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ENGENHARIA MECÂNICA TURMA– 7ª SÉRIE A autor Haroldo Henrique Botan RA: 1054023162 coautor1 Leandro Ap. Sampaio RA: 5006153740 coautor2 Thiago Augusto RA: 1041967095 coautor3 Jonathan Prado de Souza RA: 1072136849 coautor4 Rômulo Regiani RA: 1073131050

Coautor5 Rodolfo Regiani RA: 1073131007

Anhanguera Educacional S.A.

Correspondência/Contato

Av. Eduardo Andrea Matarazzo, 891 Ribeirão Preto, São Paulo CEP 14.030-971 Felipe.ottoboni@aedu.com

Coordenação

Instituto de Pesquisas Aplicadas e Desenvolvimento Educacional - IPADE

Artigo Original / Informe Técnico / Resenha

Atividade prática supervisionada de elementos de máquinas.

Resumo

Elementos de máquinas são os elementos encontrados em todas as máquinas existentes. Com esses elementos obtemos o funcionamento e a vida útil das máquinas através de eixos, parafusos, mancais, engrenagens etc. Estudar elementos de máquinas é muito importante porque descreve os tipos principais de uniões por soldagem encontrados na prática e os esforços que sofrem. A partir da estimativa da resistência, seja para o carregamento estático ou dinâmico, demonstra como projetar a união, permitindo o cálculo das dimensões das soldas ou da segurança em utilizar soldas previamente dimensionadas.

09/04/12

DESAFIO Elementos de máquinas são os elementos encontrados em todas as máquinas existentes. Com esses elementos obtemos o funcionamento e a vida útil das máquinas através de eixos, parafusos, mancais, engrenagens etc. Na maioria das vezes esses elementos seguem normas de padronização, podendo ocorrer variações para ajuste ou melhoramento do processo das máquinas. Como desafio para esta ATPS, a equipe foi designada para encontrar uma solução de transporte de uma carga fabricada. Essa equipe deve construir um guindaste para transportar um conjunto de caixas que foram fabricadas para dentro do container. No momento essa empresa está em contenção de custos e não pode fazer a aquisição de um guindaste, por isso ele deve ser construído, levando em consideração todos os esforços envolvidos e os dados levantados.

Figura – guindaste

Fonte: https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7aUnlGWUpXTm5oRW8. Acesso em 14 abr. 2012.

Objetivo do desafio Entregar os relatórios parciais durante o semestre para acompanhamento do professor. Construir um protótipo desse guindaste em escala como entrega final.

ETAPA 1 (tempo para realização: 03 horas) Aula-tema: a perspectiva de prevenção da falha. Essa atividade é importante para poder assegurar que o projeto proposto funcionará como pretendido de modo seguro e confiável. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS Passo 1 (Equipe) Definir quais serão os dados que a equipe irá utilizar para calcular todo o projeto do guindaste. Somar os últimos algarismos dos RAs dos integrantes do grupo e identificar os dados na tabela abaixo:

Final somatória valor carga

Final somatória valor carga 16000 lbf66500 lbf 23000 lbf73500 lbf 32500 lbf82750 lbf 44500 lbf98500 lbf

55200 lbf07200 lbf Quadro 1 – Dados de Carga

Somatória dos RA’s 1054023162 + 5006153740 + 1041967095 + 1072136849 + 1073131050 + 1073131007

= 23 usar final 3 carga = 2500 lbf = 119,7006424 KPa

Passo 2 (Equipe) Fazer uma pesquisa dos tópicos abaixo, de modo a entender quais as possíveis falhas que podem ocorrer dentro de um projeto mecânico:

1- Deformação Elástica 3

Ocorre quando á deformação elástica (recuperável), devido à carregamentos ou temperatura, é tanta que o funcionamento adequado do item não é mais possível. A deformação ocorre quando é aplicada uma tensão ou variação térmica que altera a forma de um corpo. Na deformação elástica, o corpo retorna ao seu estado original após cessar o efeito da tensão. Isso acontece quando o corpo é submetido a uma força que não supere a sua tensão de elasticidade (Lei de hooke).

2- Escoamento Ocorre quando a deformação plástica (não recuperável) de um componente dúctil, devido á carregamentos ou movimento, se tornam elevada o suficiente para interferir no desempenho. Limite de escoamento, também chamado de tensão de cedência ou tensão de limite elástico, ou tensão de escoamento, é a tensão máxima que o material suporta ainda no regime elástico de deformação, se houver algum acréscimo de tensão o material não segue mais a lei de Hooke e começa a sofrer deformação plástica (deformação definitiva). Onde k é o módulo de elasticidade ou Módulo de Young.

3- Indentação 4

Quando forças estáticas entre duas superfícies acabam por promover o escamento de uma delas ou de ambas.

4- Fratura Frágil É chamada de falha catastrófica e ocorre quando a deformação elástica (recuperável) de um componente que apresenta comportamento frágil é conduzindo ao extremo, quebrando as ligações interatômicas e o componente se separa em duas ou mais partes. Neste modo de fratura o material se deforma pouco antes de fraturar. O processo de propagação de trinca pode ser muito veloz, gerando situações catastróficas e uma deformação plástica muito pequena no material adjacente à fratura. A partir de certo ponto a trinca é dita instável, visto que se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada no material. Uma ruptura completamente frágil, por clivagem, apresenta facetas planas que refletem a luz.

5- Fadiga 5

Nome dado à fragmentação repentina de um componente. Normalmente ocorre através da propagação de um trinca, resultante da aplicação de cargas ou deformações variáveis por um período de tempo. Essa falha ocorre por meio da iniciação e propagação de uma trinca. Normalmente os carregamentos e as deformações que causam esse tipo de falha são tipicamente muito inferiores à aqueles da falha por carregamento estático. Fadiga mecânica é o fenômeno de ruptura progressiva de materiais sujeitos a ciclos repetidos de tensão ou deformação. O estudo do fenômeno é de importância para o projeto de máquinas e estruturas, uma vez que a grande maioria das falhas em serviço são causadas pelo processo de fadiga, cerca de 95%. A falha por fadiga ocorre devido a nucleação e propagação de defeitos em materiais devido a ciclos alternados de tensão/deformação. Inicialmente as tensões cisalhantes provocam um escoamento localizado gerando intrusões e extrusões na superfície; isto aumenta a concentração de tensões dando origem a uma descontinuidade inicial. À medida que esta descontinuidade vai ficando mais "aguda" a mesma pode começar a propagar gerando uma "trinca de fadiga" cujo tamanho aumentará progressivamente até a fratura do componente.

6- Corrosão Deterioração não desejada do material por meios de processos químicos ou eletroquímicos. Normalmente interage com outros modos, como desgaste ou fadiga. A corrosão em metais é a destruição ou deterioração de um material por causa de reações químicas e / ou eletroquímicas, levando os metais a retornarem ao seu estado natural, abandonando seu atual.

7- Desgaste Mudanças cumulativas não desejadas na dimensão do item, causada pela gradual remoção de partículas de suas superfícies móveis em contato, resultante de ação mecânica. Desgaste é a perda progressiva de material devida ao movimento relativo entre a superfície e a substância com a qual entra em contato. Está relacionado com interações entre as superfícies e, mais especificamente, a remoção e a deformação do material sobre uma superfície como resultado da ação mecânica da superfície oposta. A necessidade de movimento relativo entre as duas superfícies de contato e mecânica inicial entre asperezas é uma importante distinção entre desgaste mecânico em comparação com outros processos com resultados semelhantes.

8- Flambagem É a falha que ocorre quando uma combinação crítica de magnitude ou ponto de aplicação da carga, juntamente com a geometria do componente, faz que com uma deflexão seja criada, não mais possibilitando que o componente execute sua função.

A flambagem é considerada uma instabilidade elástica, assim, a peça pode perder sua estabilidade sem que o material já tenha atingido a sua tensão de escoamento. Este colapso ocorrerá sempre na direção do eixo de menor momento de inércia de sua seção transversal. A tensão crítica para ocorrer a flambagem não depende da tensão de escoamento do material, mas da seu módulo de Young.

Sites sugeridos para pesquisa • COSTAI, E. M. Falha ou Ruptura nos Metais. Disponível em: <https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7acDk4bFpKOXdOd1k>. Acesso em: 14 abr. 2012. Bibliografia complementar • NIEMANN, Gustav. Elementos de máquinas. 1ª ed. São Paulo: Blucher, 2009. Passo 3 (Equipe) – Verificar etapa 2 passo 3 Identificar no projeto do guindaste quais serão os modos de falha predominantes. Através dos cálculos, identificar se é previsto ocorrerem falhas no conjunto.

Passo 4 (Aluno) Entregar ao professor da disciplina, em uma data estipulada por ele, um relatório chamado: Relatório 1 – Prevenção de falha, contendo a pesquisa da questão do Passo 2 e os cálculos realizados no Passo 3, dessa Etapa.

ETAPA 2 (tempo para realização: 05 horas) Aula-tema: transmissão de potência através de eixos, acoplamentos, chavetas e estrias.Essa atividade é importante para aprender a definir o dimensional do eixo utilizado, qual seu material e qual o perfil utilizado. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS Passo 1 Definir, através do tipo de construção, qual será o material utilizado para a construção do eixo de sustentação da “moitão” do guindaste. Sites sugeridos para pesquisa • AÇOS VIC. Resumo dos principais aços para construção mecânica. 2012. Disponível em: <https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7adVN0dE5TMEJTejg>. Acesso em: 14 abr. 2012. • ENGEMET. Aços ligados para eixos, hastes e parafusos especiais. 2012.Disponível em: <https://docs.google.com/open? id=0B0bJi2VvtH7aUW9Va1dzUHZNUkU>. Acesso em: 14 abr. 2012. • AÇOTUBO. Características dos Aços. 2012.Disponível em: <https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7aTVdrT3QybE01QTg>. Acesso em: 14 abr. 2012.

Passo 2 (Equipe) Identificar quais serão os modos prováveis de falha para o eixo árvore do “moitão” e quais as prevenções a serem tomadas.

Figura 01: Conjunto MOITÃO 9

Conjunto 02 Conjunto 01

REAÇÃO NORMAL Forças atuantes nos conjuntos 1 e 2.
FORÇA CISALHANTE

FORÇA de TRAÇÃO

MODOS DE FALHAS PREDOMINANTES NO CONJUNTO MECÂNICO DA FIGURA 01 : FRATURA FRÁGIL: É chamada de falha catastrófica e ocorre quando a deformação elástica (recuperável) de um componente que apresenta comportamento frágil é conduzindo ao extremo, quebrando as ligações Inter atômicas e o componente se separa em duas ou mais partes. Poderá ocorrer se na escolha do material o projetista escolher um material pouco dúctil e as tensões provenientes dos carregamentos no qual o Moitão estará submetido ultrapassarem o limite de resistência do material de construção. Umas das formas de falha mais indesejáveis em qualquer equipamento por ser catastrófica não dando sinais de que o material esta fraturando. CORROSÃO: Deterioração não desejada do material por meios de processos químicos ou eletroquímicos. O conjunto mecânico deverá receber tratamento e proteção das superfícies visando evitar a corrosão excessiva geralmente acompanhada de desgaste e ou fadiga podendo diminuir a vida útil do equipamento.

DESGASTE: Desgaste é a perda progressiva de material devida ao movimento relativo entre a superfície e a substância com a qual entra em contato. Principalmente o Moitão deverá possuir dureza superficial superior aos cabos de içamento afim dos mesmos não realizarem desgaste mecânico na área de contato reduzindo a seção resistente do gancho diminuindo assim sua capacidade nominal de carga.

Passo 3 (Equipe) – Etapa 1 que está relacionada ao passo 3 etapa 2. Identificar no projeto do guindaste quais serão os modos de falha predominantes. Através dos cálculos, identificar se é previsto ocorrerem falhas no conjunto. Passo 3 (Equipe) - Etapa 2 Calcular através dos dados da etapa 1, o dimensional do eixo do “moitão”. Através desse cálculo é possível identificar o perfil necessário para suportar a carga sugerida. Força de tração no Moitão = 119,7006424 KPa Majorando os esforços, força de tração no Moitão, por um coeficiente de segurança igual a 2.

Coeficientes de segurança são empregados para prevenir incertezas quanto a propriedades dos materiais, esforços aplicados, variações, etc.

No caso de peças tracionadas, é usual o conceito da tensão admissível, que é dada por:

Figura 01 #A.1# para materiais dúcteis.

#A.2# para materiais frágeis.

Onde c é o coeficiente de segurança.

A escolha do coeficiente de segurança é uma tarefa de responsabilidade. Valores muito altos significam, em geral, custos desnecessários e valores baixos podem provocar falhas de graves conseqüências. A tabela abaixo dá alguns critérios genéricos para coeficientes de segurança.

CoeficienteCarregamentoTensão no materialPropriedades do material Ambiente

1,2 - 1,5Exatamente conhecido

Exatamente conhecida

Exatamente conhecidas

Totalmente sob controle

1,5 - 2,0Bem conhecidoBem conhecidaExatamente conhecidas Estável

2,0 - 2,5Bem conhecidoBem conhecidaRazoavelmente conhecidas Normal

2,5 - 3,0Razoavelmente conhecido

Razoavelmente conhecida

Ensaiadas aleatoriamente Normal

3,0 - 4,0Razoavelmente conhecido

Razoavelmente conhecida Não ensaiadas Normal

4,0 - 5,0Pouco conhecidoPouco conhecidaNão ensaiadasVariável

Força de tração no Moitão = 119,7006424 KPa X Coeficiente de segurança 2 Força de tração majorada no Moitão = 239,4012848 KPa

Para ilustrar uma situação de projeto será calculado o diâmetro pino de sustentação do “moitão”, necessário para resistir as tensões de cisalhamento provocadas pela ligação de corte duplo no conjunto 02 da figura 01, considerando diferentes materiais onde as tensões resistente de cisalhamento mudam; e o material escolhido será aquele que resistir as tensões com a menor relação peso por metro x custo por metro. O valor da tensão de cisalhamento varia da superfície para o interior da peça, onde pode atingir valores bem superiores ao da tensão média.

Aço SAE 4340 τmédia V = 637,43225 MPa Para isso nós utilizaremos da fórmula de cálculo da tensão média de cisalhamento para duplo

corte, ou seja, τmédia V =conforme nos mostra a figura 01.

τmédia V = F/2.A

637,43.106 = 239,40.10 3637,43.106 = 239,40.10 3 . 4
2. (π . d2/4)2 π . d2
637,43.106 = 478,8.10 3π . d2 = 478,8.10 3
π . d2637,43.106
π . d2 = 7,51.10-4d = √7,51.10 -4
d = 0.01546m . 1000d = 15,46 m

π O primeiro diâmetro do pino encontrado utilizando o aço Aço SAE 4340 é de 15,46mm.

Aço inoxidável AISI 301 τmédia V = 568,7857 MPa

corte, ou seja, τmédia V =conforme nos mostra a figura 01.

Para isso nós utilizaremos da fórmula de cálculo da tensão média de cisalhamento para duplo τmédia V = F/2.A

568,78.106 = 239,40.10 3568,78.106 = 239,40.10 3 . 4
2. (π . d2/4)2 π . d2
568,78.106 = 478,8.10 3π . d2 = 478,8.10 3
π . d2568,78.106
π . d2 = 8,41.10-4d = √8,41.10 -4
d = 0.01636m . 1000d = 16,36 m

π O diâmetro do pino encontrado utilizando o aço Aço inoxidável AISI 301 é de 16,36mm.

ALUMINIO τmédia V = 132,389775 MPa Para isso nós utilizaremos da fórmula de cálculo da tensão média de cisalhamento para duplo

corte, ou seja, τmédia V =conforme nos mostra a figura 01.

τmédia V = F/2.A

132,39.106 = 239,40.10 3132,39.106 = 239,40.10 3 . 4
2. (π . d2/4)2 π . d2
π . d2132,39.106
π . d2 = 3,62.10-3d = √3,62.10 -3
d = 0.0392m . 1000d = 3,92mm

O diâmetro do pino encontrado utilizando o ALUMINIO é de aproximadamente 34mm. Ou seja, mais que o dobro que o pino de aço, além do que o alumínio possui dureza muito baixa em relação ao aço e aos cabos de içamento onde sofrerá desgaste diminuindo rapidamente sua seção resistente.

COMPARAÇÃO PESO POR METRO X CUSTO POR METRO DOS TRÊS MATERIAIS CÁLCULADOS: NOTA: Considerar os pinos com 300mm de comprimento e os respectivos diâmetros calculados. Aço SAE 4340: Ø15,46 m Peso linear Kg/m = 1,55Kg x 0,3 = 0,465Kg (peso aproximado do pino) Custo de matéria prima = R$ 3,40/Kg x 0,465Kg = R$1,58 (preço aproximado do pino) Aço inoxidável AISI 301: Ø13,36mm Peso linear Kg/m = 1,14Kg x 0,3 = 0,342Kg (peso aproximado do pino) Custo de matéria prima = R$ 10,0/Kg x 0,342Kg = R$3,42 (preço aproximado do pino)

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