Ciências e Exatas e Tecnológicas Engenharia Mecânica com Ênfase em Controle e AutomaçãoMACACO ELETRO-HIDRÁULICO Alexandro Fonseca Silva Edgar Rodrigues da Silva Thiago Bizari França da Silva Orientador: Fernando A. C. Nery São Paulo - SP 2013 1 Ciências e Exatas e Tecnológicas Engenharia Mecânica com Ênfase em Controle e Automação MACACO ELETRO-HIDRÁULICO Alexandro Fonseca Silva Edgar Rodrigues da Silva Thiago Bizari França da Silva Orientador: Fernando A. C. Nery Projeto de Graduação defendido junto à Área de Ciências Exatas e Tecnológicas como parte dos requisitos para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia pelo Curso de Graduação em Engenharia Mecânica com ênfase em Controle e Automação. São Paulo – SP 2013 2 Alexandro Fonseca Silva Edgar Rodrigues da Silva Thiago Bizari França da Silva MACACO HIDRO-HIDRÁULICO Projeto de Graduação defendido junto à Área de Ciências Exatas e Tecnológicas como parte dos requisitos para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia pelo Curso de Graduação em Engenharia Mecânica com ênfase em Controle e Automação. Resultado:________________ Data: ___/___/___ Banca examinadora Prof._____________________ Ass.: ________________________ Presidente da Banca – Orientador Prof._____________________ Ass.: ________________________ Prof._____________________ Ass.: _______________________ 3 DEDICATÓRIA Dedicamos sem dúvida nenhuma este trabalho para aqueles que tiveram e tem a maior importância em nossas vidas, e que, souberam ajudar, apoiar e compreender a nossa ausência em muitos momentos ao longo destes anos, dedicamos este trabalho a nossas esposas e filhos: Priscila/Gabriel, Micaela/Murilo e Daiane/Guilherme, que além de tudo, se dedicaram para que pudéssemos seguir com firmeza e foco até o presente momento. 4 AGRADECIMENTOS Agradecemos aos Professores, Mestres e Doutores da Universidade Cruzeiro do Sul, que contribuíram com suas experiências acadêmicas, nos instruindo e assim enriquecendo nosso conhecimento, no desenvolvimento, na elaboração e conclusão deste projeto. 5 Excelência é uma habilidade conquistada através de treinamento e pratica. Somos o que repetidamente fazemos. A excelência, portanto não é um feito, mas um habito. Aristóteles 6 RESUMO Este trabalho consiste no estudo/projeto para o levantamento veículos de pequeno porte, sem obtenção de esforços, cujo esforço será somente exercido por um motor elétrico ligado ao sistema de um macaco hidráulico, dimensionado especialmente para levantar esse tipo de carga. Partimos primeiramente do tipo de carga a ser levantada, assim concluímos a força a ser aplicada em cada pistão, utilizando mecânica dos fluidos, e assim chegamos ao torque necessário exercido pelo motor. Com a finalidade de troca de Pneus mais ágeis e sem a necessidade de exercer força alguma sobre o Macaco. Elaboramos esse projeto realizando cálculos e testes para obtenção de um produto competitivo, funcional e prático. 7 ABSTRACT This work is a study / project for lifting small vehicles without obtaining efforts, whose efforts will be exercised only by an electric motor connected to a hydraulic jack system, specially dimensioned to lift such loads. First we start the type of load to be lifted, so we conclude the force to be applied to each piston, using fluid mechanics, and so we come to the required torque exerted by the motor. For the purpose of exchanging tires and more flexible without the need to exert any force on the jack. We developed this project performing calculations and tests to obtain a competitive product, functional and practical. 8 LISTAS DE FIGURAS Figura 1 - Cartaz exibido nas bilheterias - Filme King Kong (1933).................................................... 19 Figura 2 - Macaco Sanfona. .................................................................................................................. 20 Figura 3 - Macaco Garrafa (pequeno porte). ......................................................................................... 20 Figura 4 - Macaco Jacaré. ..................................................................................................................... 21 Figura 5 - Macaco Caixa de transmissão. ............................................................................................. 21 Figura 6 - Macaco Guincho (automotivo) utilizado para içar motores. ................................................ 22 Figura 7 - Elevador Automotivo. .......................................................................................................... 22 Figura 8 - Transpaletes Hidráulico Industrial........................................................................................ 23 Figura 9 - Hidráulico tipo unha. ............................................................................................................ 23 Figura 10 - Tartaruga............................................................................................................................. 24 Figura 11 - Empilhadeira Hidráulica manual. ....................................................................................... 24 Figura 12 - Empilhadeira Motorizada Manual. ..................................................................................... 25 Figura 13 - Detalhe interno do macaco-hidráulico................................................................................ 26 Figura 14 - Detalhes do Macaco. .......................................................................................................... 27 Figura 15 - Parafuso. ............................................................................................................................. 27 Figura 16 - Rosca. ................................................................................................................................. 28 Figura 17 - Roscas Simples / Dupla. ..................................................................................................... 28 Figura 18 - Roscas Simples / Passo-avanço. ......................................................................................... 29 Figura 19 - Forças. ................................................................................................................................ 31 Figura 20 - Rosca Acne. ........................................................................................................................ 33 Figura 21 - Força Normal. ..................................................................................................................... 34 Figura 22 - Flambagem ......................................................................................................................... 38 Figura 23 - Macaco Elétrico-Hidráulico completo................................................................................ 43 Figura 25 - Base Macaco Eletro-hidráulico. ......................................................................................... 43 Figura 26 - Cilindro. .............................................................................................................................. 43 Figura 27 - Haste. .................................................................................................................................. 44 Figura 28 - Caneco de deposito. ............................................................................................................ 44 Figura 29 - Guia sextavada.................................................................................................................... 44 Figura 30 - Pistão de injetor. ................................................................................................................. 45 Figura 31 - Motor Pittman 12v.............................................................................................................. 46 Figura 32 - Desenho do motor............................................................................................................... 47 Figura 33 - Imagem do protótipo .......................................................................................................... 47 Figura 34 - Conector com entrada acendedor de cigarro automotivo. .................................................. 48 Figura 35 - Conector polo bateria veicular............................................................................................ 48 Figura 36 - Fonte 12V. .......................................................................................................................... 48 Figura 37 - Botão interruptor momentâneo (OFF). ............................................................................... 49 Figura 38 - Botão Fechador. .................................................................................................................. 49 9 LISTAS DE TABELAS Tabela 1 – Especificações do motor. ..................................................................................................... 46 Tabela 2 - Tabela de características do óleo SAE 10W. ....................................................................... 51 Tabela 3 - Tabela de Dureza esperadas em aço carbono. ...................................................................... 51 Tabela 4 - Tabela de Propriedades mecânicas do aço. .......................................................................... 52 Tabela 5 - Tabela de equivalência com normas. ................................................................................... 52 Tabela 6 - Tabela de características mecânicas do aço. ........................................................................ 52 Tabela 7 - Tabela de construção mecânica do aço. ............................................................................... 53 10 LISTA DE SÍMBOLOS P: Pressão do gás K: Constante T: Temperatura inicial do gás P¹: Pressão inicial P²: Pressão final V¹: Volume inicial V²: Volume final Vi: Volume inicial Ti: Temperatura inicial Vf: Volume final Tf: Temperatura final F¹: Força 1 S¹: Área 1 F²: Força 2 S²: Área 2 P: Peso H: Altura de funcionamento h1: Altura entre base inferior e eixo inferior h2: Altura entre base superior e eixo superior β: Beta Ʃ: Somatória A: Área D: Diâmetro σeq: Tensão equivalente σt: Tensão de tração σT: Tensão de torção σ: Tensão admissível M: Momento Mt: Momento Torçor M1: Momento de atrito da rosca M2: Somatória dos momentos restantes no fuso 11 Rm: Raio médio 12 Ψ: Ângulo súbito da rosca p: Ângulo de atrito arctg: Arco tangente f: coeficiente de atrito S: Coeficiente de segurança U: Perfil da chapa laminada e: espessura A: Área σc: Tensão de compressão σr: Tensão resultante le: Comprimento da encurvadura lmin: Raio de giração µ: Coeficiente de comprimento efetivo λ: Coeficiente de esbelteza λc: Coeficiente de esbelteza para encurvamento de cedência l: Comprimento σenc: Tensão de encurvadura σcis: Tensão de cisalhamento Acis: Área de cisalhamento σcisadm: Tensão de cisalhamento admissível σesm: Tensão de esmagamento Aesm: Área de esmagamento Mmax: Momento máximo W: Momento de resistência Wy: Momento de resistência na seção y R: Raio do cilindro externo α: Ângulo em radianos sen: seno cos: cosseno tan: tangente mm: Milímetros 12 mm²: Milímetros quadrados mm³ Milímetros cúbicos min: Mínimo 13 max: Máximo N: Newton Mpa: MegaPascal Pa: Pascal N.mm: Newton milímetros N: Nitrogênio O²: Oxigênio Ar: Argônio Po: Pressão inicial S: Espaço Π: Pi T: Torque λ: Ângulo N: Força L: Comprimento Σ: Somatória Tsu: Torque do parafuso W: Trabalho e: Eficiência P: Carga r: Raio E: Elasticidade Nf: Fator de segurança na falha pela fratura λ: Razão entre tensões 13 SUMÁRIO RESUMO ................................................................................................................ 7 ABSTRACT ............................................................................................................ 8 LISTAS DE FIGURAS ............................................................................................. 9 LISTAS DE TABELAS .......................................................................................... 10 LISTA DE SÍMBOLOS .......................................................................................... 11 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .............................................................................. 16 1.1 – JUSTIFICATIVA ....................................................................................... 16 1.2 – OBJETIVO ................................................................................................ 17 1.3 – ALCANCES E LIMITAÇÕES ..................................................................... 17 1.4 – METODOLOGIA ....................................................................................... 17 1.5 – ESTRUTURAS DO PROJETO DE GRADUAÇÃO ....................................... 18 CAPÍTULO 2 – REVISÃO DA LITERATURA ........................................................ 19 CAPÍTULO 3 – CONTEÚDO TEÓRICO ................................................................. 26 3.1 – PROPRIEDADES HIDRÁULICAS.............................................................. 26 3.2 – PARAFUSO............................................................................................... 27 3.3 – PROPRIEDADES DE PARAFUSOS DE POTÊNCIA ................................... 34 3.3.1 – COEFICIENTE DE ATRITO ................................................................ 34 3.3.2 – AUTOTRAVAMENTO E RETROCIONAMENTO DE PARAFUSOS DE POTÊNCIA ......................................................................................................... 35 3.4 – EFICIÊNCIA DE PARAFUSOS .................................................................. 35 3.5 – TENSÕES EM ROSCAS............................................................................. 36 3.6 – TENSÃO AXIAL ....................................................................................... 36 3.7 – ENGAJAMENTO MINIMO DOS FUROS ................................................... 37 3.8 – TENSÕES TORCIONAIS ........................................................................... 37 3.9 – FLAMBAGEM .......................................................................................... 37 14 3.10 – FADIGA .................................................................................................. 38 3.11 – TENSÕES CÍCLICAS ............................................................................... 39 3.12 ................................................................................................................... 40 CAPÍTULO 4 – ESTUDO DE CASO ....................................................................... 42 4.1 – CRITÉRIO DO PROJETO........................................................................... 42 4.2 – DESCRIÇÃO FUNCIONAL DO MACACO ELETRO-HIDRÁULICO ........... 42 4.3 – DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES ESTRUTURAIS.................. 45 4.4 – ESPECIFÍCAÇÃO DO SISTEMA DE ACIONAMENTO .............................. 47 4.5 – ESPECIFÍCAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE ...................................... 48 4.5 – BOTÃO FECHADOR ................................................................................. 49 4.6 – AÇÃO DE SUBIDA DO PISTÃO ................................................................ 49 4.7 – RETORNO DO PISTÃO ............................................................................. 50 4.8 – ÓLEO HIDRÁULICO................................................................................. 50 4.8.1 – SAE 10W ............................................................................................ 50 4.8.2 – APLICAÇÕES ..................................................................................... 50 4.8.3 – RECOMENDAÇÕES ........................................................................... 51 4.8.4 – CARACTERÍSTICAS TÍPICAS ............................................................ 51 CAPÍTULO 5 – DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO ....................................... 54 5.1 – CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO .............................................................. 54 5.2 – TESTES PRELIMINARES .......................................................................... 54 5.3 – ANÁLISE DE DESEMPENHO ................................................................... 54 CAPÍTULO 6 – RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................... 55 6.1 – RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................. 55 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 56 15 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO Todas as empresas hoje possuem um centro tecnológico, para desenvolvimento de novos projetos, de acordo com G1 (2009) a montadora GM Brasil, informa que, são necessários dois anos para o “nascimento” de um carro, dos primeiros rascunhos até sua produção na linha de montagem. Podemos observar que se trata de um estudo/projeto detalhado e com forte ascensão. De acordo com os números apresentados pela “Associação Nacional dos fabricantes de veículos automotores” (ANFAVEA, 2013) tivemos um aumento na frota de veículos entre Janeiro a Agosto de 2012 e Janeiro a Agosto de 2013, esse crescimento é de 2,58%. Tendo em vista o volume de 2.010.359 carros novos licenciado, vimos que, este é um mercado abrangente. O aumento de veículos nas ruas cresce diariamente e não temos as condições necessárias para o uso dos veículos; as rodovias brasileiras se encontram em péssimos estados, conforme divulgação da Confederação Nacional do Transporte (CNT, 2013).Em pesquisa realizada mostra que 57,4% das estradas brasileiras apresentam deficiências, sendo que 26,9% estão em estado crítico, isto é, foram classificadas como ruins e péssimas. O levantamento percorreu 92.747 quilômetros de rodovias pavimentadas cobrindo toda a malha federal pavimentada e os principais trechos de estradas estaduais e concedidas. Com as rodovias, avenidas e ruas e em estado crítico, o maior prejudicado é o veículos, em especial os pneus. Com certeza já teve ou presenciou um pneu furado e, com isso a necessidade de troca-los. Mas o crescimento de tecnologia para macacos não é acompanhada com o crescimento que temos em veículos. Por estes motivos, estamos com o projeto de um macaco eletro-hidráulico, para eliminar as dificuldades encontradas pelos o usuário na hora de erguer o veículo, não precisando ter muita pratica e nem fazer muito esforço físico e com mais segurança ao subir e descer o veículo. 1.1 – JUSTIFICATIVA Devido à dificuldade para realizar a troca de pneus e o esforço físico exigido para o movimento da alavanca de acionamento, desenvolvemos o Macaco eletro-hidráulico tem a finalidade de elevar cargas, sem nenhum tipo de esforço físico. 16 Esse tipo de acessório ajudará as pessoas e principalmente, mulheres, idosas e pessoas com problemas na coluna, a realizarem tarefas de levantamento de cargas com facilidade. 1.2 – OBJETIVO O objetivo deste trabalho visa mostrar os tipos de macacos existentes no mercado, suas principais aplicações, e o conceito de uma macaco hidráulico acionando por motor elétrico facilitando os esforços físicos e competitivos para o mercado. 1.3 – ALCANCES E LIMITAÇÕES Alcances: Proporcionar as pessoas um equipamento portátil e de fácil uso que possa auxiliar para levantamento de veículos de pequeno porte. Limitações: Aplicado à veículos de pequeno porte com carga máxima de 2 toneladas. 1.4 – METODOLOGIA O Presente trabalho será desenvolvido utilizando-se os seguintes recursos • Pesquisa bibliográfica em livros, em meio digitais (internet) de maneira a adquirir conhecimento e fundamentação teórica necessária. • Pesquisa bibliográfica buscando trabalhos, estudos e pesquisas anteriores sobre o assunto do presente trabalho. • Dimensionamento do sistema através de cálculos e desenhos esquemático do sistema proposto. • • • Construção de um protótipo funcional. Testes e análise de resultados obtidos com o protótipo e implementar melhorias. Proposta de trabalhos futuros. 17 1.5 – ESTRUTURAS DO PROJETO DE GRADUAÇÃO O primeiro capítulo define o projeto a ser realizado, as necessidades, os objetivos, os alcances e limitações, bem como a metodologia a ser utilizada com a finalidade de obter melhorias. O segundo capítulo demonstra a história de como surgiu o macaco, o conceito do nome adotado e os modelos automotivos e industriais existente no mercado. No terceiro capítulo são abordados os conceitos científicos, que deverão ser a base para o estudo e o desenvolvimento de ferramentas para melhoria e desenvolvimento do macaco eletro-hidráulico. A partir desse embasamento teórico, é representado a análise para o aprimoramento do projeto. Já o quarto capítulo, abrange a descrição funcional, análise do projeto, funcionamento, especificação dos matérias e fluido, sistema de acionamento e componentes estruturais. 18 CAPÍTULO 2 – REVISÃO DA LITERATURA Richard Dudgeon (1851) criou o primeiro macaco hidráulico, apesar dos chineses e os egípcios já terem usado a água para mover objetos pesados. O macaco hidráulico é uma máquina que permite ao seu operador erguer objetos pesados com relativa facilidade. Ele é baseado na lei de Pascal que diz que se houver um aumento de pressão em qualquer ponto de um recipiente com líquido, a pressão aumentará igualmente em todos os outros pontos do recipiente. O equipamento de Dudgeon era muito mais avançado que os outros dispositivos da época, seu invento ainda é utilizado atualmente. O macaco hidráulico é uma ferramenta utilizado para auxiliar a troca dos pneus de carros. O instrumento ergue o veículo através de uma manivela, assim sustentando o carro enquanto sem um dos pneus, e possibilitando a troca. Tem este nome, devido ao marketing de uma empresa americana que fabricava esta ferramenta, na época do filme King Kong, e, para simbolizar força, colocou o nome no equipamento de "Monkey" (Macaco em inglês), assim, o nome se popularizou mundialmente, e hoje, é utilizado tecnicamente, não só na ferramenta para levantar carros, mas, em todas que utilizam força. Manutenção e Suprimentos (2013) detalha a origem do nome adotado, por volta de 1933, uma indústria resolveu usar o nome MONKEY, para os equipamentos que erguem os carros e que facilita a troca de pneus. Este nome foi usado porque na época estava em exibição o filme King Kong, onde um grande macaco usava sua força para virar carros e numa jogada de marketing, macaco virou sinônimo de máquinas que utilizam força. Figura 1 - Cartaz exibido nas bilheterias - Filme King Kong (1933). Fonte: Telecine Brasil. 19 Aplicações e modelos de Macacos Automotivos. Macaco Sanfona: Usualmente utilizados para levantamento de automóveis, na ocasião de troca de rodas, em reparos nas rodas ou em pequenos reparos de suspensão quando realizados em apenas uma roda. Figura 2 - Macaco Sanfona. Fonte: Loja dos Macacos. Macaco Garrafa: Sua função é levantar cargas em linha reta, logo sua utilização se dá com maior aproveitamento quando se deseja levantar o veículo em ocasião que ficara suspenso por muito tempo como exemplo em manutenções. Figura 3 - Macaco Garrafa (pequeno porte). Fonte: Loja dos Macacos. Macaco Jacaré: Devido seu formato alongado na parte de apoio da carga, esse modelo é muito utilizado em oficinas, borracharias e centros automotivos, pois possibilita um posicionamento correto e 20 que se levante até duas rodas do veículo por vez, podendo ser as duas dianteiras, duas traseiras ou duas da mesma lateral. Figura 4 - Macaco Jacaré. Fonte: Extra.com Macaco Caixa de Transmissão: Em ocasiões em que o veículo está suspenso do chão por um “Elevador Automotivo”, a manutenção é realizada pela parte de baixo do veículo, com intuito de apoiar ferramentas, peças ou até mesmo conjuntos mecânicos do veículo, utiliza-se esse modelo de macaco, porque ao ser posicionado no local desejado atua como um “apoio” para a carga que tende a descer. Figura 5 - Macaco Caixa de transmissão. Fonte: bovenau.com.br. Macaco Guincho: Usado em oficinas mecânicas, esse modelo e bastante eficiente para içar cargas muito pesadas como motores, caixas de câmbio e sistemas de suspensão, que estão eventualmente em posição que exige não apenas seu levantamento, mas também seu deslocamento para os lados. 21 Figura 6 - Macaco Guincho (automotivo) utilizado para içar motores. Fonte: Loja dos macacos. Elevador Automotivo: O Elevador tem como finalidade levantar o veículo em uma altitude muitas vezes superior à altura do mecânico, possibilitando assim a realização de manutenções na parte inferior do veículo, gerando conforto no trabalho, sem comprometer a ergonomia e segurança do profissional. Figura 7 - Elevador Automotivo. Fonte: Leone equipamentos. Modelos de Macacos hidráulicos Industriais. Transpaletes Hidráulicos: Os transpaletes são utilizados em movimentações próximas ao chão de cargas pesadas ou leves, seus garfos são estreitos e normalizados com relação a comprimento e distância entre si, possibilitando o levantamento de Paletes. 22 Figura 8 - Transpaletes Hidráulico Industrial. Fonte: bovenau.com.br. Hidráulico “Tipo Unha”: Em ocasião onde se necessita o levantamento de uma máquina ou componentes que não possibilitam a entrada de um “Macaco” com apoio grande, utiliza-se o “Tipo Unha”, pois ele se encaixa perfeitamente em posições nas extremidades da carga. Figura 9 - Hidráulico tipo unha. Fonte: bovenau.com.br. Tartaruga para movimento de cargas: A tartaruga tem como objetivo movimentar equipamentos pesados dentro do ambiente fabril, como máquinas, dispositivos, etc. A forma correta e mais segura de fazer essa movimentação e com as “Tartarugas”. 23 Figura 10 - Tartaruga. Fonte:bovenau.com.br. Empilhadeira hidráulica manual: A Empilhadeira Hidráulica manual é utilizada quando o espaço físico de movimentação é pequeno e se deseja levantar cargas em uma altura muito elevada, como posicionamento em almoxarifados, quando se “acomoda” caixas umas sobre as outras, nessa ocasião a necessidade de ficarem corretamente alinhadas é essencial para que não haja acidentes com quedas. Figura 11 - Empilhadeira Hidráulica manual. Fonte: bovenau.com.br. Empilhadeira Motorizada: Diferente da Empilhadeira Manual esse equipamento é utilizado quando se necessita transportar uma carga pesada ou leve, por um espaço físico maior, mas com a mesma segurança e precisão na acomodação. 24 Figura 12 - Empilhadeira Motorizada Manual. Fonte: Manutenção e suprimentos.com.br. 25 CAPÍTULO 3 – CONTEÚDO TEÓRICO Para iniciarmos o dimensionamento do nosso Macaco Eletro-Hidráulico, tomamos como partida o “Princípio de Pascal” que se dá em tese a “Teoria dos Fluidos” a qual estabelece que a alteração de pressão produzida num líquido em equilíbrio transmite- se integralmente a todos os pontos do líquido e às paredes do recipiente, Wikipedia (2013). Como a pressão é transmitida uniformemente para todo o fluido podemos dizer que: ࡲ (1) ࡼ= 3.1 – PROPRIEDADES HIDRÁULICAS A necessidade deste estudo serve para entendermos quais são os principais motivos para que um instrumento tão pequeno gere uma força tão grande a ponto de levantar pesos tão elevados. Uma de suas características é a incapacidade de compressão do fluido por este motivo ele é muito utilizado quando se precisam aplicar grandes quantidades de força em um sistema evitando perdas, como por exemplo, elevadores automotivos e macacos hidráulicos Wikipedia (2013). Figura 13 - Detalhe interno do macaco-hidráulico. Fonte: Autores Então obtemos uma relação de transmissão de força de um ponto (F1/A1) para o ponto (F2/A2). ࡲ ࡲ = (2) 26 Portanto, as intensidades das forças aplicadas são diretamente proporcionais às áreas dos êmbolos. Por exemplo, se a área A2 for dez vezes maior que a área A1, a força F2 terá intensidade dez vezes maior que F1, Infoescola (2013) Informações Técnicas de elevação. Figura 14 - Detalhes do Macaco. Fonte: Autores • • • • • • Capacidade da Carga Altura da Base Elevação Hidráulica Total Parafuso de elevação Elevação Total Altura total 2.000 Kg (a) 19,3 cm (b) 12,3 cm (c) 7,8 cm (d) 20,1 cm (e) 39,4 cm 3.2 – PARAFUSO Parafuso é um operador que deriva diretamente do plano inclinado e sempre trabalha associado a um orifício roscado. Figura 15 - Parafuso. Fonte: HTTP://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_tornillo.htm Pode ser definido como um plano inclinado que envolve um cilindro, ou tecnicamente falando, um sulco helicoidal fabricado na superfície de um cilindro. Todo parafuso pode ter 27 dois sentidos de rosca; a rosca direita ou rosca esquerda. Explicando de uma maneira simples, a rosca direita tem seu filete (sulco) enrolado no sentido dos ponteiros de um relógio já a rosca esquerda seu filete é enrolado no sentido contrário. A mais usada no dia a dia é a rosca direita, que faz o parafuso avançar quando fazemos girar uma porca ou um furo no sentido dos ponteiros do relógio. Figura 16 - Rosca. Fonte: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_tornillo.htm Existem também os parafusos tipo rosca simples ou rosca múltipla; e que são fabricados simultaneamente um, dois ou mais sulcos sobre o mesmo cilindro, dando lugar a parafusos de rosca simples, rosca dupla ou rosca tripla, conforme o número de sulcos fabricados. A mais utilizada é a simples, reservando as roscas múltiplas para mecanismos que oferecem pouca resistência ao movimento e aos que desejam obter um avanço mais rápido com um número de voltas mínimo (mecanismo de aperto). Figura 17 - Roscas Simples / Dupla. Fonte: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_tornillo.htm 28 Se encontrado vários tipos de perfis como Witworth, métrica, redonda, quadrada, trapezoidal e dente de serra, sendo que, as mais comuns para o uso em sistemas de parafuso e porca são Witworth e a métrica; o perfil de redonda é utilizado em aplicações especiais como lâmpadas e fusos de precisão; a quadrada e a trapezoidal se empregam para a transmissão de potência ou movimento em grifos, morsas, macacos; e as dentes de serra que recebem precisão em apenas um sentido e é usado em aplicações especiais como mecanismos onde se queira facilitar o giro em um sentido e dificultar em outro. Como também outra parte importante de se conhecer na rosca é o “passo”, que nada mais é, a distância que existe entre duas cristas consecutivas. Se o parafuso é de rosca simples corresponde ao avanço sobre a porca com uma volta completa. Se for de rosca dupla o avanço será igual ao dobro do passo. Figura 18 - Roscas Simples / Passo-avanço. Fonte: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_tornillo.htm É importante saber que segundo o perfil da rosca, se define o tipo dela. Os mais comuns para aplicação são a Witworth e a métrica, Mundo Mecânico (2006). Estes tipos de roscas estão normalizados, o que quer dizer que as dimensões de diâmetros, passo, ângulo de filete, forma da crista e da raiz etc. já estão predefinidas em normas da ABNT, ISO, entres outras. Em nosso projeto utilizaremos o parafuso de potência, também conhecido como parafuso de avanço. São utilizados para converter movimentos rotacionais para movimentos lineares em atuadores, macacos e outros dispositivos. Eles são capazes de produzir grande vantagem mecânica, portanto podem levantar e mover grandes cargas, devido o formato de sua rosca. As principais roscas utilizadas neste tipo de parafuso são, Mundo Mecânico (2006): 29 - Rosca quadrada; - Acme (rosca trapezoidal); - Botaréu. Descritas logo abaixo. A Rosca quadrada provê máxima eficiência e rigidez e elimina qualquer componente de força radial entre o parafuso e a porca. Mas é muito mais difícil de ser cortada devido a sua face perpendicular. Uma forma de aplicação deste parafuso é no macaco, para levantamento de cargas. A porca é girada pela aplicação de torque T e o parafuso se move para cima para levantar a carga P ou para baixo para baixá-la. Deve haver algum atrito na superfície de carga para evitar que o parafuso rode com a carga. Uma vez que a carga esteja fixada, isto não é problema. Alternativamente, o parafuso poderia ser girado contra uma porca fixa para levantar a carga. Em ambos os casos, existira um atrito significativo entre o parafuso e a porca, bem como entre a porca e a base, sendo, portanto necessária a utilização de um mancal axial. Se um mancal axial simples (que não roda) for utilizado, é possível gerar na interface com o mancal um torque de atrito maior do que aquele presente nas roscas. Mancais axiais de esferas são utilizados frequentemente neste tipo de aplicação para reduzir perdas. Analisando as forças e torques aplicáveis em roscas quadradas, a rosca do parafuso é essencialmente um plano inclinado enrolado ao redor de um cilindro de forma a criar uma hélice. Se o desenrolássemos uma volta da hélice, esta pareceria como se vê na figura 23, que mostra um bloco representando a porca enquanto escorrega plano inclinado acima, no caso de uma rosca quadrada. As forças atuantes na porca9a, mostrada como um digrama de corpo livre são também mostradas. A figura 23(a) mostra o diagrama de corpo livre da mesma porca quando esta desliza plano abaixo. A força de atrito, é claro, sempre se opõe ao movimento. 30 Figura 19 - Forças. Fonte: http://pt.scribd.com/doc/60913248/114/Rosca-Quadrada A inclinação do plano é chamada de ângulo de avanço λ ࢀࢇࣅ = ࡸ (3) ࣊ ൈ ࢊ No caso do levantamento da carga da figura 23(b), a soma das forças nas direções x e y são: ∑ ࡲ࢞ = → ࡲ െ ࢌࢉ࢙ࣅ െ ࡺ࢙ࢋࣅ = ࡲ െ ࣆࡺࢉ࢙ࣅ െ ࡺ࢙ࢋࣅ (4) ࡲ = ࡺ(ࣆࢉ࢙ࣅ ࢙ࢋࣅ) (5) ࡲ࢟ = → ࡺࢉ࢙ࣅ െ ࢌ࢙ࢋࣅ െ ࡼ = ࡺࢉ࢙ࣅ െ ࣆࡺ࢙ࢋࣅ () ࡼ (7) (ࢉ࢙ࣅ െ ࣆ࢙ࢋࣅ) ࡺ= Onde µ é o coeficiente de atrito entre o parafuso e a rosca e as outras variáveis são definidas na figura 23. A combinação dessas equações produz uma expressão para a força F: ࡼࣆ࢙ࢋࣅ ࢙ࢋࣅ (8) (ࢉ࢙ࣅ െ ࣆ࢙ࢋࣅ) 31 ࡲ=ࡼൈ O torque de parafuso Tsu necessário para levantar a carga é: ࡼࢊ (ࣆ࣊ࢊ ࡸ) ൈ (9) (࣊ࢊ െ ࣆࡸ) ࢀ࢙࢛ = ࡲ ൈ Algumas vezes, é mais conveniente expressar esse torque como uma função do avanço L em vez do ângulo de avanço λ. Portanto, dividindo o numerador e o denominador por cos λ e substituindo o lado direito da outra equação λ, resulta. ࡼࢊ (ࣆ࣊ࢊ ࡸ) ൈ (10) (࣊ࢊ െ ࣆࡸ) ࢀ࢙࢛ = Esta expressão considera apenas a interface parafuso-porca de uma rosca quadrada, porem o colar também contribui para o torque de atrito e também deve ser adicionado. O torque requerido para girar o colar de empuxo é: porém o colar também contribui para o torque de atrito e também deve ser adicionado. O torque requerido para girar o colar de empuxo é: ࢊࢉ (11) ࢀࢉ = ࣆࢉࡼ ൈ Onde dcé o diâmetro médio do colar axial e µcé o coeficiente de atrito no rolamento axial. Observe que o torque necessário para vencer o atrito de colar pode igualar ou exceder o torque do parafuso, a menos que mancais de rolamento sejam utilizados no colar de empuxo. Diâmetros menores de colar também reduzem o torque de colar. O torque total Tu para levantar uma carga com uma rosca quadra é: ࢀ࢛ = ࢀ࢙࢛ ࢀࢉ = ࡼࢊ (ࣆ࣊ࢊ ࡸ) ࢊࢉ ൈ ࣆࢉࡼ ൈ (12) (࣊ࢊ െ ࣆࡸ) A mesma analise pode ser feita para o caso de abaixar a carga. Os sinais das forças aplicadas e de atrito mudam e o torque Td para abaixar a carga é: 32 ࢀࢊ = ࢀ࢙ࢊ ࢀࢉ = ࡼࢊ (ࣆ࣊ࢊ ࡸ) ࢊࢉ ൈ ࣆࢉࡼ ൈ (13ሻ (࣊ࢊ െ ࣆࡸ) A rosca Acme possui um ângulo de 29°, o que torna mais fácil a fabricação e permite também o uso de uma porca partida, que pode ser apertada radialmente contra o parafuso para consumir qualquer desgaste existente. Uma rosca Acme pode ser curta (modificada) disponível com dentes com altura de 0,3.pou a padrão que é de 0,5.p. Sua vantagem é que pode sofrer um tratamento térmico mais uniforme, a escolha deste tipo de rosca comum para os parafusos de potência, pois devem carregar cargas em ambas as direções. Figura 20 - Rosca Acne. Fonte: http://books.google.com.br/books O ângulo radial de uma rosca Acme (ou outro rosca) introduz um fator adicional nas equações de torque. A força normal entre o parafuso e a porca envolve dois ângulos com relação a dois planos, o ângulo de avanço λ, e também o ângulo α = 14,5° da rosca Acme, como mostrado na figura abaixo. 33 Figura 21 - Força Normal. Fonte: http://books.google.com.br/books Uma derivação similar àquela feita para o caso da rosca quadrada produzira as seguintes expressões para os torques de levantamento e abaixamento da carga: ࡼࢊ (ࣆ࣊ࢊ ࡸ) ݀ܿ ൈ ߤܿܲ ൈ ሺ14ሻ (࣊ࢊ െ ߤ)ܮ 2 ࢀ࢛ = ࢀ࢙࢛ ࢀࢉ = ܶ݀ ൌ ܶ ݀ݏ ܶܿ ൌ ܲ݀ ሺߤߨ݀ ܮሻ ݀ܿ ൈ ߤܿܲ ൈ ሺ15ሻ 2 ሺߨ݀ െ ߤܮሻ 2 Ambas as equações se reduzem àquelas da rosca quadrada quando o angulo α= 0. A rosca botaréu é aplicada quando a carga axial é unidirecional, e é utilizada para obter maior resistência na raiz que apresente nas outras roscas citadas. 3.3 – PROPRIEDADES DE PARAFUSOS DE POTÊNCIA 3.3.1 – COEFICIENTE DE ATRITO De acordo com Mundo Mecânico (2006) os experimentos indicam que o coeficiente de atrito em uma combinação parafuso-porca lubrificado por óleo vale de 0,15 ± 0,055. O coeficiente de átrio em um mancal axial simples (que não roda) é aproximadamente o mesmo que aquele em roscas. Aço sobre bronze ou aço sobre ferro fundido são combinações comuns para este tipo de mancal. Se um mancal de elemento rolante for usado com arruela axial, seu coeficiente de atrito será de cerca de 1/10 daquele de mancais simples (isto é, 001 a 0,02). 34 3.3.2 – AUTOTRAVAMENTO E RETROCIONAMENTO DE PARAFUSOS DE POTÊNCIA ܮ ߤ ≥= ൈ ܿ ߣ݊ܽݐ ݑݏൈ ܿ( ∝ ݏ16) ߨ݀ Se a rosca for do tipo quadrada, cos α = 1, esta expressão se reduz a: ܮ ൈ ܿ( ߣ݊ܽݐ ݑݏ17) ߨ݀ ߤ ≥= Observe que essas relações supõem uma condição estática de carregamento. A presença de qualquer vibração pode fazer com que o parafuso auto-travante desça e qualquer vibração que cause o movimento entre o parafuso e a porca causara escorregamento para baixo no plano de rosca. 3.4 – EFICIÊNCIA DE PARAFUSOS A eficiência de qualquer sistema é definida como a relação entre trabalho de saída/trabalho de entrada. O trabalho feito sobre um parafuso de potência é o produto do torque e do deslocamento angular (em radianos), o qual para uma volta do parafuso iguala a: ܹ݁݊ = ݐ2ߨܶ (18) O trabalho produzido em uma volta é o produto da força pelo avanço: ܹ( ܮܲ = ݅ܽݏ19) A eficiência é: ݁= ܹ݅ܽݏ ܲܮ = (20) ܹ݁݊ ݐ2ߨܶ 35 A substituição da equação desconsiderando o termo de atrito de colar resulta: ܮ ߨ݀ ∝ ݏܿ െߤܮ ൈ (21) ߨ݀ ݀ߤߨ ∝ ݏܿܮ ݁= Esta expressão pode ser simplificada: 1 െ ߤ ߣ݊ܽݐ (22) 1 ߤ ܿߣݐ′ ݁= 3.5 – TENSÕES EM ROSCAS Quando a um contato entre o parafuso e a porca, teoricamente todos os filetes de rosca suporta toda a carga. Na realidade, as imprecisões no espaçamento dos filetes fazem com que praticamente toda a carga seja carregada pelo primeiro par de filetes. Assim, o procedimento conservativo utilizado no cálculo de tensões de filete de rosca assume o pior caso em que um par de filetes suporta toda a carga. O outro extremo seria assumir que todos os filetes em contato compartem a carga igualmente. Ambas as hipóteses podem ser utilizadas para estimar as tensões em filetes de rosca. A tensão está entre esses extremos, mas muito mais provavelmente próxima ao caso da carga compartida por um par de filetes apenas. A tensão verdadeira estará compartida por um par de filetes apenas. Parafusos de potência envolvendo cargas altas são normalmente construídos de aço de alta resistência e geralmente são endurecidos. 3.6 – TENSÃO AXIAL Um parafuso de potência pode ser submetido a cargas axiais de tração ou compressão. Um parafuso de fixação normalmente vê apenas carga axial de tração. A área sob tensão de tração de um parafuso foi discutida anteriormente. Mas para os parafusos de potência carregados em compressão, tem a possibilidade de flambagem. Onde veremos mais adiante. 36 3.7 – ENGAJAMENTO MINIMO DOS FUROS Quando um parafuso é rosqueado a um furo rosqueado em lugar de uma porca, um comprimento maior de engajamento é necessário. Para algumas combinações de material, um comprimento de engajamento no mínimo igual ao diâmetro nominal de rosca d é recomendado. Para um parafuso de aço em ferro fundido, latão ou bronze, utilize 1,5.d. Par parafusos de aço em alumínio, utilize 2.d como comprimento mínimo de engajamento de rosca. 3.8 – TENSÕES TORCIONAIS Quando uma porca é apertada em um parafuso, ou quando um torque é transmitido através de uma porca de um parafuso de potência, uma tensão de torção pode ser desenvolvida no parafuso. O torque que torce o parafuso depende do atrito na interface parafuso-porca. Se o parafuso e porca estão bem lubrificado, uma porção menor do torque aplicado é transmitida ao parafuso e uma maior é absorvida entre a porca e a superfície engastada. Se a porca agarrada ao parafuso por causa de ferrugem, todo o torque aplicado irá torcer o parafuso, o que explica por que parafusos enferrujados normalmente cisalham mesmo quando se tenta afrouxar a porca. Em um parafuso de potência, se o colar de empuxo possuir um atrito baixo, todo o torque á porca criará tensões torcionais no parafuso. Assim, para acomodar o pior caso de alto atrito nas roscas, utilize o torque total aplicado na equação de cômputo das tensões de torção em uma secção circular. O diâmetro menor dr da rosca deve ser utilizado neste calculo. ܶݎ ܶ = 16 ൈ ൈ ݀ ൈ ݎଷ (23) ܬ ߨ ܶ= 3.9 – FLAMBAGEM Ao sofrer de ação a uma carga axial de compressão, o macaco pode perder a sua estabilidade, sem que o material tenha atingindo o seu limite de escoamento. Isto ocorrerá sempre na direção do eixo de menor momento de inércia na transversal. 37 Como as formas de equilíbrio instável não se mantêm, a barra se encurva e adquire então outra forma de equilibro estável. Veja abaixo a figura e em seguida a definição de flambagem conforme dito pelo autor Vladimir Arrivabene - Resistências dos Materiais (1982). Figura 22 - Flambagem Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes “O valor P para o qual ocorre a passagem entre as duas formas de equilíbrio estável chama- se carga de flambagem. Ao fenômeno da passagem de uma para outra forma de equilíbrio damos o nome da flambagem.” Considerando conforme abaixo. Pcr = carga crítica de Euler E = módulo de elasticidade I = momento de inércia I = comprimento de encurvadura da peça 3.10 – FADIGA É uma forma de falha que ocorre em estruturas sujeitas a tensões dinâmicas e oscilantes (por exemplo, ponte, aeronaves e componentes de máquinas). Sob essas circunstâncias, é possível a ocorrência de uma falha em um nível de tensão consideravelmente inferior ao limite de resistência a tração ou ao limite de escoamento para a carga estática. Neste estudo é que explicado e estudado situações que podem ocorrer quando de fato o macaco está em operação. Existe a que analise a fadiga, forças e os materiais que compõe esta ferramenta. Mas qual a importância deste estudo para o macaco? Através dessa circunstância, é possível a ocorrência de uma falha em um nível de tensão consideravelmente inferior ao limite de resistência à tração e ao limite de escoamento para a carga estática. A fadiga é o tipo de falha 38 que ocorre normalmente após um longo período de tensões ou ciclos de deformação que se repetem. 90% das falhas em metais são causadas pela fadiga, isso mostra a importância deste estudo para entender a leitura dessa falha que pode causar acidentes. 3.11 – TENSÕES CÍCLICAS Entende-se as tensões para descobrir os limites de resistência dos materiais. Em geral, são possíveis três modalidades diferentes de tensão oscilante versus tempo. Uma dependência regular e senoidal em relação ao tempo, onde a amplitude é simétrica ao redor de um nível médio de tensão igual a zero que, por exemplo, alterna entre uma tensão de tração máxima (Tensão Máx) e uma tensão de compressão mínima (Tensão Mín) de igual magnitude. Isso é conhecido como ciclo de tensões alternadas. Os valores máximos e mínimos são assimétricos em relação ao nível zero de tensão. Finalmente, o nível de tensão pode variar aleatoriamente em amplitude e em frequência. Diversos parâmetros usados para caracterizar ciclos de tensões oscilantes. A amplitude da tensão oscila ao redor de uma tensão média, que é definida como a média entre as tensões máxima e mínima no ciclo, ou seja: ߪ= ߪ max + ߪ݉݅݊ (24) 2 Além disso, o intervalo de tensões é simplesmente a diferença entre σi é simplesmente a diferença entre σMáx e σmín, isto é: ߪ = ߪ max ߪ݉݅݊ (25) A amplitude da tensão σa é simplesmente metade desse intervalo de tensões, ou: ߪܽ = ߪ݅ ߪ max − ߪ݉݅݊ = (26) 2 2 39 Finalmente, a razão de tensões R é simplesmente a razão entre as amplitudes das tensões mínimas e máximas: ߪ݉݅݊ (27) ߪ݉ܽݔ ܴ= 3.12 – A CURVA (EXPLICAÇÃO DOS TESTES) Como ocorrem com outras características mecânicas as propriedades de fadiga dos materiais podem ser determinadas a partir de ensaios de simulação no laboratório. E iniciada uma série de ensaios submetendo um corpo de prova ao ciclo de tensões sob uma amplitude de tensão máxima relativamente grande (σmáx), geralmente da ordem dois terços do limite de resistência à tração sob condições estáticas; o número de ciclos até a falha é contado. Esse procedimento é repetido com outros corpos-de-prova empregando-se amplitudes máximas de tensão progressivamente menores. Esse procedimento gera resultados para determinar limite de resistência à fadiga (algumas vezes também chamado de limite de durabilidade abaixo do qual a falha por fadiga não ira ocorrer. Esse limite de resistência a fadiga representa o maior valor da tensão oscilante para o qual não irá ocorrer uma falha após essencialmente um número infinito de ciclos. Com isso determina-se uma das propriedades mais importantes deste estudo os graus de fadiga da peça. Vamos analisar o eixo sem fim do macaco que através de testes foi comprovado ser um aço carbono 1020. “conforme documento anexo da máquina tal”. A leitura do teste de impacto é feita com base nas tensões em função do logaritmo do número de ciclos N até a ocorrência da falha, para cada um dos corpos-de-prova. Os valores de tensão são tomados normalmente na forma de amplitudes de tensão; ocasionalmente, os valores de tensão Max ou de tensão min podem ser usados. Dois tipos de comportamentos distintos são observados, em gráficos indicam, quanto maior a magnitude da tensão, menor será o número de ciclos que o material será capaz de suportar antes de uma ocorrência de uma falha. Outro parâmetro importante que caracteriza o comportamento de fadiga de um material é a vida em fadiga Nf. Ela corresponde ao número de ciclos necessário para causar a falha sob um nível de tensão específico, conforme tomado do gráfico O-N. Infelizmente, existe sempre uma dispersão considerável nos dados de fadiga, isto 40 é, uma variação nos valores de N medidos para vários corpos de prova que são testados sob o mesmo nível de tensão. Isso pode levar a incertezas de projeto significativas quando a vida em fadiga e/ou o limite de resistência à fadiga (ou a resistência à fadiga) estiverem sendo considerados. A dispersão nos resultados é uma consequência da sensibilidade da fadiga a uma variedade de parâmetros do ensaio e do material, os quais são impossíveis de serem controlados de uma maneira precisa. Esses parâmetros incluem a fabricação do corpo-de-prova e o preparo da superfície, variáveis metalúrgicas, o alinhamento do corpo-de-prova no equipamento de testes, a tensão média e a frequência dos testes. Os testes realizaram-se no laboratório industrial da Sulzer Brasil S/A e sob as normas ASTM sobre os corpos de prova e suas medidas e especificações... É preciso entender que a falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas: (1) iniciação da trinca, onde uma pequena trinca se forma em algum ponto de alta concentração de tensões; (2) propagação da trinca, durante a qual essa trinca avança incrementalmente após cada ciclo de tensões; e (3) a falha final, que ocorre muito rapidamente depois que a trinca que está avançando atingiu um tamanho critico. A vida em fadiga Nf, que representa a quantidade total de ciclos até a fratura, pode ser considerada, portanto, a soma do número de ciclos para a iniciação da trinca Ni com o número de ciclos para a propagação da trinca Np. ܴ = ܰ݅ ܰ( 28) 41 CAPÍTULO 4 – ESTUDO DE CASO 4.1 – CRITÉRIO DO PROJETO O projeto do Macaco Eletro-Hidráulico foi concebido com características simples, funcionais e de baixo custo; a fim de garantir ao consumidor final segurança e eficiência do produto. Sendo dimensionado para suportar cargas de veículos de passeio, com “anéis O’Ring” convenientemente posicionados para evitar vazamento de óleo; e ainda, com maior precisão no dimensionamento, para evitar sobrecarga no motor de acionamento elétrico e elevar o período de vida do produto, tornando livre de constantes manutenções. O que deve elevar a competitividade do produto no mercado. 4.2 – DESCRIÇÃO FUNCIONAL DO MACACO ELETRO-HIDRÁULICO O cilindro hidráulico é constituído por um corpo do cilindro no qual um êmbolo ligado a uma haste de êmbolo se move para trás e para a frente. O cano é fechado em cada extremidade pôr a parte inferior do cilindro (também chamada a tampa de extremidade) e pôr a cabeça do cilindro, onde a haste do pistão vem para fora do cilindro. O pistão tem anéis e vedações deslizantes. O pistão divide o interior do cilindro em duas câmaras, a câmara inferior (tampa de extremidade) e a câmara de haste de êmbolo lateral (extremidade da haste). A pressão hidráulica atua sobre o êmbolo para fazer o trabalho e movimento linear. Flanges, munhões e / ou clevises estão montados no corpo do cilindro. A haste do êmbolo também tem acessórios de montagem para ligar o cilindro para o componente de objeto ou a máquina que está a empurrar. Um cilindro hidráulico é o atuador ou lado " do motor " deste sistema. O lado "gerador " do sistema hidráulico é a bomba hidráulica, que traz um fluxo fixo ou de óleo regulado para o lado inferior do cilindro hidráulico, para deslocar a haste do êmbolo para cima. O êmbolo empurra o óleo na câmara de outra volta para o reservatório. Se supusermos que a pressão do óleo na câmara de haste de êmbolo é aproximadamente zero, a força sobre a haste do êmbolo é igual à pressão na área de vezes que o pistão do cilindro (F = PA). O êmbolo move-se para baixo em vez de óleo, se é bombeado para dentro da câmara do lado da haste do pistão e o óleo a partir da área do pistão corre de volta para o reservatório, sem 42 pressão. A pressão na câmara de haste de êmbolo é a área (Pull Force) / (área de pistão - área da haste). Figura 23 - Macaco Elétrico-Hidráulico completo. Fonte: Autores. O Macaco Eletro-Hidráulico tem base feita totalmente em aço 1020. Figura 24 - Base Macaco Eletro-hidráulico. Fonte: Autores. Figura 25 - Cilindro. Fonte: Autores. 43 Figura 26 - Haste. Fonte: Autores. Figura 27 - Caneco de deposito. Fonte: Autores. Figura 28 - Guia sextavada. Fonte: Autores. 44 Figura 29 - Pistão de injetor. Fonte: Autores. 4.3 – DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES ESTRUTURAIS Cálculo do esforço para levantamento da carga de 2000 kg. Para 2000 Kg calculamos a pressão, utilizando a equação (1): ܲ1 = ܨ1 20000 ݂݃ܭൗ = గ×଼మ = 39,79 ܿ݉ଶ ܣ1 ସ Temos a seguinte equação: ܨ1 ܨ2 = ܣ1 ܣ2 Isolando F2 temos a seguinte equação: ܨ2 = Calcula-se então a área de cada cilindro: =ܣ Cilindro um: ܣ1 = Cilindro dois: ܣ2 = ߨ × (0,020݉)ଶ = ߨ × 10ିସ ݉ 4 45 ܨ1 × ܣ2 ܣ1 ߨ × ݀ଶ 4 ߨ × (0,340݉)ଶ = 0,0907݉ 4 Substituindo: ܨ2 = ܨ1 20000 ܰ × ܣ2 = × ߨ × 10ିସ ݉ ܣ1 0,0907݉ ܨ2 = 69,20 ܰ Calculamos o torque exercido para sabermos o motor a ser usado: ܨ = ݐܯൈ ݀ = 69,20ܰ ൈ 0,02݉ = ݐܯ1,38ܰ݉ Selecionamos o seguinte motor: Figura 30 - Motor Pittman 12v Fonte : Robocore.net Especificações: Tensão nominal 12V RPM (sem carga) 1000 Potência 24W Torque (stall) 1.5Nm Corrente (sem carga) 0.33A Corrente (stall) 15.5A Peso 450g Tabela 1 – Especificações do motor. Fonte: Robocore.net 46 Figura 31 - Desenho do motor Fonte: Robocore.net Figura 32 - Imagem do protótipo Fonte: Autores 4.4 – ESPECIFÍCAÇÃO DO SISTEMA DE ACIONAMENTO O Macaco Eletro-Hidráulico é acionado por um motor 12v ligado a bateria do carro ou acendedor de cigarro do mesmo, o moto faz um movimento de vai e vem no pistão injetor um cilindro menor bombeando óleo para o cilindro principal que por sua vez levanta um cilindro que exerce uma força sobre a carga, o motor para quando alcança a elevação máxima. O motor 12v modelo (x) é alimentado através da corrente gerada da bateria do veículo, o Macaco Eletro-Hidráulico contem 3 conectores, um conector com entrada para acendedor de 47 cigarro do veículo (fig.4.1) o segundo com encaixes para os polos da bateria do veículo (fig.2), e o terceiro uma fonte de energia ligada na tomada residencial (fig.3), contem também uma extensão de 6m com conexão para cada componente. Figura 33 - Conector com entrada acendedor de cigarro automotivo. Fonte: tecnmidia.com.br. Figura 34 - Conector polo bateria veicular. Fonte: extra.com.br. Figura 35 - Fonte 12V. Fonte: casaseg.com 4.5 – ESPECIFÍCAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE 48 O motor 12v Modelo (X), é acionado por um botão interruptor momentâneo off-(sobre) retorno por mola, fazendo com que a altura desejada seja mais precisa, o botão é fixado em uma extensão de 1,5m mantendo o usuário a uma distância segura do veículo. Figura 36 - Botão interruptor momentâneo (OFF). Fonte: aliexpress.com 4.5 – BOTÃO FECHADOR Botão fechador (válvula) é responsável pela liberação da passagem do óleo de uma câmera a outras, componente essencial para o funcionamento do Macaco Eletro-Hidráulico. Figura 37 - Botão Fechador. Fonte: Loja dos macacos. 4.6 – AÇÃO DE SUBIDA DO PISTÃO 49 Para realizar a subida do pistão, deve-se girar o botão fechador no sentido horário, certificando que o mesmo está totalmente fechado, verifique a posição do Macaco EletroHidráulico para que ele não esteja torto ou mal encaixado, plugue uma das 3 fontes de energia 12v, pressione e segure o botão interruptor até a altura desejada e depois solte o botão. 4.7 – RETORNO DO PISTÃO Para realizar o retorno do pistão e baixar a carga, é necessário usar a ferramenta que acompanha o produto, deve-se girar o botão fechador no sentido anti-horário não mais que duas voltas, o próprio peso da carga retornara o pistão. 4.8 – ÓLEO HIDRÁULICO Usamos em nosso Macaco Eletro-Hidráulico o óleo hidráulico SAE 10W. 4.8.1 – SAE 10W SAE 10W é um óleo hidráulico para uso em veículos de serviço pesado rodoviário e fora de estrada recomendado para aplicações que requeiram um produto no grau de viscosidade SAE 10W e que exijam a antiga especificação Caterpillar TO-2. SAE 10W cumpre com a exigência de teor mínimo de zinco de 900 conforme indicado em seu boletim de serviço SEBU6250-18 para uso como fluido para sistemas hidráulico e transmissões hidrostáticas de máquinas. 4.8.2 – APLICAÇÕES SAE 10W atende os requerimentos dos principais fabricantes de bombas para fluidos hidráulicos do tipo anti-desgaste de sistemas hidráulicos móveis em serviço pesado dentro e fora da estrada. 50 4.8.3 – RECOMENDAÇÕES Sistemas hidráulicos móveis de serviço pesado em aplicações dentro e fora de estrada, quando especificado um de óleo do motor SAE 10W. • Sistemas hidráulicos e transmissões hidrostáticas que requeiram um fluido. • Sistemas hidráulicos e transmissões hidrostáticas que especificam pelo menos 0,09 por cento (900 ppm) de aditivo de zinco. • Aplicações que necessitam de bombas de óleo hidráulico Eaton-Vickers 35VQ25A. 4.8.4 – CARACTERÍSTICAS TÍPICAS Tabela 2 - Tabela de características do óleo SAE 10W. Fonte: https://cglapps.chevron.com/msdspds/PDSDetailPage.aspx?docDataId=395311&docFormat=PDF O aço 1020 segundo Collins, J.A., é um aço que possui 0,2 de teor de carbono, limite de elasticidade de 170 Mpa e limite de escoamento de 210 Mpa; indicado para diversos produtos, como longarinas, chassis, peças para maquinas e veículos submetidos a esforços pequenos e médios. É um aço altamente tenaz, particularmente indicado para fabricação de peças. Tabela 3 - Tabela de Dureza esperadas em aço carbono. Fonte: Catálogo Gerdau 51 Tabela 4 - Tabela de Propriedades mecânicas do aço. Fonte Catálogo Gerdau Tabela 5 - Tabela de equivalência com normas. Fonte Catálogo Gerdau Tabela 6 - Tabela de características mecânicas do aço. Fonte Catálogo Gerdau 52 Tabela 7 - Tabela de construção mecânica do aço. Fonte: Catálogo Gerdau 53 CAPÍTULO 5 – DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO 5.1 – CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO 5.2 – TESTES PRELIMINARES 5.3 – ANÁLISE DE DESEMPENHO 54 CAPÍTULO 6 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 6.1 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 55 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS http://www.slideshare.net/josempsc/9-b-movimentosmecan Imagens de Macacos mecânicos http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/categoria/ferramentas/ História dos primeiros macacos mecânicos http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1678-31662008000400006 Definição de macaco mecânico http://pt.wikipedia.org/wiki/Macaco_(ferramenta) Catálogo sobre macacos mecânicos http://macacomecanico.com.br/catalogos/Cat%C3%A1logo%20MMS%C3%A9rie%20P%20%202009.pdf Modelos de macacos mecânicos. http://www.macacomecanico.com.br/ Apostila de Elementos de Máquinas https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/6/67/Apostila_elementos_de_maquinas_2009_2.pdf SHIGLEY, J. E. Elementos de Máquinas, vol. 1, reimpressão, LTC: São Paulo, 1986; TELECURSO 2000. Elementos de Máquinas, aulas. 6, 7 e 8; PROTEC, Manual do Projetista de Máquinas, São Paulo, 1984. LORDES, Francisco et. all. Noções Básicas de Elementos de Máquinas. Senai/CST:Vitória, 1996. NORTON, R. L. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada, 2ª Ed., Bookman, 2004. 56 Apostila sobre parafuso de potência http://www.ebah.com.br/content/ABAAABprgAB/parafuso-potencia Apostila sobre parafusos e roscas http://mundomecanico.com.br/wp-content/uploads/2011/09/01-Parafusos-e-roscas_2.pdf 57