas, incluindo dureza, tenacidade, ductilidade, módulo de elasticidade, limite de escoamento, propriedades de fadiga e estrutura e composição das superfícies em contato, assim como a geometria, pressão de contato, temperatura, estado de tensão, distribuição das tenções.. Entre outras. Prof. MSc. Thiago Mendonça Desgaste • Desgaste adesivo é frequentemente caracterizado como a subcategoria mais básica ou fundamental do desgaste, uma vez que ocorre em algum grau sempre que duas superfícies sólidas estiverem em contato com fricção, e permanece ativo mesmo quando todos os outros modos de desgastes forem eliminados Prof. MSc. Thiago Mendonça Desgaste Adesivo • Desgaste adesivo • Uma estimativa do desgaste adesivo pode ser feita da seguinte forma: Ou Prof. MSc. Thiago Mendonça Desgaste Adesivo • Onde: –dade – profundidade de desgaste médio –Aa – área de contato aparente –Ls – distância total de deslizamento –W – força normal que pressiona as superfícies –pm = W/Aa – Pressão nominal média –kade = k/9Syp – coeficiente de desgaste Prof. MSc. Thiago Mendonça Constante de Desgaste adesivo para vários materiais Par de materiais Constante de Desgaste k Zinco sobre zinco Aço de baixo carbono sobre aço de baixo carbono Cobre sobre cobre Aço inox sobre aço inox Cobre sobre aço de baixo carbono Aço de baixo carbono sobre cobre Baquelite sobre baquelite 160x10-3 45x10-3 32x10-3 21x10-3 1,5x10-3 0,5x10-3 0,02x10-3 Prof. MSc. Thiago Mendonça Desgaste abrasivo • Desgaste Abrasivo • A mesma condição é estimada para o desgaste abrasivo Ou Prof. MSc. Thiago Mendonça Desgaste Abrasivo • Ensaios empíricos de fabricantes de rolamentos mostram que a vida N em ciclos pode ser aproximada por • Onde P é a carga do rolamento e C é uma constante para um determinado rolamento Prof. MSc. Thiago Mendonça Exemplo 2.22 – pg. 95 • Um experimento foi desenvolvido utilizando uma peça corrediça cilíndrica de aço 1045 tratada termicamente para uma dureza Syp = 128000 psi, pressionada longitudinalmente contra um disco de aço 52100 sem lubrificação. Descobriu-se que para uma velocidade de deslizamento relativa de 0,67 pé/s, a peça corrediça de 0,031 pol de diâmetro, submetida a uma força axial de 40 lbf, produz um volume de desgaste da peça de 5,8x10-8 pol3 durante um teste com duração de 40 min. • Se a mesma combinação de materiais vai ser utilizada em uma aplicação envolvendo um mancal com uma peça corrediça com uma velocidade de deslizamento de 3,0 pé/s, submetida a uma carga de P = 100 lbf, e se a peça tem uma seção quadrada, qual é a dimensão do lado, s, que ela deve ter para assegurar uma vida de 1000 horas, considerando que a profundidade máxima de desgaste deve ser inferior a 0,05 pol? Corrosão • Corrosão pode ser definida como a deterioração indesejável do material por uma interação química ou eletroquímica com o ambiente, ou a destruição de materiais por outros meios que não a ação puramente mecânica. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Falha por corrosão ocorre quando a ação corrosiva torna o dispositivo corroído incapaz de desenvolver a sua função de projeto. A corrosão frequentemente interage de forma sinergética com outro modo de falha, como desgaste ou fadiga, para produzir modos de falha mais graves como corrosão-desgaste ou corrosão-fadiga. É importante que o Engenheiro Mecânico de projeto conheça os vários tipos de corrosão, de modo que as falhas relacionadas à corrosão possam ser evitadas. Prof. MSc. Thiago Mendonça Processos de corrosão • Ataque químico direto • Corrosão galvânica • Corrosão por fenda • Corrosão por pites • Lixiviação seletiva • Corrosão por erosão • Corrosão por cavitação • Dano por hidrogênio • Corrosão biológica • Trincamento por corrosão por tensão Prof. MSc. Thiago Mendonça • Ataque químico direto – com certeza o tipo mais comum de corrosão, a superfície de um componente mecânico exposto ao meio corrosivo é atacada praticamente de forma uniforme ao longo da superfície • Corrosão Galvânica – Corrosão eletroquímica acelerada que ocorre quando dois materiais diferentes em contato elétrico passam a fazer parte de um circuito. A diferença de potencial entre eles produz um fluxo de corrente que leva à corrosão Prof. MSc. Thiago Mendonça • Corrosão por fenda – processo de corrosão acelerada altamente localizada em fendas, trincas e outras regiões de volume pequeno • Corrosão por pites – ataque localizado que leva ao desenvolvimento de um conjunto de buracos ou pites que penetram o metal • Trincamento por corrosão sob tensão – resulta de um campo de trincas produzido em uma liga metálica sob a influencia combinada de tensão e de um ambiente corrosivo Prof. MSc. Thiago Mendonça Cap. 2 - Eixos • Elementos de máquinas utilizados para suportar componentes rotativos e/ou transmitir potência ou movimento rotativo ou axial. Os eixos trabalham em condições extremamente variáveis de carregamento Prof. MSc. Thiago Mendonça • Apresentam normalmente forma cilíndrica (existem exceções). Podendo apresentar perfis lisos e compostos, bem como se consequentemente podendo ser utilizados em diversos campos de aplicação na engenharia. apresentarem com seções cheias ou vazadas, com grande variedade de tamanhos, normalmente são construídos em materiais metálicos, porém em função de novos materiais ou aplicações específicas, materiais alternativos passaram a ser utilizados. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Eixos de transmissão ou simplesmente eixos, são utilizados em praticamente todas as partes de máquinas que possuem algum movimento rotativo para transmitir o movimento de rotação e torque de um ponto ao outro. Prof. MSc. Thiago Mendonça • O projetista de máquinas está freqüentemente envolvido com a tarefa de projetar um eixo (tipo de material, comprimento e principalmente o diâmetro) que atenda de forma segura todos os requisitos solicitados. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Tipos de eixos: – Eixos propriamente ditos: Sua característica principal é que nesta situação, este elemento trabalha fixo. Ex.: eixos não tracionados de veículo ou equipamento (eixo que sustenta a roda de um carrinho de mão). Prof.MSc. Thiago Mendonça • Eixos-árvore: Nesta situação, o elemento está em movimento. Ex.: Eixos que compõem a caixa de transmissão de um veículo, ou um eixo de uma serra circular. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Um eixo tipicamente transmite diretamente torque de um dispositivo de comando (motor elétrico ou de combustão interna) através da máquina. • Outras vezes, aos eixos, encontramos engrenagens, polias, correntes que transmitem o movimento rotativo para outra unidade. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • O eixo pode ser parte integral do acionador, tal como um eixo de motor (elétrico ou a combustão), ou pode ser livre conectado a seu vizinho por algum tipo de acoplamento. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Máquinas de produção automatizada frequentemente possuem eixos em linha que se estendem pelo comprimento da máquina e levam potência para todas as estações de trabalho. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Os eixos são montados sobre apoios (mancais), em duas configurações possíveis: uma configuração biapoiada (montagem em sela) ou em balanço (montagem saliente), dependendo da configuração da máquina. Cada tipo de montagem apresenta seus prós e seus contras. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Normalmente se utiliza materiais metálicos resistentes na produção de eixos tais como: – Aço de baixo ou médio carbono laminados a frio ou a quente: são os mais usuais, devido ao falo de apresentar elevado módulo de elasticidade. Quando utilizados com mancais de deslizamento, devem ser endurecidos superficialmente (total ou parcial); – Ferro fundido nodular: empregado principalmente quando há engrenagens ou junções integralmente fundidas ao eixo; – Bronze e aço inoxidável: utilizados em ambientes corrosivos ou marítimos Prof. MSc. Thiago Mendonça • Aço ABNT- 1020; 1025; 1045; • Aço ABNT- 2340 (Cromo Níquel); • Aço ABNT- 4143; 4140 (Cromo Molibdênio); • Aço ABNT- 6115; 6120; 6140 (Cromo Vanádio); • Aço ABNT- 8640; 8660 (Cromo Níquel Molibdênio); • Aço ABNT- 51210; 51410 (Aço Inoxidável). Prof. MSc. Thiago Mendonça • Construção de Eixos – Torneamento a partir de barras – Trefiladas: até 60 mm – Laminadas: de 60 mm a 150 mm – Forjadas: acima de 150 mm – Fundição – Extrusão Prof. MSc. Thiago Mendonça • A carga em eixos de transmissão de rotação é predominantemente uma de dois tipos: – Torção devido ao torque transmitido – Flexão devido às cargas transversais em engrenagens, polias e catracas. • Calculando-se a carga resultante. – Essas cargas normalmente ocorrem em combinação, porque, o torque transmitido pode estar associado com forças nos dentes das engrenagens ou de catracas fixadas aos eixos. O caráter de ambas as cargas pode ser fixo (constante) ou variar no tempo. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Torque no Eixo • T = Torque (N.m) x 1000 = N.mm • P = Potência (W) • ω = Velocidade Angular (rad/s) • n = Rotações (RPM) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento com engrenagens – Esforços na transmissão: Carga Tangencial – Ft = Carga tangencial (N) – Dp = Diâmetro Primitivo da Engrenagem (mm) – Vp = Velocidade Periférica (m/s) – P = Potência (W) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Esforços na transmissão – Carga Radial • Fr = Carga Radial (N) • Ft = Carga Tangencial (N) • α = Ângulo de pressão (graus) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Esforços na Transmissão - Carga Resultante (Fn) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 2.1 – Determinar Fn para a seguinte situação: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento com polias – Para calculo da força resultante em polias, existe a necessidade de se realizar a soma vetorial de duas forças (F1-motora e F2-resistiva). Esta soma é igual a Ft. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Esforços na Transmissão – Força Tangencial (Ft) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Esforços na Transmissão – Força Resultante (Fn) – Polia – Sabemos que: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Esforços na Transmissão – Força Resultante (Fn) – Polia – Desta forma calculamos Fn: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 2.2 – Determinar Fn para a seguinte situação: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Determinação do momentos fletores nos pontos de apoio. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Condição bi apoiada. Para calcular de maneira rápida o momento fletor máximo, deve-se identificar a maior carga concentrada aplicada (P) no eixo e algumas distâncias • Onde: – a=Distância da carga P e o ponto a – b=Distância da carga P e o ponto b – L=comprimento do eixo ou viga Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 2.3 – Calcule o momento fletor máximo encontrado no diagrama: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Momento Ideal – Para calcular o momento ideal: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Coeficiente de Bach: – Para calcular o Coeficiente de Bach – Onde: • Tensões admissíveis (Normalmente fornecidas)- N/mm², N/m² (Pa) Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Fator de forma (b) – Para calcular o fator de forma (b): Prof. MSc. Thiago Mendonça • Para calcular o diâmetro do eixo: • Existem diversas outras formas citadas em bibliografia de se calcular o diâmetro. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Por exemplo: • Soderberg – Conservadora – fs=Fator de segurança, adimensional ex.:1,2-2,5 – fs leve, fs moderado e fs pesado. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 2.4 – Calcule o diâmetro do eixo (Utilizar as informações já calculadas). – Material: ABNT 1035 – σ=50N/mm² – τ=40N/mm² Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 2.5 • Calcule o diâmetro mínimo do eixo (maciço) a ser projetado. Material: ABNT 1025 – σ=40N/mm² – τ=30N/mm² – fs=2,8 Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 2.6 • Calcule o diâmetro mínimo para o eixo (maciço) a ser projetado, o material é o mesmo do exemplo anterior Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 2.7 • Calcule o diâmetro do eixo maciço, a ser projetado, o material é o mesmo dos exemplos anteriores Prof. MSc. Thiago Mendonça • Outra forma de calcular o diâmetro de eixos é referente à equação • Onde: • Nf – Coeficiente de segurança • Ma – Momento alternado • Tm – Torque Médio • Kf e Kfsm – Fatores de concentração de tensão de flexão • d – Diametro local do eixo na seção de interesse Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 2.8 – Projete um eixo para suportar os complementos mostrados na figura abaixo com um coeficiente de segurança mínimo de 2,5. Pontos de Maior Fragilidade B, C e D. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Cap. 3 - Acoplamentos - Conceito – Acoplamento é um conjunto mecânico, constituído de elementos de máquina, empregado na transmissão de movimento de rotação entre duas árvores ou eixos-árvores. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Classificação – Os acoplamentos podem ser fixos, elásticos e móveis. • Acoplamentos fixos – Os acoplamentos fixos servem para unir árvores de tal maneira que funcionem como se fossem uma única peça, alinhando as árvores de forma precisa. Por motivo de segurança, os acoplamentos devem ser construídos de modo que não apresentem nenhuma saliência. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento rígido com flanges parafusadas – Esse tipo de acoplamento é utilizado quando se pretende conectar árvores, e é próprio para a transmissão de grande potência em baixa velocidade. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento com luva de compressão ou de aperto – Esse tipo de luvafacilita a manutenção de máquinas e equipamentos, com a vantagem de não interferir no posicionamento das árvores, podendo ser montado e removido sem problemas de alinhamento. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento de discos ou pratos – Empregado na transmissão de grandes potências em casos especiais, como, por exemplo, nas árvores de turbinas. As superfícies de contato nesse tipo de acoplamento podem ser lisas ou dentadas. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamentos elásticos – Esses elementos tornam mais suave a transmissão do movimento em árvores que tenham movimentos bruscos, e permitem o funcionamento do conjunto com desalinhamento paralelo, angular e axial entre as árvores. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Os acoplamentos elásticos são construídos em forma articulada, elástica ou articulada e elástica. Permitem a compensação de até 6 graus de ângulo de torção e deslocamento angular axial. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento elástico de pinos – Os elementos transmissores são pinos de aço com mangas de borracha. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento perflex – Os discos de acoplamento são unidos perifericamente por uma ligação de borracha apertada por anéis de pressão. Esse acoplamento permite o jogo longitudinal de eixos. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento elástico de garras – As garras, constituídas por tocos de borracha, encaixam-se nas aberturas do contra disco e transmitem o movimento de rotação. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento elástico de fita de aço – Consiste de dois cubos providos de flanges ranhuradas, nos quais está montada uma grade elástica que liga os cubos. O conjunto está alojado em duas tampas providas de junta de encosto e de retentor elástico junto ao cubo. Todo o espaço entre os cabos e as tampas é preenchido com graxa. Apesar de esse acoplamento ser flexível, as árvores devem estar bem alinhadas no ato de sua instalação para que não provoquem vibrações excessivas em serviço. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamento de dentes arqueados – Os dentes possuem a forma ligeiramente curvada no sentido axial, o que permite até 3 graus de desalinhamento angular. O anel dentado (peça transmissora do movimento) possui duas carreiras de dentes que são separadas por uma saliência central. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Junta universal homocinética – Esse tipo de junta é usado para transmitir movimento entre árvores que precisam sofrer variação angular, durante sua atividade. Essa junta é constituída de esferas de aço que se alojam em calhas. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • A ilustração anterior é a de junta homocinética usada em veículos. A maioria dos automóveis é equipada com esse tipo de junta. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Acoplamentos móveis – São empregados para permitir o jogo longitudinal das árvores. Esses acoplamentos transmitem força e movimento somente quando acionados, isto é, obedecem a um comando. – Os acoplamentos móveis podem ser: de garras ou dentes, e a rotação é transmitida por meio do encaixe das garras ou de dentes. – Geralmente, esses acoplamentos são usados em aventais e caixas de engrenagens de máquinas- ferramenta convencionais. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Cap 5 - Parafusos – Roscas • Rosca é um conjunto de filetes em torno de uma superfície cilíndrica. • As roscas podem ser internas ou externas. As roscas internas encontram-se no interior das porcas. As roscas externas se localizam no corpo dos parafusos. Prof. MSc. Thiago Mendonça • As roscas permitem a união e desmontagem de peças. – Permitem, também, movimento de peças. O parafuso que movimenta a mandíbula móvel da morsa é um exemplo de movimento de peças. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Os filetes das roscas apresentam vários perfis. Esses perfis, sempre uniformes, dão nome às roscas e condicionam sua aplicação. Prof. MSc. Thiago Mendonça – Dependendo da inclinação dos filetes em relação ao eixo do parafuso, as roscas ainda podem ser direita e esquerda. Portanto, as roscas podem ter dois sentidos: à direita ou à esquerda. – Na rosca direita, o filete sobe da direita para a esquerda, conforme a figura. – Na rosca esquerda, o filete sobe da esquerda para a direita, conforme a figura. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Nomenclatura da rosca – Independentemente da sua aplicação, as roscas têm os mesmos elementos, variando apenas os formatos e dimensões. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Roscas triangulares –As roscas triangulares classificam-se, segundo o seu perfil, em três tipos: • rosca métrica • rosca whitworth • rosca americana –Para nosso estudo, vamos detalhar apenas dois tipos: a métrica e a whitworth. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • A rosca métrica fina, num determinado comprimento, possui maior número de filetes do que a rosca normal. Permite melhor fixação da rosca, evitando afrouxamento do parafuso, em caso de vibração de máquinas. Exemplo: em veículos. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça – A fórmula para confecção das roscas Whitworth normal e fina é a mesma. – Apenas variam os números de filetes por polegada. – Utilizando as fórmulas anteriores, você obterá os valores para cada elemento da rosca. – Para facilitar a obtenção desses valores, existem tabelas das roscas métricas de perfil triangular nomal e fina e Whitworth normal - BSW e Whitworth fina - BSF. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Cálculo de dimensões de rosca – Rosca métrica normal • Exemplo - Calcular o diâmetro menor de um parafuso (d1) para uma rosca de diâmetro externo (d) de 10 mm e passo (p) de 1,5 mm. – Cálculo: d1 = d - 1,2268 · P – Substituindo os valores dessa fórmula: – d1 = 10 - 1,2268 · 1,5 – d1 = 10 - 1,840 – d1 = 8,16 mm – Portanto, o diâmetro menor da rosca é de 8,16 mm. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplos – 5.1 - Calcular o diâmetro efetivo de um parafuso (Ø médio) com rosca métrica normal, cujo diâmetro externo é de 12 mm e o passo é de 1,75 mm. – 5.2 - Calcular a folga (f) de uma rosca métrica normal de um parafuso cujo diâmetro maior (d) é de 14 mm e o passo (p) é de 2 mm. Prof. MSc. Thiago Mendonça – 5.3 - Calcular o diâmetro maior de uma porca com rosca métrica normal, cujo diâmetro maior do parafuso é de 8 mm e o passo é de 1,25 mm. – 5.4 - Calcular o diâmetro menor de uma porca com rosca métrica normal cujo diâmetro maior do parafuso é de 6mm e o passo é de 1 mm. – 5.5 - Calcular a altura do filete de um parafuso com rosca métrica normal com diâmetro maior de 4 mm e o passo de 0,7 mm. Prof. MSc. Thiago Mendonça – 5.6 - Calcular o diâmetro menor de um parafuso (d1), sabendo que o diâmetro maior é de 10 mm e o passo é de 0,75 mm. – 5.7 - Calcular a altura do filete de um parafuso (he) com rosca métrica triangular fina com diâmetro maior de 8 mm e passo de 1 mm. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Tensão nos parafusos • É possível calcular a tensão recebida no parafuso e a partir dela podemos seguir os cálculos para o diâmetro mínimo para o elemento de união a ser dimensionado. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Tensão de cisalhamento – A tensão de cisalhamento é definida como a componente da tensão que age no plano da área secionada Prof. MSc. Thiago Mendonça – Nessa expressão,• τméd = tensão de cisalhamento média na seção, que consideramos ser a mesma em cada ponto localizado na seção • V = força de cisalhamento interna resultante na seção determinada pelas equações de equilíbrio • A = área na seção Prof. MSc. Thiago Mendonça • Tensão de cisalhamento simples • As juntas de aço e madeira mostradas na figuras, respectivamente, são exemplos de acoplamentos de cisalhamento simples normalmente denominados juntas sobrepostas. Nesse caso, consideraremos que os elementos são finos e que a porca na figura não esta muito apertada, o que nos permite desprezar o atrito entre os elementos. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Cisalhamento duplo. • Quando a junta é construída como mostra a figura a seguir, duas superfícies de cisalhamento devem ser consideradas. Esses tipos de acoplamentos são normalmente denominados juntas de dupla superposição. Se fizermos um corte entre cada um dos elementos, os diagramas de corpo livre do elemento central serão como os mostrados Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Temos aqui uma condição de cisalhamento duplo. Por consequência, V = F/2 age sobre cada área secionada, e esse cisalhamento deve ser considerado quando aplicarmos τméd = V/A. Prof. MSc. Thiago Mendonça • 5.8 - Uma placa é fixada a uma base de madeira por meio de três parafusos. Se tensão admissível do parafuso é τ = 105,2 Mpa, calcule o diâmetro mínimo dos parafusos para uma carga P=120 kN, conforme mostra a figura abaixo. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 5.9 - O arganéu da âncora suporta uma força de cabo de 3 kN. Se o pino tiver diâmetro de 6 mm, determine a tensão média de cisalhamento no pino. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 5.10 - A junta esta presa por dois parafusos. Determine o diâmetro exigido para os parafusos se a tensão de ruptura por cisalhamento para os parafusos for 350 MPa. Use um fator de segurança pra cisalhamento FS = 2,5 Prof. MSc. Thiago Mendonça • 5.11 – Calcule o diâmetro mínimo para o parafuso de aço A325 (τ = 1500kgf/cm2) submetido a uma força de 18000kgf Prof. MSc. Thiago Mendonça • Cap. 6 - Rolamentos – Rolamentos são normalmente elementos metálicos que apresentam forma cilíndrica compostos por vários sub- elementos. São vazados em sua parte central visando o acoplamento em um eixo. Possuem principalmente a função de sustentar (apoio) um sistema de transmissão de torque suportando muitas vezes esforços simples ou combinados. Prof. MSc. Thiago Mendonça Funcionamento esquemático de um rolamento Prof. MSc. Thiago Mendonça • Este elemento apresenta uma grande variedade de tamanhos, consequentemente pode ser utilizados em diversos campos de aplicação na área industrial. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Composição • Os rolamentos também denominados mancais de rolamento são em geral, constituídos por alguns sub-elementos: – Anéis, • Interno, • Externo. – Corpos rolantes, – Gaiola ou separador. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Os elementos girantes possuem as formas: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Estes elementos são classificados principalmente segundo a direção de carga a ser suportada: – Radial – Axial – Combinada Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Carga Radial • Carga Axial Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça Rolamentos abertos, selados e blindados Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos de carreira simples composto por elementos girantes esféricos. Exemplos de aplicações: Motores elétricos, alternadores, ventilação industrial, compressores, bombas de aquecimento, secadoras, instalações frigoríficas, foto-copiadoras, carregadores de acumuladores, máquinas têxteis, compressores de esteiras mecânicas, motores elétricos e aparelhos eletrodomésticos. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos composto por elementos girantes cônicos. Útil para aplicações em cargas combinadas. Exemplos de aplicações: Eixos de redutores, mudança de transmissão com pinhão cônico, bombas, compressores, indústrias papeleiras. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos com carreira dupla e elementos girantes do tipo esférico. Tipo contato radial e de contato angular. Substituem rolamentos com carreira simples visando suportar maiores cargas radiais e cargas axiais nos dois sentidos. Exemplos de aplicações: Motores elétricos, aparelhos eletrodomésticos, hastes de máquinas para madeira, redutores, material agrícola. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos de esferas com contato angular (oblíquo). As pistas dos anéis internos e externos dos rolamentos com uma carreira de esferas de contato radial são desnivelados um em relação ao outro. Adaptado para aplicações onde se combinam cargas radiais e axiais. Exemplos de aplicações: Caixa de redutores, hastes de máquinas-ferramenta Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos axiais composto por elementos girantes esféricos, cônicos ou cilíndricos. Suportam cargas axiais muito elevadas e são pouco sensíveis aos choques. As cargas radiais devem por sua vez ser moderadas. Exemplos de aplicações: Eixos verticais pesados, turbo alternadores, pivôs de gruas, parafusos de injeção de plástico, contra-pontas, bombas de platô. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos composto por elementos girantes cilíndricos. Aplicado onde as cargas radiais são elevadas e as velocidades de rotação altas. As cargas axiais aplicadas a estes rolamentos devem permanecer pequenas. Exemplos de aplicações: Motores elétricos pesados, caixas de eixos de vagões, vagonetas de pressão, cilindros de laminadores. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos autocompensadores composto por elementos girantes cilíndricos. Suportam cargas radiais muito grandes, cargas axiais moderadas. Exemplos de aplicações: Peneiras, trituradores, moedores, gaiola de laminador, pesados redutores, pesados ventiladores industriais, cilindros de máquinas impressoras, máquinas de pedreiras. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos autocompensadores composto por elementos girantes cônicos. Suportam cargas radiais e axiais muito grandes. Exemplos de aplicações: equipamentos pesados Prof. MSc. Thiago Mendonça • Identificação • Para a substituição do elemento, deve-se atentar para as seguintes características: – Fabricante, – Tipo de Rolamento, – Diâmetro do Furo, – Diâmetro Externo, – Largura. – RPM Prof. MSc. Thiago Mendonça • Dimensionamento – Tanto para o dimensionamento quanto para a seleção de um rolamento, é importante definir inicialmente o tipo de solicitação ao qual este estará submetido, podemos verificar duas situações distintas: carga estática ou dinâmica. – Na carga estática, o rolamento encontra-se parada ou oscila lentamente (N<10 RPM). Na carga dinâmica, o rolamento se movimenta com N≥10 RPM. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Capacidade de Carga Estática (Co). – É a carga atuante nos elementos rolantes e na pista. – Onde: • Co=Capacidade de carga estática (kN) • fs=Fator de esforços estáticos (Adimensional) • Po=Carga estática equivalente (kN) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Carga Estática Equivalente (Po). – É uma suposta carga resultante, determinada em função das cargas axial e radial, que atuam simultaneamente no rolamento. – Quando o rolamento for solicitado por uma carga radial ou axial isoladamente, esta será a carga equivalente. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Carga Estática Equivalente(Po). – Na atuação da simultânea das cargas axial e radial, a carga equivalente é determinada da seguinte forma: – Onde: • Po=Carga estática equivalente (kN) • Xo=Fator radial (Adimensional) • Yo=Fator axial (Adimensional) • Fr=Carga radial (kN) • Fa=Carga axial (kN) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Fator de Esforço Estático (fs). – É um coeficiente de segurança que preserva a ocorrência de deformações plásticas excessivas nos pontos de contato, entre os corpos rolantes e a pista. – Utiliza-se os seguintes valores: • 1,5 ≤ fs ≤ 2,5 para exigências elevadas, • 1,0 ≤ fs ≤ 1,5 para exigências normais, • 0,7 ≤ fs ≤ 1,0 para exigências reduzidas. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Capacidade de Carga Dinâmica (C). – Podemos calcular a capacidade de carga dinâmica utilizando a seguinte relação: – Onde: • C=Capacidade dinâmica equivalente (kN) • fe=Fator de esforços dinâmicos (Adimensional) • fn=Fator de rotação (Adimensional) • P=Carga dinâmica equivalente (kN) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Fator de esforços dinâmicos (fe) – Este fator está associado a aplicação do equipamento e as condições usuais de carga. A literatura relata diversos valores, estes já tabelados. – Exemplos: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Fator de rotação (fn) – Este fator está associado a velocidade com o qual o rolamento gira, outra questão é quanto o tipo de elemento. – Exemplos: • A capacidade de carga dinâmica dos diversos tipos de rolamento é encontrada nas tabelas que compõem os catálogos. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Carga Dinâmica Equivalente (P). – Esta carga constitui-se de uma suposta carga resultante, sendo definida por meio de: – Onde: • P=Carga dinâmica equivalente (kN) • Fr=Carga radial (kN) • Fa=Carga axial (kN) • x=Fator radial (Adimensional) • y=Fator axial (Adimensional) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Rolamentos expostos a altas temperaturas. – Nestas situações, torna-se necessário considerar um fator de temperatura (ft). Para se calcular a capacidade de carga dinâmica, utiliza-se: – Onde: • C=Capacidade dinâmica equivalente (KN) • fe=Fator de esforços dinâmicos (Adimensional) • fn=Fator de rotação (Adimensional) • ft=Fator de temperatura (Adimensional) • P=Carga dinâmica equivalente (KN) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Fator de Temperatura (ft). • Para rolamentos com cargas axiais e radiais, utiliza-se a relação: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Vida Útil do Rolamento. – A vida útil do rolamento compreende o período no qual ele desempenha corretamente a sua função. A vida útil termina quando ocorre o desgaste causado pela fadiga do material. – Temos que – Onde: • Lna=Duração até a fadiga (h) • a1=Fator de probabilidade (Adimensional) • a2=Fator de matéria prima (Adimensional) • a3=Fator das condições de serviço (Adimensional) • Lh=Vida nominal do rolamento (h) – Entre 10000 a 100000 horas : Prof. MSc. Thiago Mendonça – a1=Fator de probabilidade • Este fator prevê a probabilidade de falhas no material devida à fadiga. Este é regido por leis estatísticas, sendo obtido na seguinte tabela – a2=Fator de matéria prima • Este fator considera as características da matéria prima e o respectivo tratamento térmico. • Para aços de qualidade: a2=1 • O fator se altera para materiais tratados termicamente: a2=1,2 Prof. MSc. Thiago Mendonça – a3=Fator das condições de serviço • As condições de serviço influenciam diretamente na vida útil do rolamento. A duração é prolongada quando o ambiente de trabalho é limpo, a lubrificação é adequada e a carga atuante não é excessiva. O término da vida útil do rolamento ocorre quando há formação de “pittings” (erosão por cavitação), originada na superfície das pistas. • Condições ideais – a3=1 • Condições drásticas – a3=0,6 Prof. MSc. Thiago MendonçaProf. MSc. Thiago MendonçaProf. MSc. Thiago Mendonça • Elementos que normalmente falham: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Manutenção – Lubrificação. • Um filme de óleo muito fino formado entre os corpos rolantes e as pistas de um rolamento em funcionamento, impede o contato metálico direto e possui uma espessura típica de 0,001 mm. Esse filme bastante fino é a diferença entre o sucesso e a catástrofe - sem ele, o rolamento apresentaria falha precoce. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Principais fabricantes Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 6.1 - Selecione o rolamento de esferas que melhor se adapta as seguintes condições: • fe = 3,0 Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 6.2 - Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de 30000 horas, probabilidade de falha de 5%, elemento construído com aço temperado e condições de serviço excelentes. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 6.3 - Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um eixo de transmissão. • fs = 3,0 Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 6.4 - Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de 50000 horas, probabilidade de falha de 10%, elemento construído com aço comum e condições de serviço deficientes. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exercício 6.5 - Selecione o rolamento de esferas mais adequado para ser instalado em um sistema de preparação de cola. Condição de trabalho intermediário Prof. MSc. Thiago Mendonça • Cap. 7 - Mancais de Deslizamento – O funcionamento das modernas máquinas depende, principalmente, do funcionamento perfeito dos mancais nelas existentes. A falha dos mancais, sejam eles de deslizamento ou de rolamento, é motivo suficiente para fazer as máquinas pararem de funcionar, causando prejuízos para a produção. Prof. MSc. Thiago Mendonça • De fato, a condição ideal para se conseguir que uma determinada máquina ou equipamento trabalhe de acordo com suas características, implica a execução das seguintes ações: – cumprir fielmente as recomendações do fabricante no que diz respeito à manutenção da máquina ou equipamento. – inspecionar as máquinas e equipamentos para detectar os elementos mecânicos, sujeitos aos danos, aplicando os princípios da manutenção preventiva. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Função dos mancais de deslizamento e seus parâmetros de construção – A principal função dos mancais de deslizamento, existentes em máquinas e equipamentos, é servir de apoio e guia para os eixos girantes. – Os mancais de deslizamento são elementos de máquinas sujeitos às forças de atrito. Tais forças surgem devido à rotação dos eixos que exercem cargas nos alojamentos dos mancais que os contêm. Prof. MSc. Thiago Mendonça • A vida útil dos mancais de deslizamento poderá ser prolongada se alguns parâmetros de construção forem observados: – os materiais de construção dos mancais de deslizamento deverão ser bem selecionados e apropriados a partir da concepção do projeto de fabricação. O projeto de fabricação deverá prever as facilidades para os trabalhos de manutenção e reposição, considerando as principais funções dos mancais de deslizamento que são apoiar e guiar os eixos. Prof. MSc. Thiago Mendonça – sendo elementos de máquinas sujeitos às forças de atrito, os mancais de deslizamento deverão apresentar um sistema de lubrificação eficiente. Lembremos que as forças de atrito geram desgastes e calor e, no caso dos mancais de deslizamento, opõem-se, também, ao deslocamento dos eixos. – é importante que o projeto de construção dos mancais de deslizamento contemple a facilidade de desmontagem e troca de equipamentos, bem como a compatibilidade entre o dimensionamentodos mancais com as cargas que os sujeitarão. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • na construção de mancais de deslizamento, o projeto deverá levar em conta, além das funções próprias desses elementos, o meio ambiente no qual eles trabalharão. Normalmente, o ambiente no qual os mancais de deslizamento trabalham é cheio de poeira e outros resíduos ou impurezas. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Inspeção de mancais de deslizamento em máquinas operando • Ruídos anormais, excesso de vibrações e gradiente de temperatura dos mancais. • Todas as uniões dos mancais terão de ser examinadas quanto aos ruídos, aquecimento e vazamentos de lubrificante. Os eixos deverão ser inspecionados quanto às folgas e vibrações. Prof. MSc. Thiago Mendonça • A frequência das inspeções em mancais de deslizamento depende, principalmente, das condições de trabalho que eles suportam, ou seja, da velocidade com que os eixos giram apoiados neles, da frequência de lubrificação, das cargas que eles suportam e da quantidade de calor que eles geram. Essa quantidade de calor é avaliada pela temperatura do conjunto. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Para exemplificar a frequência de inspeções em conjuntos que possuem mancais de deslizamento, observe os seguintes casos: – mancais de eixos que sustentam polias: uma vez por mês; – mancais de cabeçotes ou caixas de engrenagens: a cada vinte dias; – mancais de apoio pequenos: uma a cada dois meses. • É importante salientar que os períodos estipulados para as inspeções podem variar de acordo com as condições de trabalho citadas anteriormente. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Os mancais desmontados devem ser lavados com querosene para dissolver o lubrificante usado e eliminar as impurezas. • Após a lavagem dos mancais, eles deverão ser lubrificados com o mesmo tipo de lubrificante anteriormente usado, desde que esse tipo não seja o causador de algum provável dano. • No local de funcionamento dos mancais, a limpeza deve ser contínua nas proximidades para eliminar os elementos estranhos que poderiam contaminar o lubrificante, tais como: água, partículas metálicas, pó, abrasivos, ácidos etc. Prof. MSc. Thiago Mendonça • O alinhamento de mancais de deslizamento pode ser obtido de dois modos: – a) Colocar o eixo sobre o mancal e fazer o eixo girar para que se possa observar as marcas provocadas pelo eixo contra o mancal. Quando os mancais estiverem alinhados, as marcas deverão ser uniformes. Prof. MSc. Thiago Mendonça – b) Comparar o alinhamento do mancal com um eixo padrão, controlando o paralelismo com calibradores e o alinhamento horizontal com um nível de precisão. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Para o controle da folga de mancais de deslizamento, exige-se o posicionamento correto do conjunto mancal e eixo. O conjunto deverá girar livremente. O controle da folga entre o mancal e o eixo é feito com uma lâmina calibrada verificadora de folgas. O controle da folga, quando se exige maior precisão dimensional, pode ser efetuado com um relógio comparador. Prof. MSc. Thiago Mendonça • O quadro a seguir mostra algumas vantagens e desvantagens dos mancais de deslizamento. Prof. MSc. Thiago Mendonça • O controle e o alinhamento dos eixos visam determinar, com exatidão, a correta posição que eles devem assumir em condições de trabalho. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Os mancais de deslizamento apresentam as mais diversas formas construtivas. O formato desses mancais está vinculado a um determinado emprego ou a uma determinada condição específica de trabalho. Prof. MSc. Thiago Mendonça – a) Mancais de guia - Muito encontrados em máquinas ferramentas, onde a mesa desliza sobre suas guias. Não suportam muita carga, o movimento relativo entre eles é de translação. – b) Mancais de fricção - Quando uma das superfícies móveis é um eixo e o deslizamento é executado considerando-se o movimento relativo de rotação entre o eixo e o mancal. Existem três tipos específicos: • Planos • Escora • Guia Prof. MSc. Thiago Mendonça – b.1) Mancais planos - comumente chamados de radiais. São os que suportam carga perpendicular ao eixo de rotação. – b.2) Mancais de escora - também conhecido como de encosto. São projetados para trabalharem sob ação de cargas axiais. – b.3) Mancais guias - servem praticamente para evitar o deslizamento do eixo. Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Materiais Utilizados – Geralmente a base do mancal é de ferro fundido ou podendo também ser de aço, dependendo muito de fatores técnicos envolvidos no projeto do mancal. – Para a confecção da bucha utilizam-se diversos materiais, dos quais destacam-se em ordem de emprego os seguintes materiais: Prof. MSc. Thiago Mendonça – 1º) Metal patente: são ligas fundamentalmente a base de Estanho (89%), Antimônio (8%), Cobre (3%). Este metal é muito utilizado. – 2º) Ligas binárias de Cobre e Chumbo (20 à 40% de Chumbo): A boa resistência a fadiga indica o seu uso em mancais que trabalham em condições severas. – 3º) Bronzes: Três são os principais tipos de bronzes: • Bronze a base de Estanho; • Bronze a base de Chumbo; • Bronze de alta resistência. Prof. MSc. Thiago Mendonça • 4º) Alumínio: Suas ligas resistem bem a corrosão produzida pela acidez do lubrificante. São muito usados em mancais de motores de explosão, alguns compressores, equipamentos aeronáuticos. • 5º) Prata: Mancais com prata são muito usados em aeronaves e motores diesel. São camadas (0.001 à 0.005 in) de prata depositada internamente em mancais de aço. • 6º) Ferro fundido: São raramente usados. • 7º) Grafite: é misturado com cobre, bronze, e plásticos, obtendo assim, uma maior diminuição do coeficiente de fricção. • 8º) Plásticos: Muito utilizados em máquinas de indústrias têxteis, alimentícias, com produtos corrosivos, oxigênio líquido. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Atrito no mancal – Quando se trata de superfícies de rotação com corpos rolantes, chama-se atrito de rolamento, enquanto para as peças deslizantes chama-se atrito de deslizamento. – As superfícies de deslizamento sem camada intermediária de sustentação movem-se com atrito sólido. Neste movimento são arrancadas partículas salientes. Esse tipo de atrito pode ser evitado com lubrificação, como que flutuando sobre a camada de lubrificante. Esse processo de lubrificação chama- se lubrificação Flutuante. – No atrito de flutuação quase não ocorre desgaste, porém, quando ocorrem arranques, paradas ou mudanças no sentido de movimentos intermitentes, o atrito passa a se caracterizar como ATRITO MISTO. Prof. MSc. Thiago Mendonça • No atrito misto, tem-se em parte atrito seco e, em parte atrito líquido, o que acarreta desgaste. Em mancais principais e de precisão, recomenda-se que se tenha sempre o atrito flutuante. • Quando em rotação, o eixo desloca-se para uma posição lateral, na direção do sentido de rotação. • Com esse desvio lateral do motor, deforma-se um espaço cuneiforme no lado oposto. O lubrificante deve fluir através de uma ranhura a essa folga em forma de cunha, para que nele se forme uma cunha de material lubrificante, originando-se assim forças de pressão que suportem o eixo. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Tipos de lubrificação – a) Lubrificação sólida ou limitada: é aquela onde a película de óleo se rompe não resistindo às condições de trabalho. É como se não existisse lubrificante algum entre as superfícies; – b) Lubrificação fluída: acontece quando as superfícies são separadas pela interposição de uma película lubrificante; – c) Lubrificação semi-fluída: ocorre quando a espessura da película inicia a faseperigosa de poder se romper, pois tende a se encaminhar para a zona onde as condições de lubrificação são limitadas. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Cálculo de Resistência (Pressão superficial) • Mancal radial Prof. MSc. Thiago Mendonça • Mancal axial Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 7.1 • Um mancal com casquilho (munhão) de aço não temperado, l = 150 mm e d = 100 mm suporta F = 6700 kgf. Bucha de bronze, retificada, boa lubrificação. Determinar o valor da pressão máxima considerada no mancal usado. Pressão admissível do material = 60 kgf/cm2 Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 7.2 • Um mancal de escora suporta uma carga de 1500 kgf. A extremidade do eixo apresenta D = 50 mm. O eixo é de aço temperado, bucha de bronze retificada e boa lubrificação. Calcular o diâmetro interno do anel “d” afim de que a pressão não ultrapasse o valor admissível. • Ps(máx) = 90 kgf/cm 2 Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 7.3 - Dada a transmissão abaixo, determinar os comprimentos necessários dos mancais, l1 e l2. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Dimensionamento de mancais de deslizamento – O eixo desenvolve movimento giratório, apoiado no casquilho de formato circular, separado dele por uma película lubrificante Prof. MSc. Thiago Mendonça • Coeficiente de Somerfield (S0) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Espessura da camada do lubrificante no ponto mais estreito (h0) • Com a introdução do coeficiente de Somerfield teremos: – h0 mínimo pode variar de 2 a 10 μm, sendo na maioria dos casos menor do que 5 μm Prof. MSc. Thiago Mendonça Prof. MSc. Thiago Mendonça • Coeficiente de atrito (μ) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Espessura Relativa da Fenda (hr) • Ao passar pelo orifício de entrada, o óleo é carregado até a zona de estreitamento do arraste, em que a pressão atuante atinge o ponto máximo. Prof. MSc. Thiago Mendonça • Espessura da película lubrificante (h) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Folga do Mancal (ϕ) Prof. MSc. Thiago Mendonça • Dimensionamento do Mancal – Para dimensionar o mancal radial de deslizamento, utiliza-se a pressão média admissível Prof. MSc. Thiago Mendonça • Temperatura do filme lubrificante (tf) – A potência de atrito é transformada em calor • A dissipação do calor será feita por condução, por intermédio do mancal à carcaça e desta ao meio ambiente, e em alguns casos uma outra parte será levada pelo óleo lubrificante, sendo refrigerada por ar ou água antes de retornar ao mancal. Prof. MSc. Thiago Mendonça Onde: Prof. MSc. Thiago Mendonça Calor dissipado pelo óleo Prof. MSc. Thiago Mendonça • Vazão do lubrificante (Q) – A vazão necessária para manter as temperaturas do óleo lubrificante dentro dos limites; Prof. MSc. Thiago Mendonça • Q pode ser obtido pelo gráfico em função de: – hr espessura relativa – Relação b/d Prof. MSc. Thiago Mendonça • Para casos gerais o diâmetro externo da bucha é submetido à relação: Prof. MSc. Thiago Mendonça • Exemplo 7.4 – Dimensionar o mancal de virabrequim de automóvel que atuará com lubrificação forçada com rotação n = 2000 rpm submetido à ação F = 20 kN. O diâmetro da árvore é d = 60 mm. O mancal possui as seguintes características: – Bucha de bronze ao chumbo – Temperatura ambiente = 50°C – μ = 0,0025 – b/d = 0,5 – Folga no mancal υ = 0,002 – PV(máx) = 30N/mm 2.m/s Prof. MSc. Thiago Mendonça • Calcular: – Velocidade periférica da árvore – Pressão admissível média – Largura do mancal – Diâmetro externo da bucha – Espessura relativa da fenda do lubrificante – Potência de atrito – Vazão do lubrificante – Temperatura final do lubrificante Prof. MSc. Thiago Mendonça • Bibliografia – MELCONIAN, Sarkis. Elementos de máquinas. Érica. 10ª edição. 2013. – COLLINS, Jack A. Projeto mecânico de elementos de máquinas. LTC. 1ª edição. 2011. – BUDYNAS, Richard G; NISBETT, J. Keith. Elementos de máquinas de Shigley. Bookman. 8ª edição. 2011. – ANDRADE, Alan S. Universidade Federal do Paraná, Elementos orgânicos de máquinas II. Prof. MSc. Thiago Mendonça
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