Relatório- Molas Helicoidais de compressão

Prévia do material em texto

UNIFAVIP | WYDEN 
CENTRO UNIVERSITÁRIO DO VALE DO IPOJUCA 
COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
Clevyson Dias Barbosa Silva 
Jefferson Amorim dos Santos 
Júlio Carlos da Silva 
Letícia Tavares Costa Gomes 
 
 
 
 
 
ELEMENTOS MECÂNICOS DE UNIÃO 
MOLA HELICOIDAL DE COMPRESSÃO 
 
 
 
 
 
CARUARU 
2020 
2 
 
Clevyson Barbosa Silva 
Jefferson Amorim dos Santos 
Júlio Carlos da Silva 
Letícia Tavares Costa Gomes 
 
 
 
 
ELEMENTOS MECÂNICOS DE UNIÃO 
MOLA HELICOIDAL DE COMPRESSÃO 
 
 
 
 
 
Relatório apresentado como requisito de 
pontuação referente à segunda avaliação 
da disciplina elementos mecânicos de 
união, pela UNIFAVIP-WYDEN. 
Professor(a): Dr Allysson Ramos 
 
 
 
 
 
 
CARUARU 
2020 
3 
 
LISTA DE FIGURAS 
FIGURA 1- MOLAS HELICOIDAIS DE COMPRESSÃO..............................................5 
FIGURA 2.a- MOLA HELICOIDAL DE COMPRESSÃO..............................................6 
FIGURA 2.b- ESFORÇOS EM MOLAS HELICOIDAIS................................................6 
FIGURA 4- FATOR WAHL KW.....................................................................................7 
FIGURA 5- FATOR KS.................................................................................................7 
FIGURA 6- VALOR RECOMENDADO KS...................................................................8 
FIGURA 7- FÓRMULA TENSÃO PARA CARREGAMENTO ESTÁTICO...................8 
FIGURA 8- FÓRMULA TENSÃO PARA CARREGAMENTO DINÂMICO....................8 
FIGURA 9- FÓRMULA DEFLEXÃO.............................................................................8 
FIGURA 10- CONSTANTE DE MOLA..........................................................................8 
FIGURA 11- GRÁFICO DOS VALORES DOS FATORES KW E KS...........................9 
FIGURA 12- MOLA DE SUSPENSÃO........................................................................10 
FIGURA 13- MOLA HELICOIDAL..............................................................................10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................5 
2 REFERÊNCIAL TEÓRICO ................................................................................6 
2.1 Esforços em Molas Helicoidais.......................................................................6 
2.2 Resistência de molas helicoidais...................................................................9 
3 ESTUDO DE CASO.........................................................................................10 
3.1 Sistema de suspensão automotiva...............................................................10 
3.2 Funcionamento do sistema de suspensão...................................................11 
3.3 Sistema dependente.......................................................................................12 
3.4 Sistema de Suspensões independentes.......................................................13 
4 CONCLUSÃO....................................................................................................14 
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
As molas são um importante elemento mecânico e sua função 
basicamente é armazenar a energia mecânica, ou seja, podemos definir a mola 
como sendo dispositivo que armazene a energia potencial esticando as 
ligações entre os átomos de um material elástico. Qualquer elemento mecânico, 
metálico ou não, pode ser considerado uma mola. Quando consideramos que 
todos os elementos possuem alguma elasticidade ou respondem elasticamente 
a um determinado esforço, por menor que seja essa resposta, podemos então 
concluir que esse elemento é uma mola. O fato é que essa resposta elástica irá 
depender do tipo de material que o objeto é composto. Então, desde que a 
solicitação não cause nenhuma deformação plástica, ainda existe uma 
resistência a deformação que irá responder ao esforço aplicado atuando contra 
esse esforço. As molas possuem os mais diversos modelos e seu modelo 
depende do problema a ser solucionado. É dever do engenheiro saber projetar 
ou escolher a mola que melhor atendera. 
As mais comuns encontradas na engenharia são as molas com formato 
de alavancas, helicoidais, planas, prato e as de tensão constante. As molas 
helicoidais são as mais utilizadas e podem ser vistas em torno do amortecedor 
de carros, e demais veículos, nos suportes de máquinas ferramenta e em uma 
infinidade de outros lugares, nas mais diversas aplicações. 
As Molas Helicoidais de Compressão são utilizadas em diversas 
aplicações, sendo o modelo mais comum entre os tipos de molas que 
encontramos no mercado. Sua construção é de certa forma fácil de ser 
compreendida, ao analisar você verá um fio que se enrola de forma espiral, as 
molas helicoidais possuem a flexibilidade ideal para ser esticada e voltar ao seu 
estado de equilibro. 
 
Figura 1. Molas helicoidais de compressão 
6 
 
2 REFERENCIAL TEÓRICO 
2.1 Esforços em Molas Helicoidais 
 
A figura 2.a mostra uma mola helicoidal de compressão. Nessa figura, uma 
força F é aplicada no sentido de fechar a mola de diâmetro médio D. O ângulo 
λ é chamado de ângulo de hélice e representa a inclinação das espiras da mola. 
Se cortarmos o fio dessa mola em qualquer ponto, os esforços para equilibrá-la 
serão uma força cortante, para que não haja movimento linear, e um torque, 
para que não haja rotação devida ao deslocamento de meio diâmetro D entre a 
força de atuação e a que a equilibra no fio. Estes esforços estão mostrados na 
figura 2.b. 
 
 
 
 
Da mesma forma que na barra de torção, o torque na mola helicoidal torce 
o fio quando a carga é aplicada. Assim, para que haja deformação linear da 
mola, deve haver deformação angular do fio. Interessante notar que as tensões 
causadas pelo cisalhamento devido à força cortante e pelo cisalhamento devido 
ao torque se somam na parte interna do fio da mola. Nessa região a 
tensão é máxima, enquanto que na região externa do fio é mínimo, já que as 
tensões atuam em sentidos diferentes. 
7 
 
As molas helicoidais de tração também sofrem os mesmos esforços. As 
tensões são maiores também na região interna do fio. Além disso, as molas de 
tração possuem gancho, o que pode levar a concentração de tensões devido à 
curvatura. A relação entre os diâmetros da mola (médio) e do fio é chamada de 
Índice de Mola C. 
 
Esse valor indica o quanto o fio deve ser curvado para formar o diâmetro médio 
D. Fios com menores índices de mola têm maiores curvaturas. A curvatura em 
uma mola é responsável pelo aumento das tensões originais. Os fios têm maior 
rigidez no lado interno do que no lado externo, já que o comprimento a ser 
torcido é menor internamente. O aumento da rigidez causa um aumento na 
tensão. A composição do aumento da rigidez com o fato de que as tensões 
devidas aos esforços se somam no lado interno dos fios é levada em conta 
através do fator de Wahl, nomeado a partir do pesquisador A.M. Wahl, da 
Whestinghouse Corporation. O fator de Wahl Kw é utilizado para solicitação 
variável. Para solicitação estática, o fator KS deve ser usado. Os fatores Kw e 
KS são apresentados nas equações 4 e 5, respectivamente. 
 
 
 
Pode-se notar que o fator KS é o fator Kw com o primeiro termo igual a 
um. Isso se dá porque o primeiro termo se refere à curvatura, ou seja, é um fator 
de concentração de tensões. Para a carga estática, a concentração de tensões 
não é considerada. O fator KS de Wahl leva em conta um coeficiente de 
segurança embutido de cerca de 23% sobre a carga estática. Para as 
aplicações usuais, o coeficiente de segurançaé estimado apenas na 
comparação final entre as tensões. Assim, é recomendável substituir o termo 
0,615 por 0,5 na equação 5. O valor recomendado de KS é então: 
8 
 
 
 
As equações anteriores foram colocadas em função de C.K porque isso 
permite o cálculo sem a variável D, durante o projeto. Algumas vezes, quando 
não se definiu D inicialmente, pode ser adequado utilizar essa forma. A figura 3 
mostra os valores de Kw, KS, C.Kw e C.KS em função do índice de mola C. 
Nessa figura é mostrada a faixa de dimensões valores recomendados para C 
em molas de compressão com extremidades retificadas ou não, o que pode 
auxiliar no projeto. O valor da deflexão em uma mola helicoidal pode ser 
calculado a partir do método de Castigliano. O resultado para a deflexão δ de 
uma mola com N espiras ativa, sob ação de uma força F, é mostrado na equação 
9. Como a constante de mola k é definida como o esforço F 
dividido pela a deflexão, o seu valor pode ser calculado conforme a equação 10: 
 
 
 
 
9 
 
 
Figura 11. Valores dos Fatores Kw e KS para molas helicoidais. 
 
2.2 Resistência de molas helicoidais 
 
A resistência dos fios de molas helicoidais depende do diâmetro do fio, 
devido ao processo de fabricação. Fios menores têm uma maior parte de sua 
seção transversal afetada pelo processo de estiramento, tornando-se mais 
resistentes. Para melhor entendimento é recomendado ver o gráfico de 
resistência a tração (Su) dos materiais mais comuns em função do diâmetro 
do fio. Para evitar que a mola "assente", ou seja, diminua de tamanho em 
serviço devido a deformação plástica por carregamento excessivo, as molas 
são projetadas para que não haja escoamento significativo. Para tanto, 
estudos mostraram que a tensão limite em materiais ferrosos para que não 
haja uma deformação maior do que 2% é de 0,45.Su. Para outros materiais 
não ferrosos, o valor limite é de 0,35.Su. Essa tensão limite deve ser utilizada 
para comparar com a tensão que leva ao comprimento sólido (τS), que é o 
comprimento da mola com todas as espiras encostadas umas nas outras. 
10 
 
Quando a mola sofre um pré-assentamento durante a sua fabricação, o efeito 
é uma tensão residual no sentido inverso da aplicação da carga. Essa tensão 
é benéfica para aplicação de solicitações posteriores no mesmo sentido. Para 
levar o pré-assentamento em conta, convencionou-se aumentar a tensão 
limite. Dessa forma, a tensão limite em materiais ferrosos é de 0,65.Su. Para 
outros materiais não ferrosos, o valor limite é de 0,55.Su. A fim de não permitir 
que as espiras se fechem totalmente sob carregamento em serviço, é 
recomendável deixar uma folga de cerca de 10% da deflexão máxima, que é 
a deflexão sob carga máxima. Assim, molas geralmente trabalham sem que 
as espiras encostem umas nas outras. Essa recomendação vem do fato de 
que, quando a mola se aproxima do comprimento sólido, algumas espiras vão 
se fechar primeiro, alterando o valor da constante de mola e modificando o 
comportamento da mola como um todo. 
 
 
4 ESTUDO DE CASO 
3.1 Sistema de suspensão automotiva 
O sistema de suspensão automotiva é utilizado para proporcionar conforto 
aos ocupantes do veículo, proteção dos sistemas mecânicos e maximizar o 
contato do pneu no solo. Ele é necessário devido às irregularidades encontradas 
no solo durante o trajeto. Esse sistema de suspensão é integrado por molas 
helicoidais e amortecedor entre outros componentes. O primeiro consiste na 
resistência elástica a uma carga e o segundo na capacidade de absorver parte 
da energia de uma mola após esta ter sido comprimida. 
 
 
 
 
 
 Figura 12-Mola de suspensão Figura 13- Mola helicoidal de compressão 
11 
 
O sistema de suspensão automotiva é constituído por alguns 
componentes, sendo eles: 
• Mola: responsável pela suavização dos movimentos verticais devido às 
irregularidades do solo, garantindo o conforto dos ocupantes; 
 
• Amortecedor: responsável pela dissipação de energia, armazenadas 
pelas molas; 
 
• Barra estabilizadora: responsável por estabilizar o chassi em uma curva, 
evitando que ele gire, e assim diminuindo o risco de capotamento; 
 
• Pinos esféricos: fazem ligação entre as partes suspensas (chassi e 
carroceria) e as partes não suspensas (cubo de roda manga de eixo e 
telescópio); 
 
• Bandeja: controla o posicionamento das molas e amortecedores, 
permitindo a articulação das rodas na suspensão. 
 
 
3.2 Funcionamento do sistema de suspensão 
 
O sistema de suspensão pode ser dividido em dois grupos: sistema 
dependente (eixos rígidos) e independente. No sistema dependente, o 
movimento vertical de uma roda implica no movimento vertical da outra que se 
encontra no mesmo eixo. Já no sistema independente, os movimentos verticais 
das rodas são independentes. 
Na Figura 14 é possível ver de forma detalhada o sistema de suspensão 
automotiva e seus componentes. 
 
 
 
 
12 
 
3.3 Sistema dependente 
É um sistema caracterizado por um eixo rígido transversal unindo as rodas 
traseiras ou dianteiras. Existem dois tipos de suspensão dependente: com feixe 
de molas e com molas helicoidais. 
A suspensão dependente de feixe de molas é pouca utilizada em veículos 
de passeio por conta da falta de conforto, sendo direcionado o seu uso para 
veículos pesados. Já a suspensão dependente de molas helicoidais proporciona 
um maior conforto, são mais leves e ocupam um menor espaço (GILLESPIE, 
1992). 
Em geral, o sistema dependente tem como vantagem a simplicidade na 
construção e baixo custo, sendo utilizada em veículos comerciais. 
As Figuras 2 e 3 mostram os dois tipos de sistema de suspensão de eixo 
rígido utilizando molas helicoidais e feixe molas, respectivamente. 
 
 
 
 
 
 
 
13 
 
3.4 Sistema de Suspensões independentes 
 
Diferente do eixo rígido, essa suspensão promove maior rigidez a rolagem 
relativamente à rigidez vertical. Existem vários tipos de suspensão 
independente: feixe de molas, barra de torção, feixe de torção, hidropneumática 
e MacPherson. 
A suspensão MacPherson é atualmente uma das mais utilizadas na 
dianteira de veículos de passeio de pequeno e médio porte, com tração 
dianteira. A suspensão MacPherson é um tipo de suspensão automotiva com 
maior altura, contendo molas helicoidais e amortecedores telescópicos. Esse 
tipo de suspensão é empregado em cerca de 70% das suspensões dianteiras 
dos veículos populares (FREITAS JÚNIOR, 2006). 
A fixação superior do amortecedor é feita direto na carroceria ou chassi. 
O amortecedor além de gerar carga axial de sentido contrário ao da velocidade 
de oscilação da roda, passa a suportar cargas laterais e longitudinais. A fixação 
inferior do amortecedor é feita direto na manga de eixo. Esse sistema de 
suspensão tem como vantagem o baixo custo, o arranjo compacto, a facilidade 
de montagem e o espaço livre para o motor quando montado na posição 
transversal (FREITAS JÚNIOR, 2006). 
As Figuras 4 e 5 mostram a suspensão dianteira do tipo MacPherson e os 
componentes da parte superior da mesma. 
 
 
14 
 
4 CONCLUSÃO 
Concluiu-se que as molas helicoidais de compressão são muito 
procuradas devido à sua capacidade de atuar com eficiência em sistemas 
mecânicos. São comuns em diversas aplicações industriais e em produtos para 
o consumidor, as mesmas podem ser confeccionadas a partir de diversas 
matérias-primas diferentes e alcançar um número amplo de modelos. A eficácia 
da aplicação de materiais compósitos na fabricação de molas helicoidais para 
suspensão automotiva ainda é baixa quando comparada com os aços molas, 
pois tem um maior custo em sua produção e não é relativamente fácil de ser 
fabricada, apesar do fornecimento de grandes vantagens como: baixo peso e 
melhores propriedades mecânicas. 
 
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
SANTOS JÚNIOR, Elementos de máquinas I, apostila para curso Prof. Dr.Auteliano Antunes do departamento de projeto mecânico, FEM – UNICAMP. 
2001 
FREITAS JÚNIOR, Luís Mauro Pereira. Estudo da dinâmica vertical de 
uma suspensão veicular do tipo Macpherson. 2006. 139 f. Dissertação 
(Mestrado em Engenharia Mecânica). 
 
Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo. São 
Carlos, 2006. GIlLESPIE, Thomas D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. 
Society of Automotive Engineers. p. 237-47, 1992. 
 
GILINI JÚNIOR, Devaldo. Sport cars. Disponível em: <blogs.odiario.com> 
Acesso em: 05 set.2015. HATTORI, Carolina Sayuri. Comparação de molas de 
suspensão temperadas e revenidas enroladas a quente e a frio. 2012. 98 f. 
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais). Universidade 
Presbiteriana Mackenzie. São Paulo. 2012.