PROJETO E CONSTRUÇÃO
DE UM DIFERENCIAL
COMO MODELO PEDAGÓGICO
Vitor Alcácer ¹, Francisco Ávila ², Prof. Carlos Fortes ³, Prof. Dr.ª Rosa Marat-Mendes ³
1 – Ex-aluno Engenharia Mecânica – Ramo Produção da ESTSetúbal
2 – Ex-aluno Engenharia Mecânica – Ramo Automóvel da ESTSetúbal
3 – DEM, Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, Instituto Politécnico de Setúbal
CONTEÚDOS
2
Introdução
Revisão da literatura
O modelo pedagógico
Resultados experimentais
Conclusões
INTRODUÇÃO
3
Enquadramento e motivação
Sistemas de transmissão nos veículos automóveis
Transmissão de potência através de engrenagens
Objetivos
Dimensionamento e verificação por elementos finitos do diferencial
Construção e montagem do modelo
Demonstrar as funções que o diferencial desempenha num automóvel
REVISÃO DA LITERATURA
4
Evolução do diferencial
Difícil de identificar a data da invenção
2634 AC, a South Pointing Chariot da China
Réplica do mecanismo Antikythera do Século I AC
REVISÃO DA LITERATURA
5
Funcionamento, tipos de diferenciais
REVISÃO DA LITERATURA
6
Materiais usados em engrenagens
Variações de materiais consoante o campo de aplicação
Aços de diferentes composições
Ferro fundido
Bronze
Alumínio
Diferentes composições de plásticos
Materiais cerâmicos
Madeira
REVISÃO DA LITERATURA
7
Processos de fabrico de engrenagens
Processos de conformação, micro molde de injeção
REVISÃO DA LITERATURA
8
Processos de fabrico de engrenagens
Processos de geração de rodas dentadas
O MODELO PEDAGÓGICO
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Diferencial de referência, livre ou aberto
Modelo MX5 da Mazda
O MODELO PEDAGÓGICO
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Constituição do modelo pedagógico
Adaptação para o parque de máquinas existente
Componentes standard
O MODELO PEDAGÓGICO
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Componentes standard
O MODELO PEDAGÓGICO
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Dimensionamento do diferencial
Critério do desgaste uniforme
Roda de dentes par com roda de dentes impar
Pinhão com 12 dentes
Coroa com 47 dentes
Satélite com 12 dentes
Planetário com 17 dentes
Critério do dente suplementar
Relações de transmissão “não exatas”
Relação no grupo cónico de 3,92
Relação do grupo diferencial de 1,42
O MODELO PEDAGÓGICO
13
O MODELO PEDAGÓGICO
14
O MODELO PEDAGÓGICO
15
Verificação através de elementos finitos, critério de Von Mises
O MODELO PEDAGÓGICO
16
Verificação através de elementos finitos, critério de Von Mises
Valores máximos
Fabricante admite 36 MPa de tensão de resistência à tração
O MODELO PEDAGÓGICO
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Reações nos apoios
Grupo diferencial
O MODELO PEDAGÓGICO
18
Reações nos apoios
Grupo cónico
O MODELO PEDAGÓGICO
19
Reações e momentos fletores nos apoios
O MODELO PEDAGÓGICO
20
Escolha dos materiais
Plástico ABS Plus
Rodas dentadas
Liga de alumínio 2030
Veios, Flanges, Chumaceiras
Poliuretano Sikablock M440
Casquilho do motor
Plástico PE1000
Tampas, casquilhos e aro
O MODELO PEDAGÓGICO
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Dimensionamento do semi-eixo, grupo diferencial
Secção crítica, apoio D
Esforço transverso máximo de 9,39 N
Momento fletor máximo de 0,2 Nm
O MODELO PEDAGÓGICO
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Dimensionamento do veio de transmissão,
grupo cónico
Secção crítica, apoio F
Esforço transverso máximo de 272,68 N
Momento fletor
máximo de 9,97 Nm
O MODELO PEDAGÓGICO
23
Componente eletrónica do modelo
Placa de comandos
Divisor de tensão
O MODELO PEDAGÓGICO
24
Componente eletrónica do modelo
Motor elétrico
Medição das rotações – 290 rpm
Medição do binário – 1 Nm
O MODELO PEDAGÓGICO
25
Fabrico dos componentes
Impressora 3D
Torno mecânico
Engenho de furar de bancada
Máquina CNC
O MODELO PEDAGÓGICO
26
Estratégias de maquinação
Rodas dentadas
com 60% da densidade
Porta satélites
coroa
O MODELO PEDAGÓGICO
27
Flanges, casquilhos e eixo dos satélites
Chumaceiras
Suporte do motor
O MODELO PEDAGÓGICO
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alavancas
veios
base
O MODELO PEDAGÓGICO
29
Aro espaçador
Placa de comandos
O MODELO PEDAGÓGICO
30
Nova verificação através de elementos finitos
60% da densidade nas rodas e com 1 Nm de binário máximo no motor
Tensão máxima admissível de 21,6 MPa
Deslocamento máximo no pinhão é de 0,04 mm
O MODELO PEDAGÓGICO
31
Revisão de velocidades e binários
Motor com 290 rpm máximas e 1 Nm de binário máximo
Grupo cónico
74 rpm e 3,92 Nm
Grupo diferencial
Com 148 rpm e 1,96 Nm
1 roda bloqueada
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
32
Montagem dos componentes
Grupo central
Diferencial
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
33
Desenvolvimento experimental
Eliminação de rolamentos
Bloqueio da rodas de atrito
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
34
Medição do binário mínimo
Raio do acoplamento de 16 mm
Peso de 0,425 kg
Binário de 0,07 Nm
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
35
Novo motor elétrico
675 rpm de rotação máxima
Raio de 20 mm na bucha
6,225 kg de peso
Binário de 1,22 Nm
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
36
Nova montagem para o motor
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
37
Correção do circuito eletrónico
2 transístores em paralelo
Rotação máxima de 150 rpm
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
38
Revisão dos modelos matemáticos utilizados
Velocidade não é constante, 180 rpm neste ensaio
4 fitas refletoras
Grupo cónico
Pela teoria – 46 rpm
No ensaio – 45,5 rpm
Erro de 0,01 %
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
39
Revisão dos modelos matemáticos utilizados
Velocidade não é constante, 180 rpm neste ensaio
Grupo diferencial
Pela teoria – 92 rpm
No ensaio – 84 rpm
Erro de 9 %
RESULTADOS EXPERIMENTAIS
40
Binário de bloqueio da roda
Peso de 0,295 kg no fim da alavanca, 2,9 N de força
Somatório de momentos na alavanca
4,2 N na roda de atrito
Desprezando o atrito
Bloqueio com 0,33 Nm
CONCLUSÕES
41
Ensaios realizados
Velocidade de entrada não é constante
Erros nas leituras
Discrepâncias de valores teóricos e práticos
No tacómetro utilizado
Necessidade de um suporte
para o sensor de leitura
CONCLUSÕES
42
Síntese do projeto
Contempla a parte teórica e a parte prática
Junção de muitas matérias lecionadas
Facilidade na compreensão de engrenagens
Necessidade de comprovar os cálculos realizados
Pouca informação sobre impressão 3D
Escolha dos materiais
Condicionada pelas doações
Ajustes do modelo
Troca de motor e correção do circuito eletrónico
CONCLUSÕES
43
Contribuição para trabalhos futuros
Nova montagem eletrónica com um novo motor
Proteção em acrílico para acessos perigosos
Guias de laboratório para ensaios no modelo
Ensaios de tensões máximas nas peças de impressão 3D consoante a
estratégia de fabrico
Estratégias de maquinação contemplando o parque de máquinas
existente na escola