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1 Aula elementos máquinas – 2ª semana FADIGA COM VIDA FINITA O nr de ciclos de carga varia com a amplitude de tensões. O gráfico tensão x nr de ciclos apresenta uma curva assumindo valores altos de tensão para baixo nr de ciclos e valores limites de fadiga para número a partir de 1000000 de ciclos . Vale para aços com limite de resistência até 1400 Mpa A tensão para vida infinita “Se” é determinada usando fatores e tensão limite de resistência Tensão de baixo ciclo -> 1000 ciclos - Nr infinito de ciclos -> considera-se nas literaturas 10^6 ciclos. Número finito de ciclos 2 Fadiga para nr finito de ciclos Para o estudo de nr finito lineariza-se o gráfico pelo eixo horizontal nr de ciclos Assim permite-se fazer equivalência de triângulos. A equivalência de triângulos permite que a variável fique dentro de uma equação e tenha o valor definido. O eixo vertical é uma escala. O lado maior tem 0,9 Sr subtraindo o valor de Se. O lado menor tem-se Sf – Se O eixo vertical também sendo uma escala. Faz-se procedimento idêntico. O lado maior é ( 6 – 3 ) e o lado menor ( 6 – log Nf ) Exemplo: Um mancal com ruptura 440 Mpa, tensão de fadiga 90 Mpa opera com 145 Mpa, qual o nr de ciclos ? 0,9 . 440 = 396 Sf = 145 Se = 90 Log Nf = ? Cateto vertical maior -> trecho AB -> 396 – 90 = 306 MPa Cateto horizontal maior , trecho BC -> 6 – 3 = 3 Cateto vertical menor -> trecho DE -> 145 – 90 = 55 Mpa Cateto menor horizontal , trecho EC -> 6 – log Nf Montando a equação = Sai Log Nf = 6 – 165/306 = 5,460785 Vida Nf = 10 ^ 5,460785 = 288924 ciclos 3 Tensões flutuantes Diagnóstico por severidade de fadiga O fato de uma peça operar no regime dinâmico faz com que seja dimensionada pelo regime de fadiga. A severidade de fadiga é tida pela amplitudade da variação de tensões, mais ainda quando for regime alternado, com compressão operada com sinal negativo na determinação da amplitude. Essa figura mostra o regime senoidal de tensão de um componente, pode ser uma biela de um compressor. O precursor desse método, Goodmann idealizou colocar em um gráfico tensão alternada e tensão média. Tensão alternada (pulsante) 4 Os ensaios permitiram marcar pontos no gráfico σa x σm Goodmann percebeu que a reta linearizada convergia para Se no eixo das tensões alternadas e para o valor de ruptura no eixo das abcissas (tensão média) Essa linha representa a região de falhas para tensões flutuantes em materiais que obedecem o regime de fadiga. Outros pesquisadores evoluíram e permitiram curvas que permitem afirmação sobre “falha” e afirmação sobre “não falha”. Esse método permite uso de equações 5 Exercício 1 - Um eixo sustenta uma roldana correia de transmissão. Aço SAE-4140 com escoamento 450 Mpa e ruptura 640 Mpa. Superfícies usinadas. Temperatura ambiente. Confiabilidade 95%. Força na roldana 2500 N Determine, em relação a sede “A” a) Tensão limite de fadiga “Se” Se = 0,5 . 640 . Ka . Kb . Kc . Kd . Ke Ka = a . Sr ^b Ka = 4,51 . 640 ^(-0,265) = 4,51 / 640^0,265 = 0,814 Kb = 1,24 / 35^0,107 = 0,848 Pela outra expressão (d/0,3)^-0,1133 -> (1,5”/0,3”) ^(-0,1133) = 0,8333 Para tamanhos > 51 mm a expressão é 1,51 . Sr ^(-0,157) Kc = 0,85 tensões axiais ( flexão em única direção) Kd = 1 temperatura ambiente Ke = 0,858 confiabilidade 95% Vem tensão de fadiga Se = (640/2) . 0,814 . 0,848 . 0,85 . 0,858 = 161 MPa b) Tensão de fadiga para vida finita de 100 mil ciclos 0,9 . 640 = 576 Sf = ? Se = 161 LogNf 6 Log 100.000 = 5 576 − 161 6 − 3 = 𝑆𝑓 − 161 6 − 𝑙𝑜𝑔100000 Log 100000 = log 10^5 = 5 log10 Log 10 = 1 Log 100000 = 5 Tem-se Sf = 299,3 Mpa c) Possibilidade de falha Momento fletor 2500 N . 0,12 m = 300 Nm Módulo resistente Wx = (3,14/32) . 0,035^3 = 0,000004207 m3 Tensão de flexão Sf = 300 / 0,000004207 = 71,3 MPa Quanto a FALHA aplica-se Gerber S máx 71,3 Mpa S mín = 0 Sm média = (71,3 + 0) / 2 = 35,65 MPA Sa alternada = (71,3 - 0) / 2 = 35,65 MPA Se fadiga 161 Mpa Sr ruptura 640 MPa Gerber , + (35,65/640)^2 = 0,2245 Como o resultado < 1 não pode afirmar que falha] Para afirmar que não falha aplica-se Soderberg , + 35,65/450 = 0,301 Como o resultado < 1 pode afirmar-se que não falha d) Fator de segurança “n” para a condição não falhar. O fator “n” incide sobre as tensões alternadas e médias, derivadas das tensões de operação O fator “n” incide sobre .Sa e Sm , + 35,65n/450 = 1 tem-se n = 3,326 Implica usar Soderberg 7 Exercício 2 - Um flange de mancal, chapa laminada SAE-1045, corpo usinado, com limite de escoamento 330 Mpa, ruptura 570 Mpa opera com tração máxima 90 MPa e compressão até 60 MPa. Tensão limite de fadiga 97 MPa. Determine: a) Tensão de fadiga para vida 300 mil ciclos b) Represente graficamente o fator de segurança efetivo para não falhar c) Faça diagnóstico de falha com fator de concentração de tensões de 1,25 Solução A] Tensão de fadiga para fida finita 300 mil ciclos “ Sf” Gráfico mostrando os dados envolvidos nessa etapa. Fazendo semelhança de triângulos vem: AB / BC = DE / EC 47712,56 97 36 97513 Sf Sf = 97 + (6-5,47712).(513-97)/3 Sai Sf = 169,5 MPa Aplicando o fator de concentração de tensões A tensão efetiva é ampliada por Kt = 1,35 Sf operacional . Kt = Sf Sf´. 1,35 = 161 Sai Sf´= 119,2 MPa B] Fator de segurança efetivo para não falhar -> Soderberg Smax 90 MPa tração 8 S min - 60 MPa compressão Média Sm =( 90 – 60 ) / 2 = 15 MPa Alternada .Sa = (90 + 60 ) / 2 = 75 MPa FS é a proporção de distâncias FS = OB / AO Pela equação de Soderberg, incluindo o fator n, vem: nãofalha Sr mn Se an 1 Igualando a 1 -> condição limite para não falhar. Fator n = 1 / ( 75 / 97 + 15 / 330 ) = 1,222 C] Diagnóstico de falha com concentração de tensões Kt = 1,25 FALHA -> Gerber O fator Kt incide nas tensões de operação .Sa e Sm Kt.Sa / Se + ( Kt.Sm/Sr )^2 = 1,25.75 / 97 + ( 1,25.15/570 )^2 = 0,968 O resultado da equação não foi < 1 logo não pode afirmar-se que falha. 9 Exercício 3 A corrente de rolos do acionamento acima opera com força de zero a 1350 kgf. O elo é construído em aço SAE-1020 com escoamento 210 Mpa e ruptura 380 Mpa, superfície laminada, um par de placas seção 2,65 x 7,4 mm. Opera a temperatura ambiente e precisa ter confiabilidade de 99%. Determine: a) Tensão limite de fadiga Se = 0,5 Sr .Ka . Kb . Kc . Kd . Ke Superfície laminada Ka = 57,7^-0,718 Ka = 57,7 / 380^0,718 = 0,811 Kb – tamanho 2,65 x 7,4 mm Tamanho de referência 0,808( 2,65 . 7,4)^0,5 = 3,58 mm Adota 0,3 “ = 7,62 mm Kb = 1,24 / 7,62^0,107 = 0,997 Kc -> tipo de tensão Tensão axial -> Kc = 0,85 Kd = 1 -> temperatura ambiente Ke = 0,814 para confiabilidade 99% 10 Chega a Se = 0,5 . 380 . 0,811 . 0,997 . 0,85 . 0,814 = 106,3 Mpa b) Verifique se com FS = 1,33 a vida é infinita ou senão indique a vida de projeto. Determinando tensões médias e alternadas Força 1350 kgf em 2 placas 2,65 , 7,4 mm Tensão máxima Smax = (0,5 . 1350 . 9,81) / (0,00265 . 0,0074) = 337,7 MPa Média σm = (338 + 0) /2 = 169 MPa Alternada σa = (338-0) / 2 = 169 Mpa A vida é finita pois tanto tensão média quanto alternada superam “Se” para fadiga infinita. Cálculo da vida de projeto c) Qual força na corrente para vida de 500 mil ciclos d)Qual potência no acionamento para roda dentada ø 195 mm e 75 rpm ? DIMENSIONAMENTO DE EIXOS Generalidades Denominamos de eixos os elementos rotativos que sustentam e interligam outros elementos de transmissão de velocidade, força, torção ou combinação do gênero. Encontramos literaturas que denominam de arvore a peça que transmite movimento associado a torção. Os esforços atuantes são: Torção Flexão Compressão (flambagem) Fadiga (tensões cíclicas) Ressonância (ocorrência na rotação crítica) 11 Materiais Aço carbono ( SAE 1045, SAE 1060, SAE-1075) processo característico: Laminado – forma normal de produção na usina. Normalizado – A usina procede tratamento térmico de homogeneização da estrutura. Trefilado – Superfície encruada pela redução de medida, proporcionando maior resistência mecânica e resistência a fadiga. Beneficiado – Tratamento térmico de têmpera seguida de revenimento. Forjado. Aço liga: Composição química alterada visando melhoria de características mecânicas. Usuais: SAE 4310, SAE 4140, SAE 8640, etc. Processos característicos: Normalizado, beneficiado, forjado. 1. EIXOS: 1.1. Generalidades Denominamos de eixos os elementos rotativos que sustentam e interligam outros elementos de transmissão de velocidade, força, torção ou combinação do gênero. Encontramos literaturas que denominam de arvore a peça que transmite movimento associado a torção. Os esforços atuantes são: Torção Flexão Compressão (flambagem) Fadiga (tensões cíclicas) Ressonância (ocorrência na rotação crítica) 12 1.2. Materiais Aço carbono ( SAE 1045, SAE 1060, SAE-1075) processo característico: Laminado – forma normal de produção na usina. Normalizado – A usina procede tratamento térmico de homogeneização da estrutura. Trefilado – Superfície encruada pela redução de medida, proporcionando maior resistência mecânica e resistência a fadiga. Beneficiado – Tratamento térmico de têmpera seguida de revenimento. Forjado. Aço liga: Composição química alterada visando melhoria de características mecânicas. Usuais: SAE 4310, SAE 4140, SAE 8640, etc. Processos característicos: Normalizado, beneficiado, forjado. 1.3 Dimensionamento Exposto a torção pura. d- Diâmetro mínimo do eixo no trecho exposto a essas características – cm Mt – Momento de torção no trecho – Kgf.cm Kt – Fator de choque e fadiga a torção – adimensional Kc – Fator de concentração de tensões τ'- Tensão de cisalhamento admissível a torção – Kgf/cm2 Adotamos dados com características que configurem segurança no dimensionamento, quais sejam: 13 Mt – Momento de torção maior em toda as situações e combinações durante a vida na forma prevista pelo projeto. Kt – Valor adotado. Indica-se a faixa 1,0 <= K1 <= 1,9 situa-se na faixa em função da variação brusca e ampliações em relação ao torque médio de cálculo. Como referência indicamos o fator de segurança usado para redutores engrenagens cilíndricas. Kc – Indica-se a faixa 1,0 <= Kc <=2,5. Ver gráficos a seguir permitindo selecionar valores função da forma real do eixo. τ' – Adotamos para o aço 2/3 da tensão admissível a flexão. Para mecanismo de engrenagem a torção não poderá ultrapassar a proporção de 0,26º por metro. Para sede com rasgo de chavetas a tensão admissível é reduzida a 25%. Tensão crítica: Escoamento – quando alongamento >= 25%. Aço temperado ou cujo alongamento < 5%. FS- Fator de serviço ao cisalhamento 2,5 ≤ FScis ≤ 6. Momentos de cálculo: Trecho AB → Mt1 (operação) Trecho BC → Mt2 (frenagem) 1.2.1. Dimensionamento para flexão pura Mx – Momento fletor máximo no trecho, originado por cargas no plano XY. 14 Mv – Momento fletor máximo no trecho, originado por cargas no plano XX. Kf – Coeficiente de choque e fadiga a flexão. Indica-se a faixa 1,0 <= Kt <= 1,9 situa- se na faixa em função da variação brusca e ampliações em relação a flexão média de cálculo. Kc – Idem ao item 3.1. σ' – Tensão admissível a flexão. 2,0 ≤ FS ≤ 4,5 Momento fletor é uma grandeza vetorial, isto é, associa-se a direção e sentido. Dessa forma, o momento resultante MR é soma vetorial de Mx e My. Ao usar tensão limite de fadiga, pulsos não cíclicos são absorvidos pela diferença de valores, condição que permite FS entre 1,25 e 2. 1.2.2. Combinação de momentos – Flexo-torção Metodologia – fundamentos: a) Quando deduzimos a fórmula para as tensões atuantes em flexão e torção, notamos: Características Flexão Torção Momento de Inércia Ao plano (normal) Polar, ao eixo Tensão Normal a seção Cisalhamento Na busca de uma expressão que retrate a combinação, percebemos termos distintos sendo: A constante procedente da inércia. Tensão de cisalhamento e flexão. TORÇÃO PURA - d^3 = 16 M6 . Kf. Fs / ( π.Se) 15 Em regime dinâmico a tensão adotada é o limite de fadiga e o fator de segurança entre 1,25 e 2,0 FLEXÃO PURA - d^3 = 32 Mf . Kf. Fs / ( π.Se) Kt e Kf são fatores de concentração de tensões Fs é o fator de segurança FLEXÃO E TORÇÃO SIMULTÂNEAS d^3 = (32 Fs / π). [(Mf . Kf)^2+0,75 . Mt^2]^0,5 O estudo das tensões máximas no estado plano, Círculo de Mohr, encontramos: Se – Tensão limite de fadiga Kc – Fator conc. Tensões Mt – Momento torçor Mf – Momento fletor RIGIDEZ E TORÇÃO Para mecanismos, a norma américa AGMA “American Gear Manufacturing Association” restringe o ângulo de torção em 0,26º por metro linear ou proporcional em trechos mais curtos. Equivale a 0,00454 rad/100cm. Ɵ – Ângulo de torção em graus. L – comprimento em cm. Adotamos L=100 para retratarmos o comprimento proporcional de 100cm (1 metro) por ser o comprimento referência. 16 G – Módulo de resistência transversal 805000 <= G <= 820000 Kg/cm2 para aços. FLAMBAGEM DO EIXO É a tendência que um eixo esbelto, sob carga axial de compressão representativa teria de apresentar instabilidade (curvaturas, deformações laterias, etc). ρ = d/4 para seções cilíndricas. S = área de seção. Jmin = Inércia menor/planos. E = Mod. Resistência = 2,1 x 106 Kgf/cm para o aço. Γc= Tensão admissível a compressão. 1.3. ESCALONAMENTO DE EIXO A forma final do eixo é concebida atendendo o φ mínimo por trecho e degraus adequados a montagem dos demais elementos acoplados. É normal a adoção de ressaltos para encosto lateral de engrenagens, polias, rodas, rolamentos, etc. ESCALONAMENTO DE EIXO 17 A forma final do eixo é concebida atendendo o φ mínimo por trecho e degraus adequados a montagem dos demais elementos acoplados. É normal a adoção de ressaltos para encosto lateral de engrenagens, polias, rodas, rolamentos, etc. Expressões e gráficos para dimensionamento 𝑇𝑜𝑟çã𝑜 𝑝𝑢𝑟𝑎 𝑑 = 16. 𝑀𝑡. 𝐾𝑡. 𝐹𝑠 𝜋𝑆𝑒 [𝑚] 18 𝐹𝑙𝑒𝑥ã𝑜 𝑝𝑢𝑟𝑎 𝑑 = . . . [𝑚] Flexão e torção combinados 223 .75,0).( .14,3 .32 MtkfMf Se FS d Exemplo 1 - Eixo motriz de elevador industrial por corrente de rolos. Aço SAE-1045 com limite de escoamento 350 MPa, ruptura 560 MPa, Temperatura ambiente, dimensão de referência 65mm para fadiga, confiabilidade 95%. Carga 17 kN. Elevação a 14 metros / min. Fator de concentração de tensões 2,2 nos trechos com chaveta e de segurança 1,5. A] – Determine a tensão limite de fadiga. Se = 0,5.Sr . Ka . Kb . Kc . Kd . Ke Ka – superfície Pela tabela a = 4,51 e b= -0,265 Ka = 4,51 / 560^0,265 = 0,843 19 Kb – tamanho Dado tamanho referência 65 mm 65 > 51 enquadra na expressão Kb = 1,51 / d^0,157 Kb = 1,51 / 65^0,157 = 0,784 Kc – tipo de tensão Torção e flexão -> Kc = 0,59 (prevalece o menor valorna faixa) Kd – Temperatura Temp ambinente -> Kd = 1 Ke – confiabilidade Para 95% -> Ke = 0,858 Vem Se = 0,5.560 . 0,843 . 0,784 . 0,59 . 1 . 0,858 Tensão limite de fadiga Se = 93,7 MPa B] – Calcule as reações e momentos por trecho Mf = 8270 (0,19) = 1571 Nm 20 C] –Calcule os diâmetros mínimos por trecho Trecho AB Flexão pura 𝑑 = 32. 𝑀𝑓. 𝐾𝑓. 𝐹𝑠 𝜋𝑆𝑒 [𝑚] 𝑑 = 32.1571.2,2.1,5 𝜋. 93700000 = [0,0826𝑚] . dAB min 82,6 mm 21 22 E] – faça esboço com cotas 23 F] Calcule o peso 24 Exercício 2 O acionamento de uma esteira transportadora esquema abaixo adota eixo SAE-1060 com escoamento 390 MPa, Ruptura 760 MPa. Todo usinado, opera a temperatura ambiente. O peso no tambor é de 9,2 kN, as forças nas esteira 20 kN em cima e 9 kN embaixo. O acionamento é feito por correia dentada no diâmetro primitivo Dp 360 mm. Confiabilidade 90%. Tamanho de referência para fadiga ø 105 mm. Fatores concentração de tensões 2,2 e segurança 1,5. Dimensione e faça esboço do eixo Solução Diagrama de cargas a) Tensão limite de fadiga Se = 0,5.Sr . Ka . Kb . Kc . Kd . Ke Ka – superfície Pela tabela a = 4,51 e b= -0,265 Ka = 4,51 / 760^0,265 = 0,778 Kb – tamanho Dado tamanho referência 105 mm 105 > 51 enquadra na expressão Kb = 1,51 / d^0,157 25 Kb = 1,51 / 105^0,157 = 0,727 Kc – tipo de tensão Torção e flexão -> Kc = 0,59 (prevalece o menor valor na faixa) d – Temperatura Temp ambinente -> Kd = 1 Ke – confiabilidade Para 90% -> Ke = 0,897 Vem Se = 0,5.760 . 0,778 . 0,727 . 0,59 . 1 . 0,897 Tensão limite de fadiga Se = 113,7 MPa b) Calcule reações e momentos no plano vertical Por simetria, Va = Vd = 4,6 kN Mb = 4600 . 0,23 = 1058 Nm Mc = 4600 . 0,23 = 1058 Nm c) Calcule reações e momentos no plano horizontal A força na correia equilibra / gera torque para a diferença de forças na correia 26 Determinando a força horizontal na correia Equilíbrio de torques Raio de 410mm no tambor é 0,205 m Raio de 360 mm na polia é 0,18 m (20000-9000).0,205 = He . 0,18 Tem-se He = 12528 N Usando equilíbrio de momentos no ponto A Hd . (0,23+0,23+0,75) + 12528 . 1,42 = 14500 . 0,23 + 14500 . 0,98 Sai Hd = -202 N ( o sinal negativo significa inversão do sentido, força para baixo) Soma das forças verticais 14500 + 14500 + 202 = 12528 + Ha tem-se Ha = 16674 N Mb = 16674 . 0,23 = 3835 Nm Mc = 12528 . 0,44 – 202 . 0,23 = 5466Nm Md = 12528 . 0,21 = 2631 Nm d) Faça o gráfico de momentos torsores 27 e) Calcule diâmetros mínimos por trecho Trecho AB – Flexão pura Mf vertical 1058 Nm Mf horizontal 3835 Nm Mf resultante 3978 Nm fazendo soma vetorial 𝐹𝑙𝑒𝑥ã𝑜 𝑝𝑢𝑟𝑎 𝑑 = 32. 𝑀𝑓. 𝐾𝑓. 𝐹𝑠 𝜋𝑆𝑒 [𝑚] Diâmetro mínimo d^3 = 32 . 3978 . 2,2 . 1,5 / ( 3,14 . 113,7E6) Sai d mínimo 105,6 mm Trecho BC Mf vertical 1058 Nm Mf horizontal 5466 Nm Momento torsor 1127,5 Nm Mf resultante 5567 Nm fazendo soma vetorial Flexão e torção 223 .75,0).( .14,3 .32 MtkfMf Se FS d 223 5,1127.75,0)2,2.5567( 67,113.14,3 5,1.32 E d Sai diâmetro mínimo 118,2 mm Trecho CD 28 Mf vertical 1058 Nm Mf horizontal 5466 Nm Momento torsor 2255 Nm Mf resultante 5567 Nm fazendo soma vetorial Flexão e torção 223 .75,0).( .14,3 .32 MtkfMf Se FS d 223 2255.75,0)2,2.5567( 67,113.14,3 5,1.32 E d Sai diâmetro mínimo 118,6 mm Trecho DE Mf 2631 Nm Momento torsor 2255 Nm Flexão e torção 223 .75,0).( .14,3 .32 MtkfMf Se FS d 223 2255.75,0)2,2.2631( 67,113.14,3 5,1.32 E d Sai diâmetro mínimo 93,6 mm f) Faça esboço do eixo 29
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