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Apostila Prof. Patric Daniel Neis - Disciplina: MECANISMOS 1 APOSTILA DE CAMES, QUATRO BARRAS, CURSOR MANIVELA, GARFO ESCOCÊS, MECANISMOS DE RETORNO RÁPIDO E MANIVELA ARTICULADA Disponível em: Ebah – Patric Daniel Neis Apostila da disciplina mecanismos Porto Alegre, 2014 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 2 Conceitos e definições de Mecanismos Mecanismo é um conjunto de corpos rígidos de tal modo interligados que o movimento de um provoca o movimento dos restantes. Quando há uma fonte de energia e consequente realização de trabalho associada aos elementos em movimento relativo, trata-se de uma máquina. Quando não há especificado, dentre os elementos, qual é a base (frame) ou elemento fixo do sistema, esse sistema recebe o nome de cadeia cinemática. Uma vez definidos um ou mais elementos fixos, o sistema recebe o nome de mecanismo. Em outras palavras, em um mecanismo pelo menos um dos elementos deve ser o elemento fixo. Além disso, para um mecanismo ser considerado útil, é ainda necessário que o mesmo possa produzir um movimento próprio, de forma que o projeto seja capaz de desempenhar a tarefa para o qual o mecanismo foi designado. A função de uma junta ou conexão é definir o movimento relativo entre os elementos acoplados. Cinemática: estudo do movimento independentemente das forças que o originaram. São estudados, por exemplo, posição, geometria, deslocamento, rotação,velocidade e aceleração. Pares cinemáticos são as conexões ou juntas entre as barras ou elementos de um sistema que transmite movimento de uma entrada para uma saída (pode ser de um mecanismo ou de uma cadeia cinemática). A literatura [Norton, 2009] classifica as juntas pelo tipo de contato entre seus elementos (ponto, linha e superfície), pelo número de graus de liberdade permitidos por este elemento, pelo tipo de fechamento (por forma ou por força) e ainda pelo número de elementos unidos pela junta. Quanto ao tipo de contato, os pares cinemáticos podem ser de 2 tipos: i) Pares inferiores (lower pairs): correspondem àqueles em que ocorre contato entre a área ou superfície de seus elementos. Exemplo: porca e parafuso, manivela-cursor, junta universal. Um sistema articulado (4 barras, por exemplo) é conectado somente por pares inferiores. ii) Pares superiores (higher pairs): o contato ocorre entre pontos ou entre uma linha. Exemplos de pares superiores: par de engrenagens, uma roda rolando e/ou escorregando sobre uma superfície e um came em contato com seu seguidor. A seguir, a Figura 1 mostra os 6 pares cinemáticos (ou conexões) inferiores: Figura 1 - Pares cinemáticos inferiores: (a) par de revolução, (b) par prismático, (c) par helicoidal, (d) par cilíndrico, (e) par esférico e (f) par plano. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 3 A seguir, é mostrada a relação entre cada par cinemático e o seu respectivo número de graus de liberdade: Figura 2 - Par de revolução: movimento circular - 1 grau de liberdade. Figura 3 - Par prismático: movimento retilíneo - 1 grau de liberdade. Figura 4 - Par helicoidal: movimento helicoidal - 1 grau de liberdade. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 4 Figura 5 - Par cilíndrico: movimento cilíndrico - 2 graus de liberdade. Figura 6 - Par esférico: movimento esférico- 3 graus de liberdade. Figura 7 - Par plano: movimento planar - 3 graus de liberdade. Critério de Kutzbach: fornece a mobilidade ou grau de liberdade. A equação de Kutzbach está descrita a seguir: M=3(n-1)-2j1-j2 Onde, M é o número de graus de liberdade, n é o número de elementos, j1 é o número de elementos de 1 grau de liberdade, j2 é o número de elementos de 2 graus de liberdade (pares superiores). Se m = 1, é preciso travar um único elemento para parar o mecanismo. Se m=2, é necessário travar 2 elementos. Se m=0, então o movimento é impossível e o mecanismo forma uma estrutura. Se m<0, então há restrições redundantes e a estrutura hiperestática. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 5 Figura 8 – Graus da liberdade calculado de acordo com o critério de Kutzbach. Dica: se um elemento desliza e rola, ele é j2. Classificação de mecanismos Mecanismos se dividem em 3 categorias, de acordo com as características de movimentação entre seus elementos: i) Mecanismos planares: utilizam somente sistemas articulados planares. Maioria dos mecanismos se enquadram nesta categoria. Todos eixos são compostos por pares de revolução e prismáticos. Os pares de revolução são normais ao plano de movimento enquanto todos pares prismáticos são paralelos. São exemplos deste tipo de mecanismo: manivela-cursor, came seguidor e mecanismos de 4 barras.Todos movimentos deste tipo de mecanismo podem ser representados em uma vista única (coplanar). ii) Mecanismos esféricos: cada ponto descreve uma curva contida em uma esfera. As superfícies concêntricas definidas por vários pontos escolhidos arbitrariamente são todas concêntricas. Exemplo deste tipo de mecanismo é o eixo cardan ou junta universal. iii) Mecanismos espaciais: o movimento não é coplanar e nem esférico. Um mecanismo espacial pode ter partículas com localização de dupla curvatura. Qualquer sistema articulado que contenha um par de parafuso é, na verdade, um mecanismo espacial (movimento helicoidal). Observação: considere um mecanismo de 4 barras. O paralelismo entre suas barras é, na verdade, uma hipótese matemática e não é a realidade. Se há um desalinhamento elevado, o mecanismo só opera devido à flexibilidade dos seus elementos, produzindo sobrecarga nos rolamentos e mancais. Se os eixos são pouco desalinhados, o mecanismo opera devido às folgas dos mancais e flexibilidade das barras. Nestas condições, tal mecanismo planar é, ainda que em um grau baixo, um mecanismo espacial. Assim, a esmagadora maioria dos mecanismos são, na realidade, mecanismos espaciais. Quanto ao tipo de função e de transformação de movimento, Torfason menciona 262 diferentes mecanismos, os quais são categorizados conforme segue: Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 6 1) Mecanismo de estalo (Figura 9): estão nesta categoria chaves comutadoras, mecanismos flip-flop usado como chaves e abraçadeiras. Figura 9 – Típicos mecanismo de estalo. 2) Mecanismos de atuadores lineares:encontram-se nesta categoria os cilindros hidráulicos e pneumáticos bem como os parafusos e porcas. 3) Mecanismos de ajuste fino: mecanismos de rosca de parafuso, engrenagem sem-fim e sistemas de alavancas. 4) Mecanismos de abraçadeira (Figura10): inclui abraçadeira C, morsa e abraçadeiras em geral. (a) (b) Figura10 – Típicos mecanismo de abraçadeira: (a) abraçadeira C e (b) morsa. 5) Mecanismos de catraca (Figura 11): são empregados em travas, mecanismos de alavanca, relógios e demais aplicações que requerem movimento intermitente. Figura 11 – Típicos mecanismos de catraca. Da esquerda para direita, o primeiro mecanismo permite rotação apenas em um sentido. O mecanismo apresentado ao meio possui o controle pela roda da esquerda, a qual gira Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 7 continuamente e produz movimento intermitente na roda guiada, em direção oposta. O mecanismo da direita é empregado em relógios de pêndulo, no qual a catraca gira continuamente, produzindo o movimento oscilatório do pêndulo. 6) Mecanismos de indexação (Figura 12): da mesma forma que os mecanismos de catraca, os mecanismos de indexação também produzem movimento intermitente. Um exemplo clássico é o a roda de Genebra,que é muito usada em projetores de filme para apresentar uma imagem por vez. Outro exemplo é o mecanismo de engrenagens mostrado pela Figura 13. Figura 12– Roda de Genebra. Figura 13– Mecanismo de indexação formado por engrenagens. 6) Mecanismos de balanço ou osciladores: o elemento de saída oscila em um ângulo geralmente menor do que 360º. Enquadram-se nesta classificação mecanismos de 4 barras (Figura 14) e mecanismos de came e seguidor, de acordo com a configuração mostrada na Figura 15. O sistema mostrado pela Figura 16, onde uma manivela (a) ligada a um elemento de ligação que possui uma cremalheira e faz a engrenagem (c) oscilar, também configura um oscilador. Por fim, o mecanismo de retorno rápido mostrado pela Figura 17 também é um exemplo de oscilador. Figura 14 – Oscilador: mecanismo de 4 barras. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 8 Figura 15 – Oscilador: mecanismo de cames. Figura 16 – Oscilador: configuração formada por manivela (elemento a), cremalheira (elemento b) e engrenagem (elemento c). Figura 17 – Oscilador: mecanismo de retorno rápido. Uma particularidade de mecanismos de retorno rápido é a razão dos tempos R, definida pela relação entre os tempos relativos ao curso de avanço e retorno da manivela ou simplesmente pela relação entre os ângulos de avanço (α) e de retorno (β) do mecanismo. Assim, pela Equação 1 tem-se que: (1) São também muitas vezes considerados mecanismos de retorno rápido o manivela-biela desalinhada e o mecanismo de barras ilustrado pela Figura 18. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 9 Figura 18 - Mecanismo de retorno rápido. 7) Mecanismos de movimento recíproco ou vai e vem (reciprocating) ou alternado: movimento retilíneo de vai e vem pode ser obtido por cilindros, sistema de porca e parafuso, sistemas de came e seguidor, manivela-cursor, mecanismo de garfo escocês e mecanismo Whitworth de retorno rápido (Figura 19). Figura 19 – Típico mecanismo de movimento recíproco: mecanismo whitworth de retorno rápido (configuração normal e invertida). 8) Mecanismos de reversão: tratam-se de sistemas capazes de entregar a rotação de saída em direções opostas. Eixos de entrada podem girar em direções opostas e um sistema de embreagens acopla o eixo de saída de acordo com a direção do movimento desejado. Transmissão automotiva também é um exemplo de mecanismo de reversão. 9) Acoplamento e conectores: são elementos para transmitir movimento entre eixos. Engrenagens, correias, 4 barras e juntas de diversos tipos (universal, Reuleaux). 10) Parada, pausa e hesitação mecanismo: em um motor automotivo, uma válvula precisa abrir, permanecer aberta por um curto espaço de tempo e então fechar. Dentro desta categoria, existem os mecanismos para e permanece, para e retorna e para e avança. Cames, mecanismos de indexação, mecanismos de catracas, engrenagens com embreagens e sistemas articulados no limite de seus movimentos. 11) Mecanismos geradores de curva: composto por sistema de barras articuladas, como um quatro barras. 12) Mecanismos geradores de reta: durante o século XVII, antes do desenvolvimento do processo de fresagem, era extremamente difícil de se obter superfícies planas. Por consequencia, isso dificultava a obtenção de uma conexão ou junta prismática sem folgas. Assim, especial atenção foi dada ao desenvolvimento de geradores de reta a partir de sistemas articulados. Esses mecanismos poderiam ser assim empregados como guia de peças móveis em máquinas. A Figura 20-a apresenta o mecanismo de Watt,o qual é capaz de gerar uma boa aproximação para uma linha reta. Outro gerador de retas é o mecanismo de Robert (Figura 20- b). Neste mecanismo, o ponto P é usado para gerar a traço. As linhas tracejadas sobre a referida figura servem para mostrar que o mecanismo de Robert consiste de uma configuração de 3 triângulos isósceles. O sistema articulado descrito pela Figura 20-c é o mecanismo de Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 10 Chebychev. O traço de P descreve uma linha reta. Finalmente, o sistema articulado descrito pela Figura 20-d trata-se do mecanismo de Peaucillier inversor. O traço do ponto P deste mecanismo é gerador de linha reta. Pantógrafo é também um exemplo de mecanismo traçador de linhas retas. Figura 20 – Traçadores de linha reta: (a) Mecanismo de Watt, (b) Mecanismo de Robert, (c) Mecanismo de Chebychev e (d) Mecanismo de Peaucillier inversor. Mecanismo manivela-biela ou manivela-cursor É um mecanismo planar de movimento alternativo, empregado para transformar movimento rotativo em alternativo (Ex.: Compressores, onde a entrada do movimento dá-se pela manivela; Bombas manuais; Serras de pedras) ou movimento alternativo em rotativo (Ex.: Motores a combustão interna; Motor rotativo usado na aviação antiga). Aplicações: Compressores, locomotivas a vapor, motores rotativos, bomba de água manual, motores a combustão interna, bomba extratora de petróleo, moinho, prensas, molinete de pesca e serras de madeira. Um mecanismo manivela-biela pode ser alinhado (Figura 21) ou desalinhado (Figura 22) em relação ao centro do eixo da manivela ao centro do eixo do cursor. No mecanismo manivela- biela alinhado e no desalinhado, o movimento não é harmônico. Porém, o tempo de avanço e retorno são iguais. No desalinhado, o tempo de retorno é diferente do tempo de avanço. No alinhado, o ponto máximo e mínimo sempre é em 0° e 180°, respectivamente. No desalinhado, a posição máxima e mínima ocorrem em ângulos diferentes de 0° e 180°. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 11 O mecanismo manivela-biela desalinhado traz como benefício o fato de que é mais difícil de ocorrer o trancamento, uma vez que suas barras (manivela e biela) nunca estarão alinhadas a 180º. Figura 21– Mecanismo de manivela-biela alinhado. Figura 22 – Mecanismo de manivela-biela desalinhado. A distância máxima percorrida pelo cursor do mecanismo manivela biela é chamada de curso, sendo seu máximo deslocamento conhecido como PMS (ponto morto superior) e seu mínimo deslocamento como PMI (ponto morto inferior). No caso do mecanismo manivela-biela alinhado, PMS= L+R, PMI=L-R e curso=2R. Equacionamento do manivela biela alinhado, em função de θ. Caso seja necessário colocar a equação em função de tempo, basta fazer θ=ωt. Posição: Em x: Em y: (3) Da identidade trigonométrica: Substituindo (3) em (5), temos: Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 12 Substituindo (6) em (1), consegue-se deixar toda a equação em função de θ: Velocidade: A velocidade é a derivada da posição em relação ao tempo, o que faz aparecer o termo de velocidade angular ω multiplicando d/dθ: Aceleração: A aceleração é igual a derivada da velocidade em relação ao tempo, o que faz aparecer o termo de velocidade angular ao quadrado ω²: Observação: pode-se usar o maple para encontrar as derivadasde X e V. Os comandos em maple para se encontrar essas derivadas são descritos a seguir: > restart; > x(theta):= R*cos(theta)+L*sqrt(1- ((R^2/L^2)*sin(theta)^2)); > V:=omega*diff(x(theta),theta); > Acel:=(omega)*diff(V,theta); := Acel 2 R ( )cos R 4 ( )sin 2 ( )cos 2 L 3 1 R 2 ( )sin 2 L 2 3 2 R 2 ( )cos 2 L 1 R 2 ( )sin 2 L 2 R 2 ( )sin 2 L 1 R 2 ( )sin 2 L 2 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 13 Equacionamento do manivela biela desalinhado (veja Figura 22): Posição: Em x: Em y: (3) Da identidade trigonométrica: Substituindo (3) em (5), temos: Substituindo (6) em (1), consegue-se deixar toda a equação em função de θ: Observação: o sinal do desalinhamento “e” modifica-se conforme o desalinhamento. Se o desalinhamento é para cima, o sinal de “e” na equação final é negativo. Se o desalinhamento é para baixo em relação a linha de centro da manivela, então o sinal de “e” na equação final é positivo. Velocidade e aceleração: A velocidade e a aceleração calculadas, respectivamente, como sendo a derivada da posição e da velocidade em relação ao tempo, e determinadas pelo programa maple (linha de comando e equação) é igual a: > restart; > x(theta):= R*cos(theta)+L*sqrt(1-((R/L)*sin(theta)- (e/L))^2); > > V:=omega*diff(x(theta),theta); > Acel:=(omega)*diff(V,theta); := ( )x R ( )cos L 1 R ( )sin L e L 2 := V R ( )sin R ( )sin L e L R ( )cos 1 R ( )sin L e L 2 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 14 Inversões do manivela-biela: Inversões manivela-cursor: o processo de escolha de diferentes elementos para ser o elemento fixo se chama inversão. Lembrando que um mecanismo de manivela-cursor possui 4 elementos (manivela, biela, cursor e cilindro), são possíveis 4 diferentes inversões: Para “visualizar” as inversões, é preciso decompor o mecanismo de manivela-biela em 4 elementos: estrutura, cursor, manivela e biela. 1) O elemento fixo é a estrutura de apoio: a estrutura de apoio refere-se ao cilindro externo e o ponto de apoio da manivela. É o caso típico de motores a combustão interna (Figura 23). No caso da entrada de energia se der pela manivela, o mecanismo é um compressor. Figura 23 – Inversão do mecanismo de manivela-curso com elemento fixo no cilindro: motores à combustão interna. 2) O elemento fixo é a manivela: um exemplo típico deste mecanismo são os motores rotativos empregados na aviação antiga, conforme mostra a Figura 24. Figura 24 – Inversão do mecanismo de manivela-cursor com elemento fixo na manivela: motores rotativos empregados na aviação antiga. Acel 2 R ( )cos R ( )sin L e L 2 R2 ( )cos 2 1 R ( )sin L e L 2 ( )/3 2 L R2 ( )cos 2 1 R ( )sin L e L 2 L := R ( )sin L e L R ( )sin 1 R ( )sin L e L 2 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 15 3) O elemento fixo é a biela ou barra de ligação: um exemplo típico deste mecanismo são os motores empregados nas locomotivas a vapor antiga e também em motores de navios, conforme mostra a Figura 25. Figura 25 – Inversão do mecanismo de manivela-cursor com elemento fixo na biela. 4) O elemento fixo é o cilindro: um exemplo típico deste mecanismo são as bombas de água manuais empregadas em jardins, conforme mostra a Figura 26. Atenção para a diferença da inversão do primeiro elemento, a barra 1 (chamada de estrutura). Nesse caso, ela não é fixa, apenas o cilindro. Figura 26 – Inversão do mecanismo de manivela-cursor com elemento fixo no cursor: aplicação em bombas de água manuais. Derivada da posição x(theta) em função do tempo para mecanismo biela-manivela > restart; > theta:=omega*t; > X(theta):=R*cos(theta)+ L*sqrt(1-(R/L*sin(theta))^2); > diff(X(theta),t); := t := ( )X t R ( )cos t L 1 R2 ( )sin t 2 L2 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 16 Garfo escocês ou Scotch-Yoke ou par senoidal É um mecanismo que, na configuração clássica (Figura 27) se encontra na categoria de mecanismo planar de movimento alternativo. A saída do movimento de um garfo escocês é um movimento harmônico simples. Utilizado em mesas vibratórias, agitadores, geradores de seno e cosseno. Figura 27 – Mecanismo de garfo escocês. Equacionamento: Considerando o ponto P da Figura 27 à direita. Assuma o lado esquerdo como sendo o sentiddo positivo. Outra alternativa é assumir o ângulo theta iniciando entre o segundo e terceiro quadrantes, daí o sentido do x será como positivo à direita. Posição: Velocidade: Aceleração: Há de se destacar que na configuração da Figura 28, a classificação do mecanismo de garfo escocês se altera, sendo considerado como um mecanismo de repouso, pausa ou hesitação. Figura 28 – Uma possível variação no mecanismo de garfo escocês. R ( )sin t R2 ( )sin t ( )cos t L 1 R2 ( )sin t 2 L2 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 17 Mecanismos de retorno rápido Esses mecanismos enquadram-se na categoria de mecanismos planares osciladores. Mecanismos de retorno rápido possuem uma característica importante, chamada de razão dos tempos R, definida pela relação entre os tempos relativos ao curso de avanço e retorno da manivela ou simplesmente pela relação entre os ângulos de avanço (α) e de retorno (β) do mecanismo. Assim, pela Equação 1 tem-se que: (1) Para R=1, tem-se tempo de avanço igual ao tempo de retorno. Para R<1, tem-se um tempo de avanço menor que o de retorno, configurando um mecanismo de avanço rápido. Para R>1, tem- se o tempo de avanço maior do que o de retorno,o que configura um mecanismo de retorno rápido. Observe que a simples inversão do sentido de giro faz o retorno rápido se tornar avanço rápido ou vice-versa. A Figura 29 apresenta um mecanismo de retorno rápido, onde é possível visualizar a relação entre os ângulos de avanço e retorno. Neste mecanismo, o elemento número 2 é a manivela, o elemento 3 é uma guia e o elemento 4 é chamado de balancim. Uma particularidade específica deste mecanismo é que quanto mais próximo o ponto de pivotamento O4 do balancim, maior a diferença entre os tempos de avanço e retorno do mecanismo. Figura 29 – Mecanismo de retorno rápido. São também muitas vezes considerados mecanismos de retorno rápido o manivela-biela desalinhada, o mecanismo de Whitworth (Figura 30) e o mecanismo de barras ilustrado na Figura31. O mecanismo de Whitworth é empregado em máquinas do tipo plaina limadora. Figura 30 - Mecanismos de retorno rápido (da esquerda para direita): whitworth normal, invertido e empregado em plainas limadoras. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 18 Figura 31 - Mecanismo de barras para retorno rápido. Mecanismo de alavanca articulada Emprega-se um mecanismo de alavanca articulada (Figura 32) quando é necessário superar uma grande resistência a custa de uma diminuta força motriz. É um mecanismo muito utilizado em britadoras, prensas e máqiuinas de rebitar. Figura 32 - Mecanismo de alavanca articulada. Considerando a Figura 32, onde a força F é a força de entrada e a força P é a força de saída do mecanismo de alavanca articulada, tem-se a Equação (1). Repare que para pequenos ângulos α entre as barras, a força de saída P tende a infinito. Ao mesmo tempo, para ângulo α de 90°, tem- se força de saída P tendendo a zero. (1) Cames Came ou camo é um elemento mecânico usado para comandar um outro elemento, chamado seguidor, através de um movimento específico por meio de contato direto. O conjunto formado pelos 2 elementos citados é chamado “came-seguidor”. Cames são muito usados pelas seguintes características: baixo custo, poucas partes móveis e pouco espaço requerido. Como desvantagem, as cames podem apresentar elevado desgaste, aquecimento e problemas de flutuação do seguidor, o qual será explicado mais adiante. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 19 Classificação das cames De acordo com a forma (geometria), as cames são classificadas de acordo com a ilustração da Figura 33: - Came radial ou de disco (a),(b),(c) e (d) - Came linear ou em cunha (e) - Came cilíndrica ou de tambor (f) - Came de face ou extremidade ou frontal (g) - Came de forqueta (h) O tipo mais comumente usado é a came radial e a menos empregada é a came linear devido à necessidade de movimento alternado como entrada. Existe ainda a came invertida, que é o exemplo da alavanca de câmbio de um automóvel em relação ao caminho que deve ser percorrido pela mesma sobre os sulcos. Chama-se came invertida porque a entrada do movimento dá-se pelo seguidor (a alavanca de marchas), o qual segue o perfil dos sulcos da transmissão de um veículo. Quanto à característica de movimento do seguidor, as cames podem ser classificadas como: - Seguidor de translação (a), (b), (c), (d), (f), (g) e (h) - Seguidor oscilante (b) e (f) Quanto à forma do seu seguidor, as cames podem ser classificadas como: - Seguidor de ponta ou seguidor de aresta/ponta de faca (c) - Seguidor de face plana, prato ou chato (a) - Seguidor de rolete (d), (e), (f), (g) e (h) - Seguidor de face esférica (b) Uma última classificação diz respeito à posição da haste do seguidor, podendo ser de 2 formas: - Deslocada (a), (d) - Radial (b), (c) e (h) A descrição completa de cada item da Figura 33 é indicada a seguir: (a) came radial e seguidor de translação de face plana deslocado; (b) came radial e seguidor oscilante de face esférica; (c) came radial e seguidor de aresta de faca e translação; (d) came de dois lóbulos radiais e seguidor de rolete de translação deslocado; (e) came de cunha e seguidor de translação com rolete; (f) came cilíndrico e seguidor de rolete oscilante; (g) came de face ou extremidade ou frontal e seguidor de rolete de translação; (h) came de forqueta e seguidor de rolete de translação. Como exemplos típicos de aplicação, cames podem ser empregadas em comando de válvulas de veículos e maquinas em geral (indústria têxtil, empacotadoras, etc). Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 20 Figura 33– Exemplos de cames. A Figura 34 – Exemplos de cames cilíndricas ou de tambor.apresenta um outro exemplo de came cilídrica e seguidor tipo esférico de translação (acima) e tipo rolete oscilante (abaixo). Figura 34 – Exemplos de cames cilíndricas ou de tambor. A Figura 35 – Exemplo de cames de face ou de extremidade ou frontal. apresenta um exemplo de came de face, frontal ou de extremidade e seguidor de translação de rolete. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 21 Figura 35 – Exemplo de cames de face ou de extremidade ou frontal. Um outro tipo de came é a de retorno comandado ou também chamado de quadro com came (Figura 36 – Exemplo de came de retorno comandado ou sistema de quadro com came circular.). Figura 36 – Exemplo de came de retorno comandado ou sistema de quadro com came circular. O seguidor pode ser vinculado ao cames por: - mola - gravidade - vínculo mecânico Em altas rotações, um problema comum com cames é a flutuação do seguidor. Dependendo da geometria (perfil da came), do tipo de vínculo e rotação da came, a mesma pode saltar e/ou o seguidor poderá ficar sujeito a altas acelerações. Um exemplo de came com vínculo ou restrição mecânica é a came com retorno comandado, mostrada pela Figura 36 – Exemplo de came de retorno comandado ou sistema de quadro com came circular.. Trata-se de uma came de disco com seguidor do tipo de face plana e movimento de translação, que possui 2 pontos de contato como vínculo. O vínculo impede a flutuação do seguidor, porém essa configuração pode ter aquecimento elevado. Além disso, caso os materiais da came e do seguidor forem feitos de materiais diferentes, pode haver dilatações térmcas diferentes, levando o mecanismo a quebra. O uso de molas também pode ser considerada uma alternativa que minimiza a possibilidade de flutuação do seguidor (Figura 37). Figura 37 – Cames de disco e seguidor de face plana, de translação e vínculo por molas. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 22 Tipos de movimento do seguidor Na rotação do cames, o seguidor executa os seguintes eventos, conforme ilustra a Figura 38: - elevação - repouso - retorno Figura 38 – Diagrama de deslocamento de uma came, mostrando os eventos de elevação, repouco e retorno. Como existem várias formas de elevação e retorno, os diagramas de deslocamentos deverão ser construídos para os movimentos: - uniforme (ou velocidade constante) - parabólicos (ou aceleração constante) - harmônico simples - cicloidais O movimento do seguidor de uma came pode ser de 4 tipos diferentes: a) Movimento uniforme ou velocidade constante: As curvas da velocidade, aceleração e impulso são mostradas na Figura Figura 39-a, enquanto logo abaixo é apresentado um gráfico resumo deste tipo de movimento. Figura 39 - Movimento uniforme. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 23 No caso da velocidade constante, o deslocamento do seguidor é simplesmente uma função constante do ângulo da came. y=ax+b onde: y – deslocamento do seguidor a – coeficiente angular da reta b – constante Como passa pela origem , b=0. Designando a elevação total d, correspondente a um ângulo de cames de β rad, tem-se y=(d/β)θ onde: d – elevação máxima do seguidor β – ângulo de máxima elevação do seguidor Essa é a equação para o movimento uniforme. A velocidade e aceleração do seguidor são a primeira e a segunda derivada respectivamente. Velocidade d dt dd y Aceleração 0 dt dd y ω é a velocidade angular do cames e é constante, portanto sua derivada é igual a zero, exceto no início e fim da elevação onde vai imediatamente ao infinito. Para construção de uma came com o perfil que gere um movimento uniforme, é construir uma came de disco cujo tamanho de raio aumente linearmente com o ângulo. b) Movimento comaceleração constante ou parabólico As curvas da velocidade, aceleração e impulso são mostradas na Figura 40. A curva de deslocamento é uma parabola, equação de 2º grau. Essa curva possui uma descontinuidade no ponto de inflexão Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 24 Figura 40 - Relações de deslocamento, velocidade, aceleração e aceleração segunda para o movimento parabólico. No caso do movimento parabólico, o deslocamento do seguidor segue uma função do segundo grau do ângulo da came. y=ax²+b onde: y – deslocamento do seguidor x – é a variável (nesse caso x é θ) a – coeficiente angular da curva b – constante Como passa pela origem , b=0. Designando a elevação total na primeira metade d/2, correspondente a um ângulo de cames de β/2 rad, tem-se d/2=a(β/2)² a=2d/ β² onde: d/2 – elevação máxima do seguidor na metade do curso β/2 – ângulo onde ocorre a máxima elevação do seguidor Substituindo a em y=a θ² 2 d2y A velocidade e aceleração do seguidor são a primeira e a segunda derivada respectivamente. Velocidade 2 4d y Aceleração 2 2d4 y Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 25 A aceleração é constante e a velocidade máxima ocorre no ponto de inflexão onde θ= β/2. d y 2 max Para a segunda metade do deslocamento usa-se a equação de segundo grau completa: y=C1+C2 θ+C3 θ² Derivando, temos a velocidade: y = C2 ω + 2C3 ω θ Condições de contorno: y(θ= β)=d y (θ= β/2)= d2 (a velocidade é máxima quando θ= β/2) y (θ= β)= 0 Fazendo y (θ= β)= 0 na equação da velocidade: 0= C2 ω + 2C3 ω β C2 = -2C3 β Fazendo y (θ= β/2)= d2 na equação da velocidade e substituindo C2: d2 = -2C3 β ω + 2C3 ω β/2 d2 = -C3 β ω C3=-2d/β² Substituindo C3 em C2 = -2C3 β: C2=-2(-2d/β²) β = 4d/β C2 = 4d/β Por último, falta encontrar C1. Fazendo y(θ= β)=d na equação do deslocamento y = C1 + C2θ + C3θ² d= C1 + (4d/β) β + (-2d/β²) β ² = C1 + 4d – 2d => C1 = -d Logo, a equação completa do deslocamento é: y=(-d) + (4d/β) θ+ (-2d/β²) θ² A equação da velocidade é: y = (4d/β)ω + 2 ω (-2d/β²) θ A equação da aceleração é igual a: y = -4 ω² (d/β²) Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 26 Para construção do diagrama do deslocamento do movimento parabólico, são usadas 6 ou 8 divisoes em x. Uma sequencia de números (6 ou 8 ) é usada para cada divisão. No caso da sequencia de 6 números, divide-se por 18 pequenas divisões ou em 32 pequenas divisões para a sequencia de 8. As partes divididas são proporcionais à: - 1,3,5,5,3,1 para 6 divisões na escala X - 1,3,5,7,7,5,3,1 para 8 divisões Figura 41 - Movimento parabólico c) Movimento harmônico simples As curvas da velocidade, aceleração e impulso são mostradas na Figura 42. A curva de deslocamento segue um cosseno. Figura 42 - Relações de deslocamento, velocidade, aceleração e aceleração segunda para o movimento harmônico simples Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 27 Ao contrário do movimento parabólico, não há descontinuidade no ponto de inflexão. A curva de deslocamento está baseada na relação de cosseno por: y = a Cos(θπ/β) + b (quando θ=90° é β/2 e quando θ=180° é β) Dadas as condições de contorno y(θ=β/2)=d/2 e y(θ=β)=d Tem-se que: d/2=a Cos(π/2) + b b=d/2 d = a Cos(π) + d/2 d/2 = a (-1) a = -d/2 Logo, a equação do deslocamento de um seguidor cujo movimento é harmônico simples é: y = -d/2 Cos(θπ/β) + d/2 A equação da velocidade é: y = πd ω /2β Sen(θπ/β) A equação da aceleração é igual a: y = π²d ω² /2β² Cos(θπ/β) Para construção do diagrama de deslocamento da came com, movimento harmônico simples, constrói-se um semi-cículo de diâmetro igual ao deslocamento do seguidor, conforme mostra a Figura 43. Figura 43 - Movimento harmônico simples Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 28 d) Movimento cicloidal As curvas da velocidade, aceleração e impulso são mostradas na Figura 44 - Relações de deslocamento, velocidade, aceleração e aceleração segunda para o movimento cicloidal. O movimento cicloidal tem uma curva senoidal para a aceleração.Utiliza-se o mesmo procedimento do movimento parabólico para as deduções das equações do deslocamento, velocidade e aceleração. Figura 44 - Relações de deslocamento, velocidade, aceleração e aceleração segunda para o movimento cicloidal Deslocamento 2 sen 2 1 dy Velocidade 2 cos1 d y Aceleração 2 send2y 2 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 29 No movimento cicloidal, a aceleração segunda é finita, sendo, portanto, o melhor dos movimentos apresentados. Aceita altas velocidades de rotação. Para a construção do diagrama de deslocamento do movimento cicloidal de um seguidor, rola-se sem deslizamento um círculo de diâmetro igual a L/2π. Os pontos daordenada são ligados a absissa de acordo com o passo (divisões) escolhido. Faz-se 4 cículos dentro da elevação da came, à esquerda do gráfico. Cada círculo conterá um ponto a 120º, os quais serão ligados aos pontos 2,4,6 do gráfico. Os pontos 1 e 5 (60 e 300º) são traçados paralelos a linha que liga o ponto 3 em relação ao círculo superior direito. A Figura 456 apresenta um exemplo de construção do referido diagrama. Figura 45 - Movimento cicloidal Desenvolvimento de cames: Figura 46 - Desenvolvimento de um came a partir do diagrama de deslocamento. (a) nomenclatura do came; (b) diagrama de deslocamento Círculo de base: menor círculo tangente à superfície do came. Ponto de traçado: ponto teórico sobre o seguidor, usado para gerar a curva primitiva. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 30 Ângulo de pressão: é o ângulo entre a direção do movimento do seguidor e uma normal à curva primitiva. Ponto primitivo: indica a localização do máximo ângulo de pressão. Círculo primitivo (pitch): seu centro coincide com o do came e passa pelo ponto primitivo. Círculo principal (prime): é o menor círculo com centro coincidente com o centro do seguidor (no caso de rolete) ou simplesmente com a face (no caso de seguidor do tipo de face), passando pela curva primitiva. As divisões dos ângulos são feitas com relação ao circulo principal. Para desenvolver uma came cujo seguidor é de face plana (Figura 478), deve-se marcar os pontos (distância) sobre as retas em relação ao círculo de primário ou primitivo. Note que a curva primitiva passa pelos pontos, mas não coincide com o perfil da came. Figura 47 - Desenvolvimento de uma curva de cames para um seguidor de translação de face plana Equação de cames radiais excêntricas com seguidor não deslocado Equação de uma came de disco excêntrica, de excentricidade “e” , inciando o deslocamento do seguidor em 0º. Posição do seguidor: Velocidade do seguidor: Aceleração do seguidor: Observe que o máximo deslocamento de uma came excêntrica é igual a 2e, ou seja, duas vezes a sua excentricidade. Mecanismo 4 barras Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 31 O mecanismo de 4 barras é uma mecanismo planar de movimento oscilatório. É também chamado de quadrilátero articulado. Basicamente um mecanismo 4 barraspossui 3 funções: 1) Transformar movimento oscilante em rotacional. 2) Ampliar ou reduzir o movimento/deslocamento ou a força. 3)Transformar o movimento rotacional em oscilante. Em uma configuração especial, o mecanismo de 4 barras pode funcionar como traçador de retas, como no caso do mecanismo de Watt. Figura 48 – Mecanismo de Watt. Aplicações de 4 barras: braços robóticos, pantógrafos, luminárias de arquitetos, alicate de pressão, mola aérea de portas e traçadores de retas.. Dependendo da configuração ou dimensionamento das peças podem ocorrer pontos mortos do mecanismo, que são os pontos onde o mecanismo trava. Volantes e contrapesos ajudam a impedir os pontos mortos, uma vez que evitam o alinhamento das barras. O mecanismo 4 barras é constituído de uma barra fixa de comprimento R1, a qual não translada; de uma barra acionadora ou motriz de comprimento R2; de uma barra de ligação ou acopladora de comprimento R3 e por uma barra movida ou seguidora de comprimento R4. Equacionamento e desenho (Figura 49) do mecanismo de 4 barras: Figura 49– Mecanismo de 4 barras. Onde: ângulo de entrada Z: Linha imaginária que serve para dar semelhança entre os triângulos = ângulo de saída ângulo de transmissão ângulos auxiliares Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 32 Pela lei dos cossenos: (1) (2) Assim, igualando (1) e (2): (3) (4) Da figura: (5) (6) (7) (8) (9) (10) Como (11) Então: (12) Exercício: Dado o mecanismo de 4 barras com R1 = 0.8m, R2 = 0.4, R3 = 1.8 e R4 = 1.5m. R: Vantagem mecânica para mecanismo de 4 barras: é a razão do torque de saída exercido pela barra principal movida pelo torque de entrada da barra motora. Figura 501 – Esquema do mecanismo de 4 barras utilizado para o cálculo da vantagem mecânica. Desconsiderando perdas e dado que . (perpendicularismo) Quando ou a vantagem mecânica tende ao infinito e o mecanismo pode ser usado como grampo (Figura 51). Atenção: Ф=θ2- θ3 e Ƴ= θ3- θ4.Na verdade tanto faz fora ou dentro das barras. Quando ou => (esses são pontos mortos, pois um 4 barras verificado por Grashoff terá seus pontos mortos quando quaisquer duas barras estejam alinhadas, ou seja, colinearmente sobrepostas ou estendidas ou ainda caso não seja verificado por Grashoff pela colineariedade de quaisquer duas barras. φ Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 33 Pode-se usar ângulo interno entre R2 e R3 em substituição ao externo. As reações na junta de um mecanismo são uma força radial e outra tangencial. Quanto maior a tangencial a barra 4, maior a vantagem mecânica. E a força tangencial é máxima com ângulo de transmissão de 90graus. A força F23 é igual a F34, caso não haja aceleração envolvida. Figura 51 – Esquema do 4 barras na condição de VM tendendo ao infinito. Lei de Grashoff “Para uma articulação plana de 4 barras, a soma das barras maior e menor não pode ser maior que a soma das barras restantes se for desejável uma rotação contínua de pelo menos uma barra. Matematicamente, temos que: M = maior, m = menor, a+b = demais. Obs: Essa lei vale apenas para uma avaliação rápida se o mecanismo pode fazer uma revolução completa em pelo menos uma das barras. Entretanto, caso o mecanismo em geral não satisfaça Grashoff, ou seja, caso , este pode oscilar. Dado R1= 7cm, R2 = 3cm, R3 = 8cm, R4 = 6cm e , encontre ang. transmissão, saída, VM e desenhe. Resolução de um quatro barras pelo método da malha fechada (ou laço de vetores Os elos são representados por vetores de posição. Exercício 1: Encontre ângulo de transmissão e saída para o caso do exemplo acima, onde R1= 7cm, R2 = 3cm, R3 = 8cm, R4 = 6cm e , encontre ang. transmissão, saída, VM e desenhe. Veja desenho da Figura 52. Figura 52 – Representação vetorial para cálculo do 4 barras. Passos para solução: i) Soma vetorial: R2+R3-R4-R1=0 ii) Inicialmente fazer a soma direta entre R2 e R1 (na verdade pelo sentido convencionado, é uma subtração de R2-R1), encontrando a resultante Res. Figura 53 – Esquema para determinação da resultante entre R2 e R1. Vetor Res é igual a 6,08cm e θres=154,7º. Φ=180° Φ=0° R1 R2 R3 R4 R1 R2 Res Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 34 Então, agora passamos a ter Res +R3-R4 = 0 iii) Passar equação vetorial para o número complexo na forma polar , onde é Rcos(θ) + i sen(θ) (equação ou identidade ou relação de Euler). Na verdade, ambos e Rcos(θ) + i sen(θ) são formas de representação por número complexo. Res + R3 - R4 = 0 iv) Dividir toda a equação pelo termo de que é conhecido: 6,08 + 8 - 6 = 0 6,08 + 8 - 6 v) Transformar toda a equação em cos e sen: 6,08 + 8 cos(θ3-154,7) = 6 cos(θ4 -154,7) 8 sen(θ3-154,7) = 6 sen(θ4 -154,7) vi) Elevar os 2 lados das esquações de sen e de cos ao quadrado: 36,97 + 97,28 cos(θ3-154,7) + 64 cos²(θ3-154,7) = 36 cos²(θ4 -154,7) 64 sen²(θ3-154,7) = 36 sen²(θ4 -154,7) vii) Somar as duas equações, lembrando que sen²θ + cos² θ =1: 36,97 + 97,28 cos(θ3-154,7) + 64 = 36 cos(θ3-154,7) = -0,667 (aplica-se cos -1 nos 2 lados) θ3-154,7 = ±131,90 θ3 = 289,60º ou θ3 = 22,8º (sempre haverá dois, escolhe-se um deles. Nesse caso 22,8º, de acordo com o desenho inicial) viii) Para encontrar θ4, basta substituir θ3 = 22,8º em uma das equações: 8 sen(22,8-154,7) = 6 sen(θ4 -154,7) -5,95 / 6= sen(θ4 -154,7) - 82,93 + 154,7 = θ4 θ4 = 71,76 ix) Para encontrar Ƴ, faz-se θ4 – θ3 =Ƴ (veja Figura 54 para melhor compressão). Figura 54 – Esquema representativo dos ângulos que compõe ângulo de transmissão. Logo, θ4 – θ3 =Ƴ 71,76 – 22,8 = 48,96º Para encontrar o ângulo Ф entre as barras 2 e 3, faça 180 – (θ4 – θ3). Fazendo as contas, chega- se a 142,8º. E para encontrar a velocidade, dado ω2: θ3 θ4 θ4 θ3 Ƴ Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 35 i) Deriva-se R1 + R3 + R3 - R4 = 0 R1ω1 + R2 ω2 + R3 ω3 - R4ω4 = 0 Como ω1 = 0 e R2 ω2 é uma constante C: C + R3 ω3 - R4ω4 = 0 Temos 2 incógnitas, ω3 e ω4. E os passos seguintes são os mesmos a partir do passo iv do deslocamento. Exercício 2: Dados o comprimento da barra 2 = 3 cm, barra de ligação = 8 cm, barra de saída = 6 cm, ângulo da barra 2 = 60° e ângulo da barra de saída = 71,8°.Calcule o comprimento da barra fixa e θ3. Pela malha fechada: -R1cos(θ1) + R2cos(θ2) + R3Cos(θ3) –R4cos(θ4)=0 -R1senb(θ1) + R2sen(θ2)+ R3sen(θ3) –R4sen(θ4)=0 Como θ1 =0°: -R1+ 3cos(60) + 8Cos(θ3) –6cos(71,8)=0 0 + 3sen(60) + 8sen(θ3) –6sen(71,8)=0 θ3=22,8° e R1=7cm Exercício 3: Dado VBA= 14,14 cm/s, para o mecanismo abaixo, encontre a velocidade absoluta no ponto B e indique sua direção e sentido. Dados: R2=6cm, R3=18cm, R4=12cm, θ2 = 135°, θ4 = 68,4°, giro da barra 2 em sentido horário. Solução: W3=VBA/R3 = 14,14/18 = 0,785rad/s Agora, precisamos encontrar R1 e θ3 por malha fechada: encontramos , R1= 8cm, theta3=22,6°. Utilizando e Encontramos: w4=1,19 rad/s, w2=1,85 rad/s, VB=W4*R4 = 1,19*(12)=14,28cm/s (90° do R4) VB=14,28 cm/s < 338,4° ou 13,28i – 5,21j A Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 36 Equação de Fraudenstein Método muito parecido com malha fechada, porém sem utilizar a equação de euler e sem simplificar para 3 barras. As posições angulares são diferentes. Considerando-se a articulação mostrada na figura: As posições vetoriais das barras são: 0a b c d Equacionando as distâncias horizontais: 1 2 3 4cos cos cos cos 0a b c d E as distâncias verticais: 1 2 3 4sen sen sen sen 0a b c d Assumindo 1 180 então 1sen 0 e 1cos 1 , assim: 2 3 4cos cos cos 0a b c d E 2 3 4sen sen cos 0b c d Isolando os termos contendo “c” para o lado direito da igualdade e elevando ao quadrado ambos os lados: 22 2 3 2 4cos cos cosc a b d 22 2 3 2 4sen sen senc b d Adicionando ambas as equações e utilizando a relação 2 4 2 4 2 4cos cos cos sen sen e 2 2sen cos 1 , têm-se: Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 37 2 2 2 2 2 4 2 4cos cos cos 2 c a b d a a bd d b A equação de Fraudenstein resulta dessa relação como: 1 2 2 4 3 2 4cos cos cosK K K Sendo: 1 a K d ; 2 a K b ; 2 2 2 2 3 2 c a b d K bd Exemplo: Encontre comprimento da barra r1 para o caso do exemplo acima, onde R1= a, R2 = 3cm, R3 = 8cm, R4 = 6cm e Solução: 1 2 2 4 3 2 4cos cos cosK K K 1 a K d ; 2 a K b ; 2 2 2 2 3 2 c a b d K bd K1 = a/6 K2 = a/3 K3 = (8²)-(a²)-(3²)-(6²)/2(3)(6) (a/6)Cos(60) + (a/3)Cos(251,8) + (19-a²)/36 = Cos(60-251,8) (a/6)1/2 + (a/3)(-0,31) + (19-a²)/36 = -0,97886 a/12 - 0,31a/3 + (19-a²)/36 = -0,97886 3a/36 – 3,72a/36 + (19-a²)/36 = -35,239/36 3a - 3,72a +19 – a² = -35,239 -> -0,72a – a² +19 = -35,239 -> a² +0,72a – 54,24 = 0 Resposta: a=7m Mobilidade ou Graus de liberdade de um mecanismo Graus de liberdade de um mecanismo diz repeito ao número de movimentos independentes que ele possui. A mobilidade de um mecanismo pode ser definida como o número mínimo de parâmetros requeridos para especificar o a localização de cada elemento dentro de um mecanismo. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 38 Mecanismo de 1 grau de liberdade: Síntese gráfica de mecanismos Antes de entrarmos na síntese gráfica propriamente dita, é preciso conhecer os conceitos básicos de movimento de um ponto em um mecanismo. Os movimentos podem ser expressos como deslocamento, velocidade e aceleração, lineares ou angulares. A análise cinemática de mecanismos pode ser complexa, uma vez que ocorrem movimentos que são combinações de rotação e translação. Ocorrem acelerações e velocidades relativas entre os corpos. Algumas hipóteses importantes: -Pelo menos uma peça é fixa -Não há deformações relativas entre as peças No caso de ocorrer deformações relativas, como em molas, a análise vibratória é mais adequada para descrição do movimento. Para corpos (rotor) que giram em torno de um ponto fixo: Velocidade tangencial: V=ωR Aceleração centrípeta: A n =v 2 /R= ω²R Aceleração tangencial: A t =αR Os métdos para análise de forças e movimentos (velocidade e aceleracão) em mecanismos pode ser de 3 tipos: a) Análise vetorial: é uma forma analítica, porém os movimentos e forças são decompostos em vetores. b) Análise gráfica, baseia-se na análise gráfica do polígono determinado a partir de cálculos analíticos c) Análise analítica: são empregadas equações escritas na forma complexa, como por meio da equação de euler, onde é Rcos(θ) + i sen(θ) Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 39 Análise de um ponto sob trajetória circular: Para o cálculo das velocidades, devem ser consideradas duas componentes: uma componente devido ao deslocamento angular (ωR) e outra devido a variação do comprimento do raio (dR/dt). Logo, a velocidade do ponto é: Vp = ωR + dR/dt Caso R seja contantes, tem-se simplesmente a contribuição da velocidade de rotação: Vp = ωR Raciocínio análogo pode ser feito com respeito a aceleração. Como houve uma modificação da aceleração em direção e sentido, houve uma combinação de aceleração tangencial (ΔVP/Δt) t e normal (ΔVP/Δt) n (Ap) n = ω.(ωR) + (ω.dR/dt) (Ap) t = α.R + ω.dR/dt + d²R/dt² Para curvatura R constante: (Ap) t = α.R e (Ap) n = ω.(ωR) Aceleração resultante no ponto é: Ap = (Ap) n + (Ap) t = ω.(ωR) + (ω.dR/dt) + α.R + (ω.dR/dt) + d²R/dt² = ω.(ωR) + 2(ω.dR/dt) + α.R + d²R/dt² No caso da aceleração, mesmo com o raio constante, teremos duas componentes, uma centrípeta, normal ao raio, e outra tangencial. P P’ ΔθR R R+ΔR ΔS C C’ ΔθR R R+ΔR C C’ P P’ VP VP’ VP VP’ ΔVP (ΔVP) t (ΔVP) n Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 40 Conceitos de velocidade relativa Antes ainda de adentrarmos nos cálculos pelo método gráfico, é importante definirmos alguns conceitos básicos em mecanismos: VBA = VB - VA VB = VBA + VA A partir deste cálculo de velocidade relativa, podemos verificá-lo graficamente em um mecanismo de 4 barras: ABC – sujeito a w3 VA = ω2(AO2) -> velocidade absoluta VA = ω3(I13A) -> velocidade absoluta VB = ω3(I13B) -> velocidade absoluta VB = ω4(O4B) -> velocidade absoluta VBA = ω3(AB) -> velocidade relativa VCA = VC - VA --> VC = VCA + VA VC = ω3(AC) + ω2(AO2) [aponta 90graus com o CI I13] VCB = VC – VB --> VC = VCB + VB B O2 O4 A C I13 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 41 VC = ω3(CB) + ω4(O4B) Por exemplo: no 4 barras acima são conhecidas as dimensões e os ângulos, a velocidade ω2 e ω3. É possível conhecer VB por: VB= VBA + VA ----> VB = ω3(AB) + ω2(AO2) VBA -> módulo conhecido e direção perpendicular a AB VA-> módulo conhecido e direção perpendicular a O2A Exemplo: considere um manivela-biela com 45° na manivela, R=0,025m e L=0,25m, manivela 20pi.rad/s. O ângulo theta3 é 4,05°. Calcule a velocidade absoluta do ponto B. Pela malha fechada encontramos w3: -r1w1cos(theta1) + Rw2cos(theta2)+ Lw3cos(theta3)=0 (ATENÇÃO: quando for velocidade, usar somente parte real – cosseno. Isso é porque a parte imaginária terá um componente a mais da derivada). W1=0, logo 0,025*20*PI*cos(45)+ 0,25*w3*cos(4,05)=0 W3=4,45rad/s Considere o ponto B sobre o cursor e o ponto A sobre a manivela: VBA=VB-VAVB=VBA+VA VB=(w3*L)*sen(4,05) +w2*(R)*cos(45) = 4,45*0,25*sen(4,05)+20*Pi*(0,025)*cos(45)= 1,18m/s - Refaça os cálculos para Theta2=90°: Calculando w3 pela malha fechada (theta3 é 5,74°): W2Rcos(theta2) + W3Lcos(theta3) = 0 20*pi*0,025*cos(90) + W3*0,25*cos(5,74) = 0 W3=0 = VBA=0 VB=VBA+VA = 0 + (20*Pi*0,025) = 1,57m/s VBA VA Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 42 Agora, utilizando o método gráfico, determina-se VB: Assim, o método gráfico serve para determinar as relações de velocidade. Mas antes, é preciso conhecer as relações de velocidade entre as barras, que podem ser calculadas pelas relações do centro instantâneo. Outros exemplos de métodos gráficos: Pelo método gráfico: Em P2 (com relação a A): VP2 = VP2A + VA = ω3(AP2) + ω2(O2A) Em P1 (com relação a A): VP1 = VP1A + VA = ω3(AP1) + ω2(O2A) Em P2 (com relação a B): VP2 = VP2B + VB = ω3(BP2) + ω4(O4B) Perceba que esse VP2 é igual ao VP2 calculado em relação a A. VA VBA VB VA VBA VB B A C P1 P2 VA VP2A VP2 O2 O4 VA VP1A VP1 VB VP2B VP2 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 43 Cálculo da velocidade pelo método gráfico para 3 corpos quaisquer Neste caso, usa-se o Teorema de Kennedy, segundo o qual os 3 corpos independentes possuem centros instantâneos em uma reta comum. Toda a construção do teorema de Kennedy baseia-se no método gráfico. Primeiramente, 2 pontos são escolhidos ao acaso em cada peça. A 90 graus da direção da velocidade é traçado o eixo de rotação. O ponto de encontro entre os eixos de rotação de A1 e A2 e de B1 e B2 dá origem aos centros instantâneos I1 e I2. Por fim, graficamente é possível encontrar o terceiro centro instantâneo (I3). Traça-se uma reta de encontro entre I1 e I2. Sobre essa reta haverá um ponto onde as velocidades relativas a I1 e I2 serão iguais. Esse é o centro instantâneo I3. Graficamente ele é encontrado pelo desenho de vetores ao longo da reta I1 e I2. Onde houver igualdade entre seus tamanhos e direções é porque ali é o ponto I3. Neste ponto as velocidades relativas são nulas, uma vez que V1=V2. OBS.: Sempre que velocidades relativas são nulas, é centro instantâneo. O método gráfico na análise de engrenagens Sempre que um ponto tiver velocidade relativa zero, é ponto de centro instantâneio. Então, em um trem de engrenagens simples ou em uma planetária, temos 3 centros instantâneos. Do método gráfico, coonsiderando centro instantâneio I3: Para engrenagem 1: Peça fixa A1 A2 B1 B2 I1 I2 I3 I1 I2 I3 R2 R1 ωb ω1R1 ωbR1 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 44 Para engrenagem 2: ω1R1 - ωbR1 = ω2R2 – ωbR2 R1(ω1-ωb) = R2 (ω2 – ωb) R1/ R2 = (ω2 – ωb) /(ω1-ωb) Caso ωb = 0, é trem simples e R1/ R2 = ω2 / ω1 O método gráfico na análise de cames Dois casos diferentes podem ocorrer, dependendo do tipo de contato do seguidor: - Cames com seguidor de contato de rolete Calculado em relação ao centro do rolete Pela equação das velocidadesrelativas: V21= V2 – V1 Repare que a construçãodo polígono de vetores (método gráfico) foi feita em 2 etapas, onde no segundo caso (mais a direita) temos a resultante entre V2 e –V1. A velocidade relativa de V21 é sempre tangente a circunferência da came. A velocidade V2 é a velocidade absoluta do seguidor. V1= ω1R1 V2= ω2R2 - Cames com seguidor de contato de ponta V2 V1 V2 -V1 V21 V21 1 2 R2 R1 1 2 R2 R1 V2 V1 V2 -V1 V21 V21 ω2R2 ωbR1 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 45 Aqui, novamente pelo método gráfico, determinamos V21. Convém destacar que com o seguidor de contato de ponta a velocidade do mesmo segue a linha do próprio elemento. Sempre que envolver velocidades relativas, o método gráfico é útil. No exemplo acima, temos velocidade relativa de P em relação a Q. O movimento circular de P em relação a Q (movimento relativo) é igual ao movimento circular de P em relação a um ponto fixo. Por isso ωr e αr (r de relativos) são iguais a ω3 e α3 (velocidade e aceleração absolutas). No caso de APQ, dR/dt =0. Então: (APQ) t = α3R e (APQ) n = (ω3) 2 R = (vPQ) 2 /R Sabendo-se que APQ = AP - AQ e uma vez que APQ pode ser determinado pela soma das componentes (APQ) t e (APQ) n e assumindo AQ conhecido, pode-se graficamente determinar a aceleração absoluta em P (termo AP). Dicas matemáticas para encontrar ponto máximo e mínimo: Lista de exercícios garfo escocês, cursor manivela, alavanca articulada e mecanismo de retorno rápido 1) Considerando um garfo escocês com velocidade de rotação de 300rpm e manivela de 5cm: a) Desenhe o gráfico da aceleração vs ângulo para um ciclo completo, considerando um passo de 45° b) Determine os ângulos e os tempos em que ocorrem as máximas acelerações negativa e positiva c) Desenhe o gráfico da velocidade vs ângulo para um ciclo completo, considerando um passo de 45° d) Determine os ângulos e os tempos em que ocorrem as máximas velocidades negativa e positiva e) Desenhe o gráfico da velocidade vs tempo para um ciclo completo, considerando um passo de tempo (em s) correspondente a um ângulo de 45° (APQ) t (APQ) n P Q αr= α3 ωr= ω3 3 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 46 2) Se a peça 2 do mecanismo de garfo escocês gira a 100 rpm, determine a velocidade máxima e a aceleração máxima da peça 4 para um curso de 10 mm. 3) Num mecanismo biela-manivela, com R=1m, L=5m e Omega=π rad/s, uma aceleração nula do cursor é alcançada quando o ângulo da manivela é de 79° e 281°. A máxima aceleração do cursor vale -11,84m/s² e ocorre quando a manivela encontra-se em 0° e 360°. A partir destas informações, calcule a máxima velocidade do cursor. Lembrando que a equação que descreve a velocidade é 2 2 2 2 sen cos sen 1 sen R x R R L L . 4) Dado o gráfico de aceleração de um mecanismo de manivela-biela, com raio de manivela de 0,5m e comprimento da biela de 4m Calcule a máxima velocidade do cursor desse mecanismo, dado que a manivela leva 1s para dar uma volta completa. Lembrando que a equação que descreve a velocidade é 2 2 2 2 sen cos sen 1 sen R x R R L L . 1,4486 4,8346 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 47 5) Para um mecanismo biela-manivela com manivela de 25mm, barra de união de 25cm e dado que o tempo para a manivela alcançar 90° é de 0,025s. a) Desenhe o gráfico da posição vs ângulo para um ciclo completo (passo de 45°) b) Desenhe o gráfico da posição vs tempo para um ciclo completo Lembrando que a equação que descreve o deslocamento é 2 2 2 cos 1 sen R x R L L . 6) Para o mecanismo de alavanca articulada abaixo, o que ocorre com a carga P caso o ângulo alfa seja muito pequeno? E caso alfa seja próximo a 90°, o que ocorre com a carga P? 7) Dê oito (8) exemplos para o uso do mecanismo biela-manivela diferentes de motores de combustão interna e de compressores. Desenhe se necessário. 8) O que é razão dos tempos? De um exemplo através de um desenho. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 48Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 49 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 50 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 51 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 52 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 53 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 54 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 55 Lista de exercícios quatro barras e cames 1) Como podem ser classificadas as cames? Desenhe um exemplo para 3 casos distintos. 2) Verifique se pelo menos uma das barras do mecanismo de quatro barras da figura a seguir será capaz de dar uma revolução completa: Dados: a = 50 cm; b = 20 cm; c = 35 cm; d = 15 cm. 3) Represente graficamente e explique o movimento de um seguidor radial de uma came de disco com de 60 mm de diâmetro e excentricidade de 18 mm. Passo de 45°. 4) Desenhar a came a partir do gráfico de deslocamento de um seguidor dado abaixo: 5)Verifique se o mecanismo de quatro barras irá emperrar quando a barra motora for posta para girar: Dados: r1 = 40 cm; r2 = 15 cm; r3 = 40 cm; r4 = 25 cm. 6) Ainda para o mecanismo de quatro barras da questão anterior, determine o ângulo de transmissão se o ângulo de entrada for igual a 52°. Calcule também a vantagem mecânica e desenhe o mecanismo. Formulário: 2 2 2 2 1 1 2 22 cosz r r rr ; 2 2 2 3 4 3 42 cosz r r r r ; 2 2 2 3 4 3 4 arccos 2 z r r r r ; 4 180 0 2 4 6 8 10 12 0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 D e sl o ca m e n to s e gu id o r [m m ] Angulo [graus] Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 56 2 2 2 4 3 4 arccos 2 z r r zr ; 2 2 2 1 2 1 arccos 2 z r r zr ; 2 2 2 3 4 3 3 arccos 2 z r r zr Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 57 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 58 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 59 Marque V para verdadeiro ou F para falso: ( ) A equação do deslocamento do mecanismo a seguir é Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 60 ( ) Considere um mecanismo de 4 barras com uma das barras sendo fixa e com 4 articulações simples que permitem apenas a rotação. Esse mecanismo possui 1 grau de liberdade. ( ) No mecanismo a seguir, quanto mais próximo o ponto de pivotamento O4 do centro da manivela O2, mais próxima da unidade (“1”) se aproxima a razão dos tempos. ( ) O mecanismo a seguir transforma o movimento de rotação (barra b) em movimento de oscilação no elemento f. 7) Dado o quatro barras, calcule ω4 pelos métodos da malha fechada e do centro instantâneo. Considere a velocidade na barra 2 igual a 10rad/s. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 61 Solução: - malha fechada Determinou-se geometricamente W4=30.(10).sen(25,91-30)/35.sen(25,91-60) = 1,09rad/s - Centro instantâneo: Determinou-se I24=4,9 4,9.w2 = 44,9.w4 49 = 44,9.w4 w4 = 1,09 rad/s Respostas: V, V,F, F Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 62 Exercício revisão de 4 barras: Velocidade da barra 2 é 5rad/s. Encontre a velocidade das barras 3 e 4. Considere o ângulo entre as barras 2 e 3 como sendo 145,56. Resolva pelos métodos da malha fechada e do centro instantâneo. É dado I13 e não é dado I24. Solução Pelo método da malha fechada: =15*(5)*sen(72,85-52)/ 40*sen(72,85-17,56) = 26,69/32,88=0,81 rad/s =15*(5)*sen(17,56-52)/25*sen(17,56 – 72,85)= -42,42/-20,55 = 2,06 rad/s Pelo método do centro instantâneo: Precisamos encontrar I23: Calculando por geometria, encontramos θ3 = 17,56°. Y=11,82m a = 15*cos(52) = 9,23 t = 11,82/(tan(17,56)) = 37,35 I24 = t – a = 28,12 Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 63 ω2 . RI24I12 = ω4. RI24I14 5 . 28,12 = ω4 . 68,12 ---> ω4 = 2,06rad/s ω2 . RI23I12 = ω3. RI23I13 5 . 15 = ω3 . 92,39 ω3 = 0,81rad/s 1)Numere as colunas de acordo com os desenhos: ( ) Came de disco e seguidor de translação de face plana deslocado ( ) Came de disco e seguidor oscilante de face esférica ( ) Came de disco e seguidor de translação com rolete ( ) Came linear com seguidor oscilante de rolete ( ) Came cilíndrica com seguidor de translação de face esférica (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 2) Qual das opções acima possui vínculo mecânico, vínculo por gravidade e vínculo por mola? Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 64 3) V ou F: ( ) A menor distância entre o centro de giro O e um ponto de contato de uma came de disco com um seguidor de ponta é o definido como raio principal 1) Resposta: 2, 7, 8, 4, 6 2) Vínculo mecânico: 6, vínculo por gravidade: 1,2,4,5,7; vínculo de mola: 8,3. 3) V 4) Dados r2=3, r3=8, r4=6, calcule r1. Considere theta2=60° e theta4=71,8°. Descubra theta 3 e r1. Dado que w1=10rad/s, calcule w3 e w4. Determine a VM. SÍNTESE GRÁFICA DE MECANISMOS Muitos projetos de mecanismos são realizados de modo interativo entre síntese e análise. Projetos baseados em análise são mais adequados para problemas quando a solução já está definida, onde o numero de variáveis é menor ou igual ao número de equações. Quando o número de variáveis é maior do que o número de equações, geralmente é indicada a síntese qualitativa. Uma forma de análise qualitativa é a análise gráfica, baseada na visualização gráfica por meio de esboços, arcos e/ou vistas ortogonais do mecanismo. A síntese do tipo é a escolha do tipo mais adequado de mecanismo para o cumrpimento de uma dada função. Exige experiência do projetista a fim de se encontrar a solução mais otimizada em termos de desempenho e custos. A síntese dimensional é a determinação dos comprimentos dos elos (ou membros) de um mecanismos. Caso hajam mais variáveis do que equações ela é qualitativa. A análise gráfica pode ser simples para determinação das posições de um mecanismo. Basta desenhar o mecanismo em escala. A vantagem do método gráfico para determinação da velocidade é a rapidez e simplicidade para se chegar a uma solução. A desvantagem é que depende da habilidade do desenhista e também se forem necessárias mais posições, o problema pode ser um tanto quanto fatigante. A síntese cinemática dos mecanismos se divide em 3: i) geração de função, onde é definido o tipo de movimento, a relação entrada e saída; ii) Geração de trajetória: onde é definida uma trajetória de um ponto que deve ser seguida pelo mecanismo; iii) Geração de movimento: onde o mecanismo projetado deverá seguir uma linha reta, podendo ser de 2 ou 3 posições, por exemplo. Os pontos mortos ou singularidades de um mecanismo são os limites do mecanismo. Em um mecanismo de 4 barras verificado por Grashoff, o ponto morto é obtido quando as barras 2 e 3 estão colinearmente sobrepostas ou estendidas. Já caso o mecanismo não sejaGrashoff, os pontos mortos ocorrem quando as barras 3 e 4 são colineares (alinhadas) ou quando as barras 2 e 3 são colineares. As posições de um mecanismo de 4 barras podem ser rapidamente determinadas a partir do conhecimento dos comprimentos de todas as barras bem como de uma único ângulo. SÍNTESE ANALÍTICA DE MECANISMOS São os métodos algébricos. São baseados em trigonometria, análise de vetores e/ou identidade de Euler. Prof. Patric Daniel Neis - MECANISMOS 65 REFERÊNCIAS American National Standard Gear Nomenclature (AGMA) 1012-F90. Definitions of Terms with Symbols, Estados Unidos, 1990. SHIEGLEY, J.; Mischke, E.; Budynas, C.R. Projeto de Engenharia Mecânica, Bookman Uicker, J.J.; Pennock, G. R.;J.; Shigley, J. E. Theory of Machines and Mechanisms, Oxford University Press, 2011.
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