(Parte 4 de 8)

Ainda que se deva, necessariamente, projetar uma peça de cada vez, é fundamental reconhecer que a função e o desempenho de cada peça (e, portanto, seu projeto) dependem de muitas outras peças inter-relacionadas de uma mesma máquina. Iremos, portanto, tentar “projetar a máquina inteira” em vez de simplesmente projetar elementos isolados. Para tanto, devemos recorrer a tópicos comuns do conhecimento de engenharia encontrados nos cursos anteriores, como, por exemplo, estática, dinâmica, resistência dos materiais (análise de tensões) e propriedades dos materiais. Estão incluídos nos capítulos iniciais deste livro revisões breves e exemplos desses tópicos.

O objetivo final do projeto de máquinas é dimensionar e dar forma às peças (elementos de máquinas) e escolher os materiais e os processos de manufatura apropriados, de modo que a máquina resultante possa desempenhar a função desejada sem falhar. Isso requer que o engenheiro seja capaz de calcular e de prever o modo e as condições de falha de cada elemento e, então, projetá-lo para prevenir tal falha, o que requer que uma análise de tensão e deflexão seja feita para cada peça. Uma vez que as tensões são função dos esforços aplicados e de inércia, assim como da geometria da peça, uma análise das forças, momentos, torques e dinâmica do sistema deve ser feita antes de as tensões e deflexões poderem ser completamente calculadas.

Se a “máquina” em questão não possuir peças móveis, a tarefa de projetar torna-se muito mais simples, pois requer somente uma análise estática das forças. Mas se a máquina não tiver peças móveis, não se trata exatamente de uma máquina (e não se encaixa na definição acima); é, portanto, uma estrutura. As estruturas também precisam ser projetadas para evitar falhas e, na verdade, grandes estruturas externas (pontes, edifícios, etc.) também estão sujeitas às forças dinâmicas do vento, de terremotos, de tráfego, etc., e, assim, também devem ser projetadas para essas condições. A dinâmica estrutural é um assunto interessante, mas não será abordado neste texto. Nos ocuparemos com problemas associados a máquinas que se movem. Se os movimentos da máquina forem muito lentos e as acelerações desprezíveis, bastará uma análise estática das forças. Mas se a máquina tiver acelerações significativas em seu interior, será necessária uma análise dinâmica das forças, e as peças com aceleração tornam-se “vítimas de suas próprias massas”.

Em uma estrutura estática, como o piso de um edifício projetado para suportar um determinado peso, o coeficiente de segurança pode ser melhorado distribuindo-se mais material de forma apropriada em suas partes estruturais. Embora ela vá ser mais pesada (mais peso “morto”), se for corretamente projetada ela poderá, contudo, carregar mais peso “vivo” (carga útil) do que antes, e sem quebrar. Em uma máquina dinâmica, o acréscimo de peso (massa) às peças móveis pode apresentar o efeito oposto, reduzindo o coeficiente de segurança da máquina, sua velocidade admissível ou sua capacidade de carga útil. Isto ocorre porque parte do carregamento que cria tensões em suas partes móveis se deve às forças de inércia previstas na segunda lei de Newton, F = ma. Uma vez que as acele- rações das partes móveis na máquina são determinadas pelo projeto cinemático e A foto da página capitular é cortesia da Boeing Airplane Co. Inc., Seattle, Wash.

Capítulo 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO 5 pela sua velocidade de funcionamento, ao se acrescentar massa às peças móveis o carregamento de inércia sobre elas aumentará, a menos que suas acelerações cinemáticas sejam reduzidas diminuindo-se a velocidade da operação. Embora a massa acrescentada possa aumentar a resistência da peça, o benefício pode ser reduzido ou anulado pelo resultante aumento das forças de inércia.

Iteração

Desse modo, enfrentamos um dilema nos estágios iniciais do projeto da máquina. Geralmente, antes de atingir o estágio de dimensionamento das peças, a cinemática da máquina já terá sido definida. As forças externas proporcionadas pelo “mundo exterior” sobre a máquina geralmente também são conhecidas. Observe que, em alguns casos, será muito difícil prever que cargas externas estarão agindo sobre a máquina, como por exemplo, as cargas sobre um automóvel em movimento. O projetista não pode prever com precisão a que fatores ambientais o usuário submeterá a máquina (buracos, conversões bruscas, etc.). Em tais casos, a análise estatística dos dados empíricos reunidos a partir de um teste real podem proporcionar algumas informações para fins de projeto.

O que falta ser definido são as forças de inércia que serão geradas pelas acelerações cinemáticas conhecidas atuantes sobre as massas ainda indefinidas das peças móveis. O dilema só pode ser resolvido por meio de iteração, que significa repetir, ou voltar a um estágio anterior. Devemos admitir uma configuração inicial para cada peça, usar as propriedades de inércia (massa, local do centro de gravidade e o momento de inércia da massa) dessa configuração inicial em uma análise dinâmica de forças para determinar as forças, os momentos e os torques internos atuantes sobre a peça, e então usar a geometria da seção transversal do projeto inicial para calcular as tensões resultantes. Em geral, a tarefa mais difícil na elaboração do projeto é determinar com precisão todos os esforços exercidos sobre a máquina. Se os esforços forem conhecidos, as tensões poderão ser calculadas.

O mais provável é descobrirmos que a primeira tentativa fracassa porque o material não suporta o nível de tensão apresentado. Devemos então reprojetar as peças (iterar) alterando o formato, as medidas, os materiais, o processo de fabricação ou outros fatores para alcançar um projeto aceitável. Geralmente não é possível alcançar um resultado bem-sucedido sem fazer várias iterações ao longo da elaboração do projeto. Observe, além disso, que uma alteração da massa de uma peça também afetará as forças aplicadas sobre as peças conectadas a ela, exigindo assim que se refaça o projeto das demais peças. Trata-se, na verdade, de um projeto de peças inter-relacionadas.

1.2 METODOLOGIA DE PROJETOS*

A metodologia de projetos é essencialmente um exercício de criatividade aplicada. Muitas “metodologias de projetos” foram definidas para ajudar a organizar a enfrentar o “problema não estruturado”, isto é, casos em que a definição do problema é vaga e para os quais muitas soluções possíveis existem. Algumas dessas definições contêm somente algumas etapas, e outras, uma lista detalhada de 25 etapas. Uma versão de uma metodologia de projetos é mostrada na Tabela 1-1, que relaciona dez etapas. A etapa inicial, Identificação da necessidade, geralmente consiste em uma exposição mal definida e vaga do problema. O desenvolvimento das informações na Pesquisa de suporte (etapa 2) é necessário para definir e compreender completamente o problema, sendo depois possível estabelecer o Objetivo (etapa 3) de forma mais razoável e realista do que na exposição original do problema.

* Adaptado de Norton, Design of Machinery, 3.ed., McGraw-Hill, New York, 2004, com autorização da editora.

6 Projeto de Máquinas • Uma Abordagem Integrada

A etapa 4 pede a criação de um conjunto detalhado de Especificações de tarefas que fecham o problema e limitam seu alcance. É na etapa da Síntese (5) que se busca tantas alternativas de projeto quanto possíveis, geralmente sem considerar (nesta etapa) seu valor ou qualidade. É também chamada, às vezes, de etapa de Concepção e invenção, na qual é gerado o maior número possível de soluções criativas.

Na etapa 6, as possíveis soluções da etapa anterior são Analisadas e aceitas, rejeitadas ou modificadas. A solução mais promissora é Selecionada na etapa 7. Quando um projeto aceitável é selecionado, o Projeto detalhado (etapa 8) pode ser realizado. Nesta etapa, todas as pontas são atadas, todos os croquis de engenharia feitos, fornecedores identificados, especificações de fabricação definidas, etc. A construção real do projeto é feita pela primeira vez como um Protótipo na etapa 9 e, finalmente, em quantidade na etapa 10 de Produção. Uma discussão mais completa deste método de projeto pode ser encontrada na referência 2, e várias referências sobre os tópicos de criatividade e projeto constam na bibliografia no final deste capítulo.

A descrição acima pode dar uma impressão errônea de que este método pode ser concluído de maneira linear conforme o relacionado. Ao contrário, a iteração é necessária ao longo de todo o processo, indo de qualquer etapa de volta a uma etapa anterior, em todas as combinações possíveis e repetidamente. As melhores ideias geradas na etapa 5 irão invariavelmente apresentar-se como imperfeitas quando posteriormente analisadas. Assim, um retorno pelo menos à fase de Concepção será necessário para se produzirem mais soluções. Talvez um retorno à etapa de Pesquisa de suporte pode ser necessário para reunir mais informações. As Especificações de tarefas podem ter que ser revisadas ao se verificar que elas eram irrealistas. Em outras palavras, qualquer coisa é “jogo limpo” na metodologia de projetos, inclusive a redefinição do problema, se for necessário. Não se pode projetar de modo linear. São três etapas para a frente e duas (ou mais) para trás, até que você finalmente apareça com uma solução aproveitável.

Teoricamente, poderíamos continuar esta iteração em um dado problema de projeto para sempre, criando continuamente pequenas melhoras. Inevitavelmente, os ganhos na função ou redução no custo tenderá a zero com o tempo. Em algum momento, devemos declarar o projeto “bom o suficiente” e executá-lo. Quase sempre alguém (provavelmente o chefe) irá tomá-lo de nosso alcance e executá-lo sobre nosso protesto de que ele ainda não está “perfeito”. Máquinas que têm estado funcionando por muito tempo e que foram melhoradas por muitos projetistas atingem um nível de “perfeição” que as torna difíceis de serem melhoradas. Um exemplo é a simples bicicleta. Embora os inventores continuem tentando melhorar esta máquina, o projeto básico tem estado quase intacto após mais de um século de desenvolvimento.

Tabela 1-1 Metodologia de projetos

1Identificação da necessidade 2Pesquisa de suporte 3Definição dos objetivos 4Especificações de tarefas 5 Síntese 6 Análise 7 Seleção 8Projeto detalhado 9Protótipo e teste 10 Produção

Capítulo 1 INTRODUÇÃO AO PROJETO 7

No projeto de máquinas, as etapas iniciais da metodologia de projeto envolvem a Síntese de tipo de configurações cinemáticas adequadas capazes de proporcionar os movimentos necessários. A síntese de tipo envolve a escolha do tipo de mecanismo mais adequado ao problema. Esta é uma tarefa difícil para o estudante, pois requer alguma experiência e conhecimento dos diversos tipos de mecanismos que existem e que poderiam ser viáveis do ponto de vista do desempenho e da fabricação. Como exemplo, suponhamos que a tarefa seja projetar um dispositivo para trilhar o movimento retilíneo em velocidade constante de uma peça em uma correia transportadora e acoplar uma segunda peça a ele no momento em que estiver passando. Isso tem que ser feito com precisão e repetição, e deve ser confiável e barato. Você pode não estar ciente de que esta tarefa poderia ser executada pelos seguintes equipamentos:

• um mecanismo de barras articuladas; • um camo e seguidor;

• um cilindro pneumático;

• um cilindro hidráulico;

• um robô;

• um solenoide.

Cada uma destas soluções, ainda que possível, pode não ser muito favorável ou mesmo prática. Cada uma tem pontos positivos e negativos. O mecanismo de barras articuladas é grande e pode ter acelerações indesejáveis; o camo e seguidor é caro, mas é preciso e suporta repetição. O cilindro pneumático é caro, mas barulhento e não confiável. O cilindro hidráulico e o robô são mais caros. O barato solenoide tem cargas de impacto e velocidades altas. Assim, a escolha do tipo de equipamento pode ter um grande efeito sobre a qualidade do projeto. Uma má escolha na etapa da síntese de tipo pode criar grandes problemas no futuro. O projeto pode ter que ser alterado depois de finalizado, gerando um grande custo. Projetar é essencialmente um exercício de trocas de vantagens e desvantagens. Geralmente, não existe uma solução bem-definida para um verdadeiro problema de projeto em engenharia.

Uma vez definido o tipo de mecanismo necessário, sua cinemática detalhada deve ser sintetizada e analisada. Os movimentos de todas as peças móveis e suas derivadas em relação ao tempo até a aceleração devem ser calculados para se ter condições de determinar as forças dinâmicas do sistema. (Ver referência 2 para mais informações sobre este aspecto do projeto de máquina.)

No contexto de projeto de máquinas abordado neste livro, não exercitaremos todo o método do projeto conforme a Tabela 1-1. Em vez disso, proporemos exemplos, problemas e estudos de caso que já tiveram as etapas 1-4 definidas. A síntese de tipo e a análise cinemática já terão sido feitas, ou pelo menos estabelecidas, e os problemas estarão estruturados até esta fase. As tarefas restantes envolverão amplamente as etapas de 5 a 8, concentrando-se em síntese (etapa 5) e análise (etapa 6).

Síntese e análise são as “duas faces” do projeto de máquinas, como dois lados da mesma moeda. Síntese significa colocar junto e análise significa decompor, separar, resolver nas partes constituintes. Portanto, elas são opostas, mas simbióticas. Não podemos separar o “nada”; assim, devemos primeiro sintetizar alguma coisa para poder analisá-la. Ao analisarmos algo, provavelmente encontraremos lacunas, requerendo mais síntese e, então, mais análise ad nauseam, finalmente iterando para uma melhor solução. Você precisará trabalhar arduamente sobre seu conhecimento de estática, dinâmica e resistência dos materiais para executar o projeto.

8 Projeto de Máquinas • Uma Abordagem Integrada

1.3 FORMULAÇÃO E CÁLCULO DO PROBLEMA

É extremamente importante para todo engenheiro desenvolver hábitos computacionais bons e cuidadosos. Solucionar problemas complicados exige uma abordagem organizada. Problemas de projetos também exigem bons hábitos de manutenção de registros e documentação para registrar muitas hipóteses e decisões de projeto feitas ao longo do trabalho de modo que o processo de raciocínio do projetista possa ser reconstruído posteriormente se for necessário um reprojeto.

Um procedimento sugerido para o projetista é mostrado na Tabela 1-2, que relaciona um grupo de subtarefas apropriadas para a maioria destes tipos de problemas de projeto de máquinas. Estas etapas devem ser documentadas para cada problema de maneira nítida e esmerada, de preferência em uma brochura encadernada para manter sua ordem cronológica.*

Estágio de definição

Em seu livro de registros do projeto, primeiramente Defina o problema de forma clara em um relatório conciso. Os “dados” de uma determinada tarefa deverão ser claramente relacionados, acompanhados pelo registro das hipóteses feitas pelo projetista sobre o problema. As hipóteses expandem-se sobre as informações dadas (conhecidas) para mais tarde delimitar o problema. Por exemplo, pode-se pressupor que os efeitos do atrito sejam desprezíveis em um caso particular, ou que o peso da peça possa ser ignorado por ser pequeno em comparação às forças aplicadas ou dinâmicas.

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