PROJETO MECÂNICO DE UMA MÁQUINA PINO-DISCO PARA OBTENÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO ENTRE DIFERENTES MATERIAIS Maurício Herranz de Araujo Iglesias Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Sylvio José Ribeiro de Oliveira Rio de Janeiro Dezembro de 2014 PROJETO MECÂNICO DE UMA MÁQUINA PINO-DISCO PARA OBTENÇÃO DO COEFICIENTE DE ATRITO ENTRE DIFERENTES MATERIAIS Maurício Herranz de Araujo Iglesias PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Examinada por: _______________________________________________ Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira, Dr.Ing. (Orientador) _______________________________________________ Prof. Flávio de Marco Filho, Dsc. _______________________________________________ Prof. José Stockler Canabrava Filho, PhD. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL DEZEMBRO DE 2014 Iglesias, Maurício Herranz de Araujo Projeto Mecânico de uma Máquina Pino-Disco para Obtenção do Coeficiente de Atrito entre Diferentes Materiais/ Maurício Herranz de Araujo Iglesias. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014. X, 59 p.; 29,7 cm Orientador: Sylvio José Ribeiro de Oliveira. Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2014. Referências Bibliográficas: p. 43 - 44 1. Introdução 2. Revisão da Literatura. 3. Projeto Básico 4. Projeto de Detalhamento. 5. Conclusões. I. Ribeiro de Oliveira, Sylvio José. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Título. i DEDICATÓRIA Dedico este trabalho de conclusão de curso ao meu avô, Jesus Herranz Iglesias, in memoriam. Foi muito mais que um avô, foi o melhor de todos os meus amigos. Nunca esquecerei das nossas conversas, dos seus conselhos, do seu carinho, da sua paciência... Espero ser para o meu neto, pelo menos, metade do que você foi pra mim, pois assim já tenho certeza de que ele me amará como eu amei você. Infelizmente, você não estará na plateia, mas sei que estará me vendo e aplaudindo como das outras vezes. Obrigado por me ensinar valores que todo homem deve ter, esse meu diploma é pra você. ii AGRADECIMENTOS À Deus, por ter me dado forças nos momentos mais difíceis. Aos meus pais, Gonçalo Herranz Sieiro Iglesias e Ilná de Araujo Iglesias, por todo amor incondicional, por toda a paciência, por tudo que fizeram por mim durante todos esses anos, nunca deixaram que me faltasse nada. Serei eternamente grato, amo vocês. À minha irmã, Gabriela Herranz de Araujo Iglesias, por exercer muito bem o seu papel de irmã caçula, me dando trabalho, sendo minha amiga e companheira. À minha namorada, Ana Luisa Braga Franco, por ser a parceira que sempre foi o que precisava ter. Obrigado por ter sido meu porto seguro nos momentos mais difíceis. À senhora Nilce Dutra que é uma segunda mãe para mim, por sempre estar do meu lado a mais de 19 anos. À família Braga Franco, por todo apoio dado e carinho, me trataram como se fosse um filho/irmão, gostaria de dizer que vocês também formaram um engenheiro. Aos meus amigos da turma de 2008/2 e agregados, que, sem eles, não estaria aqui hoje. Especialmente para os engenheiros e futuros engenheiros: Vicente Tavares Curi, Rafael Vidal Bessa, Raphael Santana, Filippe Rosendo Guedes, Alexandre dos Santos Cavalcanti, Caio Filippo de Faria Machado e Rodrigo de Souza e Silva Picança. Ao meu orientador, Sylvio José Ribeiro de Oliveira, por todos os ensinamentos doados para a elaboração desse projeto. À UFRJ e ao Departamento de Engenharia Mecânica, que contribuíram para minha formação. iii Resumo do Projeto de Graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. Projeto Mecânico de Uma Máquina Pino-Disco para Obtenção do Coeficiente de Atrito Entre Diferentes Materiais Maurício Herranz de Araujo Iglesias Dezembro/2014 Orientadores: Sylvio José Ribeiro de Oliveira Curso: Engenharia Mecânica Ensaios Pino-Disco são usados em laboratórios para estudar a tribologia do deslizamento de diferentes materiais e lubrificantes. Logo, diferentes combinações de materiais são testados nesse tipo de ensaio, com o intuito de se avaliar as vantagens e desvantagens. Este trabalho consiste em um projeto de uma máquina que visa atender aos mais diferentes tipos de testes pino-disco entre materiais. Um dispositivo foi projetado que permite realizar ensaios com velocidades de deslizamento diferentes e carga máxima de 500N. Palavras-chave: Máquina Pino-Disco, Desgaste Por Deslizamento, Coeficiente De Atrito, Tribologia iv Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. MACHINE DESIGN OF A PIN ON DISC APPARATUS TO OBTAIN THE FRICTION COEFFICIENT AMONG DIFFERENT MATERIALS Maurício Herranz de Araujo Iglesias December/2014 Advisor: Sylvio José Ribeiro de Oliveira Course: Mechanical Engineering The Pin On Disc tests are used in laboratories to study the tribological sliding of different materials and lubricants. Therefore, different combinations of materials are tested in order to evaluate the advantages and disadvantages. This work consists of a machine design that aims to attend the most different types of tests of friction. A device is designed to perform tests with different sliding speeds and maximum load of 500N. Keywords: Pin On Disc Machine, Sliding Wear, Friction Coefficient, Tribology v Sumário 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1 2. REVISÃO DA LITERATURA .......................................................................................... 4 3. 4. 2.1. A Força de Atrito ................................................................................................ 4 2.2. Exemplos de Aplicação da Máquina .................................................................. 6 2.3. Formas Construtivas Da Máquina Pino-Disco.................................................... 8 PROJETO DA MÁQUINA PINO-DISCO ...................................................................... 11 3.1. Projeto Básico .................................................................................................. 11 3.2. Lista de Exigências ........................................................................................... 12 3.3. Conceito Da Máquina Pino-Disco .................................................................... 14 3.4. Materiais .......................................................................................................... 15 PROJETO DE DETALHAMENTO ................................................................................ 17 4.1. Cálculos Básicos ............................................................................................... 17 4.1.1. Força de atrito máximo ............................................................................. 17 4.1.2. Potência do motor ..................................................................................... 17 4.1.3. Acoplamento elástico ............................................................................... 19 4.1.4. Força necessária do pistão ........................................................................ 19 4.2. Cálculo Dos Esforços No Eixo Do Disco ............................................................ 21 4.2.1. Cálculo do diâmetro mínimo da seção do eixo do disco .......................... 26 4.2.2. Aplicando critério de Sodeberg ................................................................ 28 4.3. Cálculo dos Rolamentos ........................................................................... 29 4.4. Cálculo Dos Esforços No Eixo Da Estrutura Do Braço Nivelador ..................... 30 4.4.1. Análise dos diâmetros das seções de montagem dos rolamentos ............. 31 4.4.2. Cálculo dos rolamentos ............................................................................ 33 4.5. Cálculo dos Parafusos de Pivotamento. .......................................................... 35 4.5.1. Parafuso de pivotamento do pino ............................................................. 35 4.5.2. Parafuso de pivotamento do pistão ........................................................... 36 4.6. Cálculo do Cisalhamento dos Parafusos transmissores do torque ................. 36 4.7. Dimensionamento Do Contato Do Fulcro De Balança ..................................... 37 4.8. Dimensionamento das Chavetas ..................................................................... 39 4.8.1. Chaveta do eixo disco e acoplamento elástico ......................................... 39 vi 4.8.2. Chaveta eixo bloco fulcro de balança ....................................................... 40 4.8.3. Chaveta eixo cunha fulcro de balança ...................................................... 40 5. CONCLUSÕES ........................................................................................................... 41 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 42 7. ANEXOS ................................................................................................................... 44 8. 7.1. Itens de vedação .............................................................................................. 44 7.2. Moto-redutor, encoder e variador de frequência SEW................................... 46 7.3. Transdutor de Força ......................................................................................... 52 7.4. Célula de Carga ................................................................................................ 52 7.5. Catálogo VULKAN DRIVETECH ......................................................................... 53 7.6. Cálculo das seções dos eixos ........................................................................... 54 7.7. Pistão Pneumático Festo ................................................................................. 56 7.8. Rolamentos do eixo do disco ........................................................................... 57 7.9. Rolamentos do eixo estrutura ......................................................................... 57 7.9.1. Rolamento Superior .................................................................................. 57 7.9.2. Rolamento Inferior ................................................................................... 58 Desenhos de Detalhamento do Projeto .................................................................. 59 vii Lista de Figuras: Figura 1 - Representação das forças na interface entre o bloco e a placa. Fonte: o autor. 4 Figura 2 – Representação esquemática da Força de Atrito Estático. Fonte: o autor. ....... 5 Figura 3 - Máquina Pino-Disco com pino horizontal [7] ................................................. 8 Figura 4 - Máquina pino-disco com disco e pinos girantes [9]. ..................................... 10 Figura 5 - Tipos de contatos para fulcro de balança [11]. .............................................. 13 Figura 6 - Figura representativa para o cálculo da força do pistão. Fonte: o autor. ....... 20 Figura 7 - Representação Da Força Normal E Suas Reações Na Cor Amarela E Da Força De Atrito E Suas Reações Na Cor Laranja. Fonte: o autor. ................................. 22 Figura 8 - Representação esquemática para os cálculos das reações devido a força normal. Fonte: o autor. ................................................................................................... 22 Figura 9 - Representação esquemática para os cálculos das reações à força de atrito. Fonte: o autor. ................................................................................................................. 23 Figura 10 - P1 = Hb ; P2 = Ha ; M1 = 19,4Nm .............................................................. 24 Figura 11 - Diagrama do Momento Fletor ; Unidades em Nm. ..................................... 24 Figura 12 – Diagrama do Esforço Cortante ; Unidades em N. Fonte: o autor. .............. 24 Figura 13 - P1 = H’b ; P2 = H’a ; P3 = 500N ................................................................. 25 Figura 14 - Diagrama do Momento Fletor ; Unidades em Nm. ..................................... 25 Figura 15 - Diagrama do esforço Cortante ; Unidades em N. Fonte: o autor. ................ 25 Figura 16 - Imagem representativa para cálculo dos esforços no eixo. Fonte: o autor. . 31 Figura 17 – Figura de representação para cálculo dos esforços sobre os rolamentos Fonte: o autor. ................................................................................................................. 33 Figura 18 – Representação esquemática do contato entre o eixo cunha e o eixo bloco; bo é a espessura de contato e L é o comprimento do contato [11]. ..................................... 38 Figura 19 – Dimensionamento do o-ring da tampa ........................................................ 44 Figura 20 – Dimensionamento do o-ring do disco ......................................................... 44 Figura 21 – Seleção do retentor ...................................................................................... 45 Figura 22 - Seleção do eixo de saída, tipo de flange e forma construtiva do motoredutor. ............................................................................................................................ 46 Figura 23 - Seleção da frequência nominal, eficiência padrão, seleção da potência e rotação de saída e rotação do motor do moto-redutor. ................................................... 46 Figura 24 - Seleção do fator de serviço (FS=1), temperatura de trabalho e posição de funcionamento do moto-redutor. .................................................................................... 47 Figura 25 - Seleção do moto-redutor baseado na rotação de saída mais próxima de 300RPM. ......................................................................................................................... 47 Figura 26 – Conferência das especificações e seleção da voltagem do motor. .............. 48 Figura 27 – Seleção das propriedades padrões do motor. .............................................. 48 Figura 28 – Seleção das propriedades do redutor. .......................................................... 49 Figura 29 – Seleção do flange e do diâmetro do eixo de saída do redutor. .................... 49 Figura 30 – Seleção da posição do cabo de alimentação. ............................................... 50 Figura 31 – Seleção do encoder e do comprimento do cabo do mesmo. ....................... 50 Figura 32 – Seleção do variador de frequência para 2HP e trifásico. ............................ 51 viii Figura 33 – Transdutor de Força Berman Load Cells BTS 200Kg. ............................... 52 Figura 34 – Especificações da célula de carga ............................................................... 52 Figura 35 – Seleção do acoplamento elástico. ................................................................ 53 Figura 36 - Dimensões do acoplamento SPII 35 e dados técnicos. ................................ 54 Figura 37 - Referência [10] ............................................................................................ 54 Figura 38 – Referência [10] ............................................................................................ 55 Figura 39 - Especificações técnicas do pistão ................................................................ 56 Figura 40 – Rolamentos 6006 inferior e superior do eixo do disco ............................... 57 Figura 41 - Rolamento 61906 - 2RS1............................................................................. 57 Figura 42 - Rolamento EE8 TN9 .................................................................................... 58 ix Lista de Tabelas: Tabela 1 - Propriedades mecânicas de diversos aços [12].............................................. 15 Tabela 2 - Propriedades mecânicas para parafuso de aço [12] ....................................... 16 Tabela 3 - Seleção do fator de serviço para o acoplamento elástico. ............................. 53 x 1. INTRODUÇÃO Nossa sociedade está repleta de máquinas para realização de incontáveis tarefas, em todas elas existem superfícies de contato em movimento relativo. Para garantir a durabilidade, eficiência e confiabilidade, essas superfícies são normalmente lubrificadas para redução de atrito e desgaste entre as peças [1]. A disciplina que investiga fenômenos de atrito e desgaste é denominada Tribologia. Voltando um pouco no tempo, o termo tribologia, do grego Τριßο (Tribo – esfregar) e Λογοs (Logos – estudo) foi primeiramente apresentado por H. Peter Jost para o comitê do departamento inglês de educação e ciência em 1966. E foi definido como a ciência e a engenharia da interação de superfícies em movimento relativo e dos assuntos e práticas relacionados. Isso inclui o estudo e a aplicação dos princípios de atrito, lubrificação e desgaste [2]. Segundo Kato, o desgaste é classificado em quatro principais tipos[3]. O desgaste adesivo é causado quando a força de adesão entre as superfícies é maior que a força de interação de uma das superfícies, ocasionando a fratura do material. O desgaste abrasivo ocorre principalmente pelo formato da interface entre as superfícies e, também, pela dureza dos materiais em contato. Quando o desgaste tem início pelo alto número de repetições do movimento entre as superfícies, diz-se que é um desgaste por fadiga. E, finalmente, quando o desgaste é promovido por ação química de líquidos ou gases, ocorre um desgaste corrosivo. Esse tipo de desgaste ocorre devido aos produtos de reações químicas e eletroquímicas, essas reações são conhecidas como reações triboquímicas [3]. 1 E, para provar todos esses estudos, dispositivos foram criados para ratificar as relações entre lubricidade, desgaste e atrito entre diferentes tipos de materiais. O trabalho aqui apresentado mostrará uma máquina muito usada nos laboratórios acadêmicos espalhados pelo mundo, a máquina pino-disco. E, a partir de premissas feitas sobre artigos publicados por importantes centros universitários, projetou-se uma máquina que fosse capaz de se adaptar aos mais diferentes tipos de testes, dando maior flexibilidade operacional do que a maioria das máquinas pino-disco presentes nos mais diversos laboratórios tribológicos. A parte eletrônica capaz de interpretar os sinais dos sensores e executar os cálculos através das linguagens de programação não era escopo deste projeto. Logo, esta máquina está sem a interface homem-máquina, que por sua vez, pode ser feita em um projeto futuro. O capítulo 2 contém uma revisão da literatura, trará informações sobre a máquina, exemplos de aplicação e outras formas construtivas da máquina pino-disco para um maior entendimento do projeto e como ele pode contribuir para a sociedade. O capítulo 3 é sobre o projeto em si. Nesse capítulo, explica-se o projeto da máquina pino-disco, alguns conceitos da máquina, a lista de exigências e os materiais adotados são colocados em evidência. O capítulo 4 constitui o dimensionamento e detalhamento do projeto. Contempla todas as informações técnicas e justificativas relacionadas ao funcionamento, garantindo que as premissas sejam respeitadas e as exigências cumpridas. O capítulo 5 é constituído pelas conclusões retiradas desse trabalho, logo mostra como a máquina projetada atingiu às premissas impostas. 2 O capítulo 6 detalha todas as referências usadas para a elaboração desse projeto mecânico, sejam elas livros ou sítios na internet. O capítulo 7 é composto por todos os anexos dos itens comerciais e seus respectivos dados técnicos. O capítulo 8, finalmente, traz os desenhos técnicos da máquina, com cortes, vistas e detalhes para a compreensão da máquina. 3 2. REVISÃO DA LITERATURA 2.1. A Força de Atrito A força de atrito, nada mais é do que a resistência ao movimento relativo entre duas superfícies de contato. Imagine que diante de você existe um bloco de aço cujas suas dimensões são: 50 milímetros de comprimento, 50 milímetros de largura e 50 milímetros de altura. Esse bloco possui um peso aproximado de 1kg e está apoiado sobre uma placa de madeira, logo o contato será dado entre o aço do bloco e a madeira da placa como está mostrado na figura abaixo. Figura 1 - Representação das forças na interface entre o bloco e a placa. Fonte: o autor. O bloco de aço exerce uma força de aproximadamente 10N (Newtons), devido o seu peso de 1kg e a placa de madeira faz uma força de reação que será de mesma intensidade e direção, diferindo apenas no sentido, justamente para manter o sistema em equilíbrio, ou seja, essas forças se anulam. A partir do momento que você encosta no bloco com uma força de intensidade insuficiente para movê-lo, a força de atrito entra em ação fazendo com que o bloco fique parado. Diz-se que essa força de atrito, é uma força de atrito estático (Fate), impedindo o movimento do bloco. Essa força está diretamente relacionada à força de reação normal 4 (N) e ao coeficiente de atrito estático (μe). Esse coeficiente é um valor tabelado, pois na literatura os valores aproximados para contatos entre diferentes tipos de materiais. Calcula-se a força de atrito estático pela equação: = × (1) Figura 2 – Representação esquemática da Força de Atrito Estático. Fonte: o autor. Para exemplificar, da literatura retira-se o coeficiente de atrito estático, cujo valor para uma interface entre aço e madeira fica no intervalo de 0,2 a 0,6 e, como foi dito anteriormente, a reação normal é de 10N. Logo, usando a equação (1), tem-se que Fate varia entre 2N e 6N. Quando a força feita pelo dedo é superior à Fate, o bloco de aço começa a se movimentar em relação à placa de madeira, a força de atrito continua a existir, mas agora com uma intensidade menor, ocorre então a força de atrito dinâmico (Fatd). A intensidade da força é, na maioria dos casos, menor porque o coeficiente de atrito dinâmico (μd) é sempre menor que o coeficiente de atrito estático. Para ilustrar melhor, ao empurrar um carro em uma rua plana, faz-se mais força para retirar o carro da inércia 5 do que para mantê-lo em movimento, ou seja, o atrito entre as rodas e o asfalto com o carro parado é maior do que o atrito entre as rodas e o asfalto com carro em movimento. Analogamente, tem-se que: Fatd = μd x N (2) Consequentemente o cálculo da força de atrito só é possível de ser feito devido ao valor do coeficiente de atrito que já foi dimensionado anteriormente. Mas, como calcularam esses coeficientes de atrito? A partir da equação (2), o coeficiente de atrito pode ser expresso por: μd = Fatd / N (3) Se houver uma máquina que seja capaz de medir a força de atrito dinâmico e a reação normal, haverá como dado de saída o coeficiente de atrito dinâmico. O projeto elaborado neste documento é um exemplo de máquina que realiza essas medições, a máquina pino-disco. 2.2. Exemplos de Aplicação da Máquina A máquina pino-disco é muito utilizada nos laboratórios de pesquisa para testes de materiais nas mais diversas aplicações. Mas, é na área dos transportes que se concentram muitas pesquisas nas quais são avaliados os materiais aplicados para a movimentação dos trens. Os pesquisadores Windarta e Baharom da Universidade Petronas, Malasia, usaram uma configuração da máquina pino-disco para avaliar a temperatura de contato ocasionada pelo atrito entre os trilhos e as rodas dos trens e, também, estudaram como a velocidade de deslizamento influência no aumento de temperatura. No modelo de 6 máquina usada por eles, uma esfera com material dos trilhos foi colocada com diferentes velocidades de deslizamento e sob diferentes forças normais sobre um disco com material dos aros dos trens. E, a máquina obteve sucesso, pois os resultados gerados convergiram para as suposições que os pesquisadores haviam colocado em evidência [4]. Já o pesquisador Ulf Olofsson da Universidade de Estocolmo, Suécia, utilizou uma configuração da máquina pino-disco para avaliar o tamanho das partículas geradas na frenagem dos trens e, também, comparar a emissão de partículas de materiais diferentes. Muitos estudos mostraram a associação entre problemas de saúde e a concentração de partículas em suspensão na atmosfera. O tamanho das partículas inaladas é um importante fator, pois dependendo da dimensão física da partícula, ela se depositará em partes diferentes do sistema respiratório humano. Por exemplo, nano partículas (menores que 100nm) não são filtrados por nossas narinas e acabam sendo depositados nos alvéolos pulmonares, causando inflamação e intoxicação dos pulmões [5]. Os pesquisadores da Universidade de Valência, Espanha, Ferrer, Pascual, Busquets e Rayón usaram uma configuração de uma máquina pino-disco para testar uma nova classe de materiais nos blocos de freios nas ferrovias. Essa nova classe já está sendo instalada no lugar do tradicional ferro fundido. Nesse estudo, a máquina pino-disco foi usada para monitorar o coeficiente de atrito cinético e o desgaste na interface dos materiais testados. O estudo também envolvia uma análise do som emitido entre os aros dos trens e os trilhos, quanto maior fossem as durezas dos materiais dos aros e dos trilhos, maior eram os ruídos emitidos para dentro do trem, tornando a viagem menos confortável para os passageiros. Todavia, ao colocar um material mais macio, o desgaste é maior, tornando a manutenção e troca dos aros dos trens mais frequentes, consequentemente deixando o custo operacional maior. Os estudiosos chegaram a uma liga de cobre que 7 possui um coeficiente de atrito constante e 80% maior se comparado ao ferro fundido e, também, descobriram que em altas velocidades, o coeficiente de atrito do ferro fundido diminui, enquanto da liga de cobre aumenta. Essa conclusão deve ser levada em conta, em trechos ferroviários que se almeja uma velocidade de cruzeiro alta. Todos esses resultados foram obtidos com testes realizados na máquina pino-disco [6]. 2.3. Formas Construtivas Da Máquina Pino-Disco A máquina pino-disco possui algumas variantes com relação a sua forma de construção, e essas diferentes formas de disposição da máquina interferem no resultado final. Ou seja, máquinas, com formas construtivas diferentes, executando o mesmo teste, terão resultados divergentes. Uma dessas variações ocorre com relação ao posicionamento do pino, este pode ser montado verticalmente ou horizontalmente. Figura 3 - Máquina Pino-Disco com pino horizontal [7] 8 Com relação ao funcionamento, a forma construtiva com pino na horizontal tem vantagens com relação ao depósito de detritos provenientes do desgaste tanto do disco quanto do pino. Pois, essas partículas não se acumulam na pista que se forma no disco devido ao desgaste das amostras, consequentemente, a interface entre o pino e o disco será mais limpa, com menos obstáculos quando comparada a forma construtiva com o pino na vertical. Outra variante da máquina é com relação ao mecanismo que aplicará a carga sobre o pino, a maioria das máquinas pino-disco tem pesos padrões acoplados executando a força necessária do pino sobre o disco. Na figura mostrada anteriormente, vê-se como os pesos padrões foram montados para aplicar a força desejada no teste. Mas, essa força também pode ser aplicada por pistão hidráulico ou pneumático, obviamente, alterando a complexidade do projeto. O acionamento pneumático é feito por pistões que transformam a pressão do ar em movimento linear. Basicamente, é o pistão que originará a força necessária no contato entre o pino e o disco. [8] A forma construtiva para a máquina acionada hidraulicamente segue o mesmo raciocínio que a máquina pneumática, mas tomada suas devidas necessidades, a máquina hidráulica precisa de válvulas hidráulicas, tanque, reservatório, etc. E, também, existem máquinas pino-disco nas quais o pino também tem uma rotação no seu eixo longitudinal, aumentando a velocidade de deslizamento entre o disco e o pino. 9 Figura 4 - Máquina pino-disco com disco e pinos girantes [9]. 10 3. PROJETO DA MÁQUINA PINO-DISCO O projeto visa a possibilidade de construção de um dispositivo para obtenção de resultados, sejam eles em função da quantidade de material desgastado, calor gerado na superfície de contato, ruído emitido durante os testes, ou o coeficiente de atrito que é a proposta desse trabalho. O projeto deve ser elaborado evitando-se vibrações da máquina, tais vibrações podem mascarar resultados e, consequentemente, tornar a máquina ineficiente na operação na qual foi alocada. O projeto deve ter um contador de revoluções do disco, assim pode-se ter o registro da distância percorrida pelo pino no disco. Dependendo do teste, essa distância é critério de validação do mesmo. 3.1. Projeto Básico O projeto básico é uma máquina pino-disco com pino vertical e acionamento pneumático, que visa atender uma série de diferentes tipos de pesquisas, dando uma maior flexibilidade e aplicabilidade ao projeto. O acionamento pneumático é mais complexo do que o acoplamento de pesos, isso ocorre porque precisa-se garantir que não haja vazamento no sistema pneumático, este engloba as válvulas, mangueiras, engates rápidos, conexões e o pistão pneumático. Entretanto, a carga colocada no pino é ajustada mais facilmente, uma vez que não é necessário parar o teste para variar a pressão de contato na interface pino-disco. A máquina pino-disco com pesos padrões necessita que o usuário possua diversos destes de medidas diferentes e o manuseio destes pesos precisa ser extremamente cauteloso, pois 11 se houver um impacto, perde-se material, consequentemente, o peso perde sua precisão. Vê-se, então a vantagem de se ter um acionamento pneumático, maior flexibilidade operacional da máquina pino-disco. A escolha pelo uso de um pino montado verticalmente foi feita por motivos de confiabilidade nos resultados gerados, e por ser uma máquina que tem alta flexibilidade operacional, necessita-se garantir que os resultados gerados estejam na margem de erro aceitável. 3.2. Lista de Exigências As exigências básicas foram verificadas na norma ASTM G99-05 [10], esta norma é mandatória para os projetistas interessados em elaborar uma máquina pino disco. Como foi dito anteriormente, elaborou-se um projeto para englobar os mais diferentes tipos de testes, logo compilou-se os limites dos testes publicados nesses artigos e essas informações foram os dados de entrada a seguir: • Carga aplicada no pino: 2N a 500N • Rotação do disco: 60 a 600 RPM • Diâmetro máximo do pino: 11mm • Altura do pino: 2 a 40 mm • Diâmetro máximo do disco: 110mm • Espessura máxima do disco: 25mm Especificou-se, também, que a máquina fosse capaz de medir a força normal aplicada ao pino e a força de atrito. Com essas informações, a máquina entrega, como resultado, o coeficiente de atrito entre os materiais. 12 Para aumentar a precisão da máquina, exigiu-se que fosse projetado o fulcro de balança, para a transmissão da força do pistão pneumático para o pino. A partir da referência [11], elaborou-se um contato tipo b, como pode ser observado na imagem abaixo: Figura 5 - Tipos de contatos para fulcro de balança [11]. Ao longo do projeto, verificou-se a necessidade de uma lubrificação das amostras para que os testes com lubrificantes pudessem fazer parte dá área de aplicabilidade da máquina, então a estrutura onde está o disco teve que ser modificada para que recebesse o-rings, retentor e anéis de borracha (para os parafusos) para a correta vedação do óleo. Todos os itens comerciais de vedação foram inseridos no anexo 7.1. Também verificou-se que, para atender às exigências impostas, seria necessário o uso de um moto-redutor com um encoder1, de preferência que fosse do mesmo fornecedor, para assim evitar problemas na instalação e perda de eficiência. A utilização de encoders deve-se ao fato de que em determinados testes, o número de voltas que o pino deve ter em contato sobre o disco é um valor pré-determinado. Sendo assim, a parte 1 Encoder: Também conhecido como transdutor de posicionamento angular, este dispositivo é capaz de contar o número de revoluções de um eixo, por exemplo. 13 eletrônica da máquina, que não é escopo deste projeto de graduação, tem a informação necessária para saber quando deve cortar a pressão da linha pneumática, encerrando o teste na máquina devido a perda de contato entre o pino e o disco. Vale ressaltar que o pistão pneumático tem retorno por mola, e é essa mola que faz a força necessária para fazer o recuo do pino. Para o operador ter a regulagem da rotação do eixo de saída do moto-redutor, utilizou-se um inversor de frequência capaz de diminuir ou aumentar a frequência do moto-redutor utilizado, garantindo o ajuste fino da rotação de saída desejada. O inversor de frequência e o encoder foram selecionados no fabricante SEW, e no anexo 7.2 consta informações específicas sobre os dispositivos escolhidos. 3.3. Conceito Da Máquina Pino-Disco A saída de informação da máquina é o coeficiente de atrito, para isso seguiu-se a equação 3 apresentada no subcapítulo 2.1. A célula de carga faz a leitura da força que está chegando ao pino, força a qual é inserida pelo cliente ao fazer o teste. As especificações da célula de carga estão no anexo 7.3. Logo, como a estrutura do braço nivelador pode girar em torno do eixo (eixo estrutura), a força de atrito fará com que a estrutura do pino gire em sentido contrário ao sentido da velocidade linear presente na interface pino e disco. Como a rotação do disco está no sentido anti-horário, logo a estrutura do pino vai girar no sentido horário. Entretanto, tem-se o transdutor de força que impede que a estrutura do pino gire em torno do eixo. Logo, o transdutor de força sofre uma deformação, gerando um sinal para a parte eletrônica. Esse sinal é interpretado e calculado devido as diferentes distâncias entre a força de atrito, presente na interface pino disco, e a reação feita pelo pino guia no transdutor de força. 14 3.4. Materiais O principal material utilizado foi o aço SAE 1045 laminado a quente. Esse aço foi selecionado por ser um material fácil de ser encontrado no mercado nacional e por ter boa usinabilidade. Suas propriedades mecânicas são satisfatórias para o trabalho que será imposto. Os cálculos foram feitos utilizando as informações do aço SAE 1045 laminado a quente (do inglês HOT ROLLED, HR) da tabela 1, retirada da referência [12]. Os cálculos dos parafusos foram feitos utilizando a tabela 2, também retirada da referência [12]. Tabela 1 - Propriedades mecânicas de diversos aços [12]. Resistências determinísticas da ASTM mínimas de tração e de escoamento para aços laminados a quente (do inglês HOT ROLLED) e estirados a frio (do inglês COLD DRAWN). SAE 1010 1020 1030 1040 1045 PROCESSAMENTO RESISTÊNCIA A TRAÇÃO [MPa] HR CD HR CD HR CD HR CD HR CD 320 370 380 470 470 520 520 590 570 630 RESISTÊNCIA AO ESCOAMENTO [MPa] 180 300 210 390 260 440 290 490 310 530 DUREZA BRINELL 95 105 111 131 137 149 149 170 163 179 15 Tabela 2 - Propriedades mecânicas para parafuso de aço [12] Categorias Métricas de propriedades mecânicas para parafusos de aço Categoria de Propriedade 4.6 4.8 5.8 8.8 Intervalo de tamanho Resistência Mínima Resistência Mínima Resistência Mínima de Prova [MPa] de Tração [MPa] de Escoamento [MPa] Material M5-M36 M1.6M16 M5-M24 225 400 240 baixo e médio carbono 310 420 340 baixo e médio carbono 380 520 420 baixo e médio carbono M16M36 600 830 660 Médio carbono (temp. e rev.) 16 4. PROJETO DE DETALHAMENTO O projeto de detalhamento contempla os materiais e algumas dimensões críticas das peças mais solicitadas da máquina, também informa os dados para a compra de itens comerciais. Logo, o foco do projeto de detalhamento é a parte técnica da máquina com seus desenhos e especificações que tornem possível a construção e o funcionamento desejado juntamente com todos os cálculos necessários. 4.1. Cálculos Básicos Os cálculos básicos foram feitos para começar a delinear a máquina. E, também, trará informações importantes para o dimensionamento da máquina. 4.1.1. Força de atrito máximo Como a força normal máxima é dada 500N, e usando o maior coeficiente de atrito que no caso é 1. Calcula-se a força de atrito máximo. á 4.1.2. = × á ∴ = 500 = 1 × 500 Potência do motor A potência do motor será dada em função da rotação necessária eixo e da força de atrito no disco. Como necessita-se de uma rotação entre 60 RPM e 600 RPM, será utilizado um motor de 1800 RPM e um redutor 5:1. = = 60 × × 2 × 17 = 6,283" # 60 $ %"&'( & = 36,61)) = á 0,23) 60 $ = 2,3) 600 $ Como a força de atrito é 500N, logo: & = & & á × 0,23) 115* = 500 × ∴ & = ∴ & = 0,115+, $ $ 2,3) 1150* = 500 × ∴ & = ∴ & = 1,15+, $ $ Seleção do moto redutor SEW, com encoder embutido, modelo RXF77DRE90M4. Esse moto-redutor tem 1.5 HP de potência e entrega 309 RPM no eixo de saída a uma razão de 5.63. No anexo 7.2. pode-se verificar informações mais específicas sobre o moto-redutor. 18 4.1.3. Acoplamento elástico O dimensionamento do acoplamento elástico foi feito com base no método prático de seleção, que atende à norma DIN 740, do fabricante VULKAN, presente no catálogo do fornecedor em anexo. Para um fator de serviço (FS) igual a 1,0, da tabela 3 no anexo 7.5. do fornecedor, pode-se calcular o torque nominal (Tkn). E, deve-se usar a menor RPM na qual o eixo funcionará, no caso, 60 RPM que é a faixa de utilização mais crítica para o acoplamento. Cálculo do torque nominal: -. = 7162 × 10 × 1,0 60 = 119,37 ) -. = -. 7162 × 0 × 1 Logo, o acoplamento VULKAN DRIVE TECH SPEFLEX TIPO SPII tamanho 35 foi selecionado na tabela de dados técnicos presente no catálogo VULKAN DRIVE TECH em anexo. O valor excede ao torque nominal, entretanto está 33% abaixo do torque máximo ao qual o acoplamento pode ser submetido. 4.1.4. Força necessária do pistão Para que se tenha 500N na interface pino e disco, o conceito abaixo foi respeitado para se calcular a força necessária que o pistão deve exercer no braço. 19 Figura 6 - Figura representativa para o cálculo da força do pistão. Fonte: o autor. 3 : 4 = 500 ; #6$ ;< = 4 3 BCã4 3 BCã4 3 BCã4 = 109,75)); #6$ 8 = 164)) = 0; % " 500 #("( çã& &") @ &%6 &. × #7 = = 7 3 4 × #8 500 × 164)) 109,75)) = 761 Logo, selecionou-se o pistão pneumático da FESTO, código 188256 e modelo AEVC-50-10-APA, com força teórica de 1121N, diâmetro do êmbolo 50mm, 10mm de curso e retorno por mola. O retorno por mola é importante para garantir que o contato entre o pino e o disco seja interrompido no momento que a pressão pneumática é cortada. Esse pistão foi escolhido devido às duas dimensões físicas compactas, haja vista que não há muito espaço na forma construtiva do projeto. Informações técnicas no anexo 7.7. 20 4.1.5. Reação do transdutor de força A distância da interface pino disco até o centro do eixo estrutura é de 189,79mm. E a distância entre o centro do eixo estrutura e o pino guia do transdutor de força é de 58,5mm. Logo: : 3 3 3 4 4 × 4 = = 0 58,5 − 4 )áE × 189,79 = 0 × 3,24 = 1620 Logo, tem-se uma força de aproximadamente 160kg sendo aplicada. Por isso foi selecionado o transdutor de força BTS de 200kg da Berman Load Cells, a folha técnica se encontra no anexo 7.3. 4.2. Cálculo Dos Esforços No Eixo Do Disco Devido a forma construtiva para se travar a estrutura que reforça o disco, aumentando sua resistência a flexão, o diâmetro interno mínimo para o rolamento superior é 30mm. E, para calcular a vida do rolamento, precisa-se calcular os esforços atuantes nos mesmos e verificar se o diâmetro de 30mm é maior que o diâmetro mínimo permitido. 21 Figura 7 - Representação Da Força Normal E Suas Reações Na Cor Amarela E Da Força De Atrito E Suas Reações Na Cor Laranja. Fonte: o autor. Esforço Normal: Figura 8 - Representação esquemática para os cálculos das reações devido a força normal. Fonte: o autor. 22 Vale ressaltar que adicionou-se 30N à força normal, devido ao peso da estrutura de reforço do disco, do próprio disco, do eixo, dos parafusos e pinos montados. : 530 × 36,6)) − F =0 G × 78,13)) = 0 0G = 248,3 : &"ç $ () H = 0 0 − 0G = 0 0G = 0 = 248,3 : &"ç $ () I = 0 = 530 Esforço de atrito: Figura 9 - Representação esquemática para os cálculos das reações à força de atrito. Fonte: o autor. 23 : MK = 0 : ForçasemZ = 0 500N × 64,75mm = HO G × 78,13mm H O P H′Y = H′P + 500 = 914,4N = 414,4N Resultantes: = [\0 8 + 0O 8] = 947,1 ^ = _\0^ 8 + 0′^²] = 483,1 Diagramas gerados pela força normal: Figura 10 - P1 = Hb ; P2 = Ha ; M1 = 19,4Nm Figura 11 - Diagrama do Momento Fletor ; Unidades em Nm. Figura 12 – Diagrama do Esforço Cortante ; Unidades em N. Fonte: o autor. 24 Diagramas gerados pela força de atrito: Figura 13 - P1 = H’b ; P2 = H’a ; P3 = 500N Figura 14 - Diagrama do Momento Fletor ; Unidades em Nm. Figura 15 - Diagrama do esforço Cortante ; Unidades em N. Fonte: o autor. Fazendo a superposição dos gráficos, obteve-se um momento fletor absoluto de 51,8 Nm na posição do rolamento superior. Agora, deve-se dimensionar o diâmetro mínimo da seção. 25 4.2.1. Cálculo do diâmetro mínimo da seção do eixo do disco 4.2.1.1. Análise estática Todas as análises foram feitas com os inputs abaixo: • Fat = 500N; • l1 = 64,5mm (distância até o primeiro rolamento, seção mais crítica); • Momento = -51,8Nm; • Torque = 18,3Nm; • Coeficiente de Segurança (CS) mínimo = 1,5 • Material do eixo: Aço SAE 1045 – Comercial Esse material foi escolhido por causa de sua fácil usinabilidade, custo, por ser facilmente encontrado no mercado nacional, além de suas propriedades mecânicas satisfazerem o que é desejado. E = 210 GPa Sy = 310Mpa 4.2.1.1.1. Análise Deflexão A análise de deflexão é importante pois existe uma deflexão máxima permitida de acordo com a referência [10]. a = 0.018))(calculado através da incerteza aceitável de ±1° entre o pino e o disco, dado pela norma ASTM G99-05 [10]) # 7 64 × × @18 f =c e ; ref[13] 2×d×a × # = 27,632)) 26 Como o diâmetro do projeto (30mm) é maior que dmin, tem-se a primeira confirmação. 4.2.1.1.2. Máxima Tensões Cisalhantes # # 8 8 32 × k1 =j ×\ × $a = 15.888)) 8 + -& 8 ]l.m 7 o n ; ref[13] Como o diâmetro do projeto(30mm) é maior que dmin2, tem-se a segunda confirmação. 4.2.1.1.3. Máxima Energia de Distorção # # o o =p 32 × k1 ×q × $a = 15.758 8 7 8 l.m o 3 + r × -&s t 4 u ; "(v. [13] Como o diâmetro do projeto (30mm) é maior que dmin3, tem-se a terceira confirmação. 4.2.1.2. Análise de Fadiga Como no projeto a flexão é reversível \w = 0]devido a força fixa e ao movimento rotativo do eixo. Para o cálculo do diâmetro mínimo devido a carga dinâmica (ddmin) necessita-se primeiro calcular a fadiga Se, logo: 1( = + × +^ × +x × +# × +( × +v × 1(´; "(v. [13] + = 0,9 → {x ^ )( & ( 6v6x #& +^ = 0,875 → |6 #&# vó")~@ , +^ = 1,24 × #•l,7l€ ; 2,79)) < # < 51)) +x = 0,868 → 95%#(x& v6 ^6@6# #( +# = 1 → -()%(" ~" < 350°k 1 ‡ " +( = = 0,657 → " 6&#(( @ℎ(1)); = 1,154; = 0,038; 1 + „ ∗ \+ − 1] # # 27 + = 1,9 „ = 0,58 pela figura A-13-9 no anexo 7.6. +v = 1 ; ã& ℎá figura 6-20 no anexo 7.6. 6 v@~ê x6 #( v &"($ #6|("$&$ 1(´ = 0,5. 1~ , se Sut < 700MPa, como Sut = 380MPa. 1(´ = 190 1( = 85,32 Então, para M = 51,8 Nm, CS = 1,5, tem-se: #– #– =r 32 ∗ 7 ∗ k1 o s ; ref. [13] ∗ 1( = 21,01)) Como o diâmetro de projeto (30mm) é maior que o diâmetro mínimo para cargas dinâmicas, logo tem-se a quarta comprovação. 4.2.2. Aplicando critério de Sodeberg O critério de Sodeberg foi selecionado pois ele é o critério utilizado para materiais dúcteis. w w 1 + = ; "(v. [13] 1( 1a k1— Como σš é nulo por ser uma flexão reversível, a fórmula simplifica para: w 1 = 1( k1— 1( #& w = k1— = 2,83 32 ∗ = 30 ∗ #o 28 Como o fator de segurança da fadiga é maior do que o fator de segurança estipulado 1,5, o eixo do disco está isento de falhas devido ao seu próprio funcionamento. 4.3. Cálculo dos Rolamentos Os dois rolamentos presentes nesse eixo são iguais, entretanto o rolamento superior é mais solicitado porque recebe todo o esforço realizado pelo pino no disco. E, como a força resultante realizada sobre o rolamento superior é maior, logo se o primeiro rolamento estiver dimensionado corretamente, o segundo também estará. O dado de entrada para esse cálculo foi o diâmetro interno do rolamento, 26mm. Os esforços no rolamento, força axial (Fa) de 530N e força radial (Fr) de 947.4N. E, que esse rolamento dure pelo menos 10 anos, funcionando 12horas por dia, 300 dias por ano. Usando a rotação máxima, 600RPM, a vida desejada (Vd) é: 10ℎ #6 $ × 300 × 10 #6 & # = 1080 × 10Ÿ "(|&@~çõ($. # = 600 × 60 min × &$ Fórmula da Vida Nominal Ajustada: ¡ k 3 = 7 × 8 × o × r s ; "(v. [14] Onde: ¡ = vida nominal ajustada em milhões de revoluções (o sub-índice n representa a diferença entre 100% e a confiabilidade requerida) 7= 8= o= fator de ajuste de vida, para confiabilidade fator de ajuste de vida, para material fator de ajuste de vida, para condições de funcionamento Rolamento escolhido, designação 6006. D=55mm ; d=30mm ; B= 13mm ; C = 13,8 kN; Co = 8,3kN 29 Pelo catálogo da SKF, tem-se: p = 3 (rolamento de esferas) 7= 0,62 (para confiabilidade de 95%) 8 =1 (materiais SKF são melhores que os especificados pela norma ISSO 281/I1977, logo não influência a vida.) graxa) o =2 (dm=44mm ; n=600RPM ; v1=48mm²/s ; t=70°C ; lubrificante é a própria Se ( ≥ £ £ → k& ¡m ¡m = 530 = 0,560 " 483 £ = "; ( < £ → = E " + a = 530 = 0,064 → ( = 0,27 8300 = 0,56 × " + 1,6 × = 1118,5N 13800 o = 0,62 × 1 × 2 × r s 1118,5 = 2328,9 × 10Ÿ "(|&@~çõ($ Valor da vida está satisfatório. Obs.: Valores de e, x e y retirados do catálogo SKF [15]. 4.4. Cálculo Dos Esforços No Eixo Da Estrutura Do Braço Nivelador Para calcular os esforços atuantes nas seções onde estão os rolamentos, primeiro estudou-se para saber qual o peso de toda a estrutura montada e, também, o valor da força exercida pelo pistão, no caso, 761N. E, então, calcular o momento resultante na porca que está no topo do eixo, travando a estrutura. 30 Figura 16 - Imagem representativa para cálculo dos esforços no eixo. Fonte: o autor. O peso próprio da estrutura chega a placa adaptadora através da placa estrutura, para simplificar os cálculos, o peso próprio atuará na placa adaptadora no ponto do CG. Dados: 3 BCã4 34 = ∑ ∑ 34 = ¥ ¥ = 761 ; = 265,8 ; #3 BCã4 = 83,96)); #3 + 3 BCã4 × #3 BCã4 − × #3 B4 = 0 = −58,8 ) B4 = 19,12)) = 3 BCã4 + = 1026,8 , no sentido negativo de y. 4.4.1. Análise dos diâmetros das seções de montagem dos rolamentos Tem-se apenas as análises estáticas, porque esse eixo não terá carga dinâmica, pois não terá rotação, ele precisa dessa forma construtiva para poder girar livremente e o transdutor de força fazer a leitura da força de atrito. Esse eixo é vazado, para passar a 31 pressão de ar que alimentará o pistão. Os cálculos serão feitos para se achar o coeficiente de segurança. Todas as análises foram feitas com os dados abaixo: L1 = 55mm (distância até o primeiro rolamento, seção mais crítica); Momento = -58,8Nm; Ds = 30mm ; Diâmetro superior Di = 6mm To=0 (não há torção) Material do eixo: Aço SAE 1045 – Comercial Esse material foi escolhido por causa de sua fácil usinabilidade, custo, por ser facilmente encontrado no mercado nacional, além de suas propriedades mecânicas satisfazerem o que é desejado (E = 210 GPa ; sy = 310Mpa). 4.4.1.1. Análise deflexão × \‡$ f − ‡6 f ] ¦= 64 @ = w3 4§ = ‡ \@6 ℎ )é#6 ] 2 ×@ ∴w ¦ – = onde, w3 4§ ≤w B= ≤ 310 ¨ × \‡$ f − ‡6 f ] ¦ 64 ¨= ∴ ; ¨ = 2646,48))o ‡$ @ 2 58800 )) w3 4§ = ∴ ¨ 2646,48))o w3 4§ = 22,21 Logo, o projeto está bem dimensionado, w3 4§ <w B= . 32 4.4.1.2. Máxima tensão cisalhante k1ª«¬ = ‡$ o × 32 × \ 8 k1ª«¬ = 9,039 × $a + 7 ; ref. [13] 8 -& ]8 Pelo critério da Máxima Tensão Cisalhante, o eixo não cisalhará. 4.4.1.3. Máxima energia de distorção k1ª-® = ‡$ o × $a × 32 × ¯ k1ª-® = 9,141 8 7 ; ref. [13] 8 3 + 4 × -&8 ° Pelo critério da Máxima Energia de Distorção, o eixo não cisalhará. 4.4.2. Cálculo dos rolamentos Achando os esforços radiais dos rolamentos. M=58,8Nm Figura 17 – Figura de representação para cálculo dos esforços sobre os rolamentos Fonte: o autor. 33 Como o rolamento superior está fixo em relação ao eixo, o somatório dos momentos será em relação a ele. : 4 B<3 =0 × 55)) − 58800 )) = 0 ; = 1069 4 ; 4 : =0 = 4 B<3 , & (6E& H 4 B<3 = 1069 4 ; Força radial (Fr) em ambos os rolamentos é de 1069N. Enquanto só o rolamento superior tem Força Axial (Fa) de 1026,8N. Escolha dos rolamentos e cálculo da vida Rolamento superior: ¡ = 7× 8× k 3 × r s ; "(v. [14] o Onde: ¡ = vida nominal ajustada em milhões de revoluções (o sub-índice n representa a diferença entre 100% e a confiabilidade requerida) 7= 8= o= fator de ajuste de vida, para confiabilidade fator de ajuste de vida, para material fator de ajuste de vida, para condições de funcionamento Rolamento escolhido, designação 61906-2RS1. D=47mm ; d=30mm ; B= 9mm ; C = 7,28 kN; Co = 4,55kN Pelo catálogo da SKF, t: p = 3 (rolamento de esferas) 7= 0,62 (para confiabilidade de 95%) 34 8 =1 (materiais SKF são melhores que os especificados pela norma ISO 281/I1977, logo não influência a vida.) o =2 (por não haver rotação no eixo) Se ( ≥ £ £ → k& = 1026 = 0,960 " 1069 £ = "; ( < → = E " + a = £ 1026 = 0,225 → ( = 0,37 4550 = 0,56 × " + 1,2 × = 1829,8N 13800 o ¡m = 0,62 × 1 × 2 × r s 1829,8 ¡m = 531 × 10Ÿ "(|&@~çõ($ Como o rolamento não tem rotação, pode-se dizer que é vida infinita. O rolamento inferior é o rolamento EE 8 TN9, que é mais robusto que o rolamento superior por ter C com valor de 11,7kN e Co de 6,3 kN, também, recebe menos esforços. Logo, como o superior tem vida infinita, o rolamento inferior também terá. 4.5. Cálculo dos Parafusos de Pivotamento. 4.5.1. Parafuso de pivotamento do pino Esse pivô é necessário para que se tenha a superfície de contato do pino sempre paralela à superfície do disco. Para o aço utilizado de grau 8.8, da referência [12] é sabido que τ²³´ = 660MPa. E a força máxima aplicada é 500N. É necessário saber qual o diâmetro mínimo do parafuso que resistirá a esses esforços. Aplicando um coeficiente de segurança de 2, calcula-se que: µ B= = 2 ∴ µ= B = 330 µ= B µ= B = { ; { = × #š¶· 8 4 35 =¸ # # 4× × µ= B = 1,38)) Como o parafuso usado é um M6, logo, ele resistirá a força que tende a cisalhar no contato com o alinhador pino. 4.5.2. Parafuso de pivotamento do pistão Esse pivô é necessário para garantir que a haste do pistão sempre aplique a força com um ângulo de 90° em relação ao braço. Sabe-se que a Fpistão = 761N e considerando a mesma tensão cisalhante com fator de segurança 2 do subcapítulo anterior: µ= B = { ;{ = × #š¶· 8 4 4× × µ= B # =¸ # = 1,71)) Como o parafuso usado é um M12, logo, o parafuso não sofrerá cisalhamento. Selecionou-se um parafuso M12 porque o furo do acessório tem diâmetro 12mm, logo se fosse colocado um parafuso com diâmetro menor, ocorreriam choques entre o acessório e o parafuso de pivotamento. 4.6. Cálculo do Cisalhamento dos Parafusos transmissores do torque Os dois parafusos no topo do eixo do disco transmitem o torque do moto-redutor para a estrutura anti-flexão do disco. Logo, calculou-se se esses parafusos resistiriam ao torque aplicado. µ= #8 4 = 0,5771% ; "(v. [12] # 36 Sendo: Sp = 420MPa (escoamento do 5.8) Nd = 1.5 (fator de serviço) Parafusos M6 = 0,5771% ∙ # = 4,6+ #8 4 To= 18350Nmm Dist = 6,5mm (do centro do disco ao centro do parafuso) = -& = 2,8+ ‡6$ Considerando apenas um parafuso, o mesmo deve executar uma força de 2,8kN. Como são dois parafusos, cada um executa uma força de 1,4kN. E, como foi calculado anteriormente, cada um deles suporta uma força de 4,6kN. Logo, eles não serão cisalhados devido ao torque realizado pelo atrito máximo na interface entre o pino e o disco. 4.7. Dimensionamento Do Contato Do Fulcro De Balança O fulcro de balança é um conceito que visa aumentar a precisão por meio de um contato mais fino entre os eixos que garantirão o giro do braço. Como dados, estipulouse a pressão máxima no contato entre os eixos de 310MPa que é a resistência mínima de escoamento, para uma abordagem conservadora [12]. Dimensionamento dos raios: Os raios foram dimensionados de forma iterativa, buscando-se medidas que fossem viáveis de serem fabricadas e que gerassem uma pressão aceitável nos contatos metálicos, por exemplo, o contato entre o eixo bloco e a placa estrutura. 37 Figura 18 – Representação esquemática do contato entre o eixo cunha e o eixo bloco; bo é a espessura de contato e L é o comprimento do contato [11]. Sendo a pressão máxima, 310 MPa, e variando-se os raios, pode-se descobrir uma carga aplicada. Usando a fórmula de pressão máxima para eixo cunha e eixo bloco feitos do mesmo material, obtém-se os seguintes raios: % 1 1 = 58 × ¸ × r − s; "(v[11] ¡ " R=11,5mm e r = 4,5mm; Dimensionamento da força 1 − º8 1 − º8 × × @ × j d 7 + d 8n 7 8 = ; "(v. [11] 1 1 − " 7 = 374,2 %8 Calculando a metade da largura do contato: 7 1 − º8 1 − º8 8 2 × » × × @ × j d 7 + d 8 n¼ 7 8 ^l = ; "(v. [11] 1 1 "− 7 ^l = 0,041)) 38 4.8. Dimensionamento das Chavetas As chavetas foram projetadas segundo a referência [16]. Cálculo da tensão nas chavetas referência [17]. = 2 × # 1$a = 0,5777 × 1a 1x = 1( = 1$a × × @ 1$a × × @ 2 Onde: F = Força que atua na chaveta T = Torque que atua na chaveta d = diâmetro do eixo Ssy = Limite de resistência ao cisalhamento Sy = Limite de resistência à tração FSc = Fator de segurança em relação ao cisalhamento t = Espessura da chaveta l = comprimento da chaveta FSe = Fator de segurança em relação ao esmagamento 4.8.1. Chaveta do eixo disco e acoplamento elástico Material: Aço 1045 ; Sy = 570MPa ; t = 8mm ; l = 38mm ; d=26mm ; T = 18305 Nmm F = 1408N Ssy = 329MPa FSc = 70,3 39 FSe = 35 4.8.2. Chaveta eixo bloco fulcro de balança Material: Aço 1045 ; Sy = 570MPa ; t = 7,5mm ; l = 20mm ; d=40mm ; T = 32000 Nmm (2 chavetas) F = 1600N Ssy = 329Mpa FSc = 30 FSe = 15 4.8.3. Chaveta eixo cunha fulcro de balança Material: Aço 1045 ; Sy = 570MPa ; t = 11mm ; l = 23mm ; d=40mm ; T = 32000 Nmm (2 chavetas) F = 1600N Ssy = 329Mpa FSc = 52 FSe = 26 40 5. CONCLUSÕES Esse trabalho foi feito seguindo uma ideia de inovação, onde a máquina desenvolvida pudesse se distinguir das demais presentes no mercado nacional e internacional. Obviamente, existem particularidades que são comuns a todos os dispositivos, como por exemplo o fato de termos um dispositivo rotativo. Sendo a norma ASTM G99-05 mandatória para projetistas deste tipo de máquina, o projeto em questão obedece todos os pontos abordados por esta norma. Consequentemente, a máquina está alinhada para realizar testes padrões por qualquer cliente que um dia venha a fabricar esta máquina. Como esse projeto apresenta um acionamento pneumático, a máquina apresenta uma operacionalidade muito maior em relação às máquinas com pesos padrões. O fato de poder ajustar a pressão de ar garante o aumento ou a diminuição do contato durante o teste, logo pode-se então fazer diferentes testes, aumentando o leque de opções para utilização da máquina. Existem alterações a serem feitas, entretanto somente serão observadas a partir do momento que a máquina for construída e configurada para executar os testes. Na fase de conceito, o projeto aqui apresentado atende à norma mandatória e tem potencial para executar com nível satisfatório de eficiência os ensaios pino-disco. 41 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]Tribologia - uma história inspiradora. Disponível em: http://www.skf.com/pt/newsand-media/news-search/2013-10-25-tribology-a-moving-story.html?switch=y. Acesso em 20 nov. 2014. [2]Jost, H. P., “Tribology-origin and future”, Wear, v.136, pp.1-17. 1990. [3]Kato, K. Adachi, K., 2001, “Wear Mechanisms”, MODERN TRIBOLOGY HANDBOOK, Ed. CRC Press LLC Vol.2Cap 22. [4]Windarta, M. Bin Sudin., Baharom, M.B. “Prediction of Contact Temperature on Interaction between Rail and Wheel Materials Using Pin-on-Disc Method”, In: Journal of Applied Sciences, Perak. 2012. [5]Olofsson, Ulf. “A study of airborne wear particles generated from the train traffic – Block Braking simulation in a pin-on-disc machine”, In: Elsevier, Stockholm, Novembro. 2010. [6]Ferrer, C, Pascual, M, Busquets, D, Rayón, E, “Tribological study of Fe-Cu-Crgraphite alloy and cast iron railway railway brake shoes by pin-on-disc technique”, In: Elsevier, Valencia, Dezembro. 2009. [7]Horizontal Pin-on-Disc Tribometer. Disponível em: http://www.ac2t.at/en/competences/pools/tribosystem-characterisation-tri/infrastructurepool-tri/. Acesso em 20 nov.2014. [8]Yang, L.J. “Pin-on-disc wear testing of tungsten carbide with a new moving pin technique”, In: Elsevier, Singapura. 1999. [9]Pin Abrasion Testing. Disponível em: http://www.cetr.com/ASTM_Standard/ASTM_G132-96.htm. Acesso em 20 nov. 2014. [10]NORMA ASTM G99 – 05 (REAPPROVED 2005), Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus. [11]TRYLINSKI, W. 1971, FINE MECHANISMS AND PRECISION INSTRUMENTS – PRINCIPLES OF DESIGN. Warsaw, Pergamon Press. [12]BUDYNAS, R.G., NISBET, J.K., Elementos de Máquinas de Shigley – Projeto de Engenharia Mecânica. 8 ed. New York, Mc Graw Hill, 2008. [13]Filho, Flavio de Marco, Slides ELEMENTOS DE MÁQUINA I, Departamento de Engenharia Mecânica, UFRJ, 2014. 42 [14]Oliveira, Sylvio José Ribeiro de, Notas de Aula de ELEMENTOS DE MÁQUINA II, Departamento de Engenharia Mecânica, UFRJ, 2014. [15]Catálogo SKF – Princípios de Seleção e Aplicação de rolamentos [16]Provenza, Francesco, PROJETISTA DE MÁQUINAS, ed 71ª. São Paulo, Editora F. Provenza, 1990. [17] Vasques, Ana Carolina Cortez de Omena, Projeto Mecânico de uma Máquina de Ensaio de Fadiga Para Arames da Armadura de Tração de Dutos Flexíveis, Graduação da Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2014. 43 7. ANEXOS 7.1. Itens de vedação Figura 19 – Dimensionamento do o-ring da tampa Figura 20 – Dimensionamento do o-ring do disco 44 Figura 21 – Seleção do retentor 45 7.2. Moto-redutor, encoder e variador de frequência SEW Figura 22 - Seleção do eixo de saída, tipo de flange e forma construtiva do moto-redutor. Figura 23 - Seleção da frequência nominal, eficiência padrão, seleção da potência e rotação de saída e rotação do motor do moto-redutor. 46 Figura 24 - Seleção do fator de serviço (FS=1), temperatura de trabalho e posição de funcionamento do moto-redutor. Figura 25 - Seleção do moto-redutor baseado na rotação de saída mais próxima de 300RPM. 47 Figura 26 – Conferência das especificações e seleção da voltagem do motor. Figura 27 – Seleção das propriedades padrões do motor. 48 Figura 28 – Seleção das propriedades do redutor. Figura 29 – Seleção do flange e do diâmetro do eixo de saída do redutor. 49 Figura 30 – Seleção da posição do cabo de alimentação. Figura 31 – Seleção do encoder e do comprimento do cabo do mesmo. 50 Figura 32 – Seleção do variador de frequência para 2HP e trifásico. 51 7.3. Transdutor de Força Figura 33 – Transdutor de Força Berman Load Cells BTS 200Kg. 7.4. Célula de Carga Figura 34 – Especificações da célula de carga 52 7.5. Catálogo VULKAN DRIVETECH Figura 35 – Seleção do acoplamento elástico. Tabela 3 - Seleção do fator de serviço para o acoplamento elástico. 53 Figura 36 - Dimensões do acoplamento SPII 35 e dados técnicos. 7.6. Cálculo das seções dos eixos Figura 37 - Referência [10] 54 Figura 38 – Referência [10] 55 7.7. Pistão Pneumático Festo Figura 39 - Especificações técnicas do pistão 56 7.8. Rolamentos do eixo do disco Figura 40 – Rolamentos 6006 inferior e superior do eixo do disco 7.9. Rolamentos do eixo estrutura 7.9.1. Rolamento Superior Figura 41 - Rolamento 61906 - 2RS1 57 7.9.2. Rolamento Inferior Figura 42 - Rolamento EE8 TN9 58 8. Desenhos de Detalhamento do Projeto 59 600 2X 15 14 13 319 2X 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 2X 16 47 2X D 48 17 32 49 196 2X 18 B 4X 31 50 19 20 51 30 79 130 600 2X A C A B 4X 21 4mm 2X 22 4X ESCALA 1:5 4X 80 52 23 82 1 ENCODER SEW - COMERCIAL 81 1 MOTO-REDUTOR SEW - COMERCIAL 80 4 PARAFUSO ALLEN M12 X 45mm - AÇO CARBONO 79 2 CHAVETA 18mm x 11mm x 23mm - AÇO SAE 1045 78 2 CHAVETA 10mm x 7.5mm x 20mm - AÇO SAE 1045 77 1 CAVALETE FESTO MOD.174413 ACESSÓRIO - COMERCIAL 76 4 PARAFUSO ALLEN M6 x 50mm - AÇO CARBONO 75 2 PLACA ESTRUTURA CHAPA 120mm x 180mm x 20mm ESP. - AÇO SAE 1045 74 2 ROLAMENTO SKF 6006V - COMERCIAL 73 1 EIXO ØEXT. 36mm x 197mm - AÇO SAE 1045 72 1 TAMPA DA BASE DISCO ØEXT. 126mm x 27mm ALT. - AÇO 1045 71 2 PINO GUIA TECNOFIX M6x20mm ABNT1030 - COMERCIAL 70 1 O RING TRELLEBORG COD. ORAR00244 - COMERCIAL 69 1 ANEL DE RETENÇÃO TECNOFIX COD. 502.058 - COMERCIAL 68 1 O RING TRELLEBORG TRELLEBORG COD.ORAR00247 - COMERCIAL 67 1 RETENTOR TRELLEBORG COD. TRAF00400-4N011 - COMERCIAL 66 1 ROLAMENTO SKF 61906-2RS1 - COMERCIAL 65 2 ANEL DE RETENÇÃO TECNOFIX COD. 501.030 - COMERCIAL 64 1 ROLAMENTO SKF EE 8 TN9 - COMERCIAL 63 1 ANEL DE RETENÇÃO TECNOFIX COD.501.022 - COMERCIAL 62 1 EIXO ESTRUTURA ØEXT. 33.5mm x 158mm - AÇO SAE 1045 61 4 PARAFUSO ALLEN M8 x 40mm - AÇO CARBONO 60 1 BASE EIXO ESTRUTURA ØEXT. 140mm x 72mm ALT. - AÇO SAE 1045 59 1 TAMPA ØEXT. 90mm x 17mm - AÇO SAE 1045 58 1 ARRUELA FUNILEIRO Ø1/2" - AÇO CARBONO 57 1 PORCA M12 - AÇO CARBONO 56 6 PARAFUSO ALLEN M6 x 10mm - AÇO CARBONO 55 4 ANEL DE BORRACHA ØEXT. 11mm x 1.5mm ESP. - BORRACHA 54 8 PARAFUSO ALLEN M8 x 20mm - AÇO CARBONO 53 4 ANEL DE BORRACHA TAMPA ØEXT. 15mm x 1.5mm ESP. - BORRACHA 52 1 CONEXÃO GIRATÓRIA SEALEXCEL MOD. SJ07-4N - COMERCIAL 51 1 CONEXÃO 90° PNEUMÁTICO FESTO COD. 186355 - COMERCIAL 50 1 PLACA ADAPTADORA CHAPA 204mm x 140mm X 15.5mm - AÇO SAE 1045 49 1 PISTÃO PNEUMÁTICO FESTO MOD. AEVC-50-10-A-P-A - COMERCIAL 48 1 PIVÔ - PISTÃO FESTO MOD. 9262_SGS - COMERCIAL 47 2 BRAÇO NIVELADOR 319mm x 60mm x 110mm - AÇO SAE 1045 46 1 ENGATE RÁPIDO PISTÃO FESTO MOD. 153305 QSM-1_8-4 - COMERCIAL 45 1 MANGUEIRA PNEUMÁTICA FESTO - 25mm COMPR. - COMERCIAL 44 1 MINI NÍVEL HD MOD. HDMN01-A 40mm x 10mm - COMERCIAL 43 1 EIXO BLOCO FULCRO DE BALANÇA Ø40mm x 130mm - AÇO SAE 1045 42 1 EIXO CUNHA FULCRO DE BALANÇA Ø60mm x 60mm - AÇO SAE 1045 41 1 PINO 12mm x 22mm x 12mm - AMOSTRA 40 1 SUPORTE PINO ØEXT.40mm x 24mm ALT. - AÇO 1045 39 1 CÉLULA DE CARGA ALTHEN MOD.ALF245 - COMERCIAL 38 1 ALINHADOR PINO 30mm x 30mm x 19mm - AÇO 1045 37 1 PARAFUSO ALLEN M4 x 26mm - AÇO CARBONO 36 1 COPO DE RETENÇÃO DO ÓLEO TARUGO 7" x 90mm ALT. - ALUMÍNIO 6060 35 2 PARAFUSO ALLEN M6 x 30mm - AÇO CARBONO 34 1 DISCO ØEXT. 120mm (MAX) x 12mm ESP. (MAX) 33 1 ANTI-FLEXÃO DISCO ØEXT.122mm x 48mm ALT. - AÇO 1045 32 1 VÁLVULA DE ESFERA BELAIR LINHA MINI 1/4" - COMERCIAL 31 4 PARAFUSO ALLEN M8 x 45mm - AÇO CARBONO 30 1 BASE DO EIXO DISCO TUBO ØEXT 186mm x 104mm ALT. - AÇO 1045 29 2 PARAFUSO ALLEN M8 x 20mm - AÇO CARBONO 28 1 ARRUELA LISA M12 - AÇO CARBONO 27 1 PARAFUSO ALLEN M12 x 20mm - AÇO CARBONO 26 1 SUPORTE TRANSDUTOR CHAPAS 6.35mm ESP. E 12.7mm ESP. - AÇO 1045 25 24 2 1 ARRUELA DE FUNILEIRO TRANSDUTOR DE FORÇA M6 - AÇO CARBONO BERMAN LOAD CELLS MOD. BTS TIPO S 200kg - COMERCIAL 23 1 GUIA SENSOR TARUGO Ø10mm X 50mm - AÇO SAE 1045 22 2 SUPORTE CAVALETE AÇO SAE 1045 21 4 PARAFUSO ALLEN M8 x 25mm - AÇO CARBONO 20 2 ESPAÇADOR PISTÃO ØEXT. 26mm x 4.5mm ESP. - BORRACHA 19 5 PORCA M12 - AÇO CARBONO 18 2 TRAVA EIXO SUPERIOR FULCRO CHAPA Ø60mm x 6.35mm - AÇO 1045 17 4 ARRUELA LISA M6 - AÇO CARBONO 4X 16 2 PARAFUSO ALLEN M6 x 20mm - AÇO CARBONO 4 15 2 ESPAÇADOR PINO ØEXT.24mm x 5.5mm ESP. - BORRACHA 14 1 PORCA M6 - AÇO CARBONO 13 1 PARAFUSO ALLEN M6 x 70mm - AÇO CARBONO 12 4 PARAFUSO ALLEN M8 x 35mm - AÇO CARBONO 11 1 PORCA M12 - AÇO CARBONO 10 1 CHAVETA 5.6mm x 8mm x 38mm AÇO SAE 1045 9 1 ACOPLAMENTO ELÁSTICO VULKAN MOD. SPII 35 - COMERCIAL 8 1 CHAPA BANCADA 600mm x 600mm x 35mm - AÇO SAE 1045 7 1 CHAPA SUPORTE DO MOTOR 560mm x 560mm x 12.7mm - AÇO SAE 1045 6 8 CANTONEIRA 50.8mm x 50.8mm x 9.52mm - AÇO SAE 1045 5 4 CANTONEIRA - PERNA 50.8mm x 50.8mm x 9.52mm - AÇO 1045 4 4 CONTRA PORCA M12 - AÇO CARBONO 3 4 CHAPA PÉ CHAPA 50.8mm x 50.8mm x 12.7 mm - AÇO SAE 1045 2 4 PORCA M12 - AÇO CARBONO 1 4 PÉ ANTI-VIBRATÓRIO ROSTA MOD. N 70 M 12 - COMERCIAL POS. QTD. NOME ESPECIFICAÇÕES 24 4mm 4X 25 26 27 28 4mm 4X 29 19 ESCALA 1:2 687 81 11 10 9 4X 12 82 1230 8 7 4X 6 4X 4mm 4mm 4X 955 5 4X 4X 3 4X 2 4X 1 529 CORTE A-A ESCALA 1 : 2 4X ORIENTADOR: DATA: 16/12/2014 TÍTULO MAURICIO HERRANZ DE ARAUJO IGLESIAS ESCALA 1:2 08 PROJETO FINAL SYLVIO JOSÉ RIBEIRO DE OLIVEIRA ALUNO: REVISÃO UFRJ - DEM MÁQUINA PINO-DISCO DES. Nº ESCALA CONFORME O INDICADO 01 A0 COTAS EM MM FOLHA 1 DE 2 2X 58 75 4X 4X 56 55 57 4X 54 47 4X 54 59 4X 66 60 76 65 4X 61 4X 53 DETALHE D ESCALA 2 : 1 62 2X 64 DETALHE C ESCALA 1 : 1 71 77 63 72 69 2X 78 85 70 179 68 73 67 74 2X 2X 2X 56 17 79 74 65 ORIENTADOR: DATA: 16/12/2014 ESCALA 1 : 1 ALUNO: 08 PROJETO FINAL SYLVIO JOSÉ RIBEIRO DE OLIVEIRA SEÇÃO B-B REVISÃO TÍTULO MAURICIO HERRANZ DE ARAUJO IGLESIAS UFRJ - DEM MÁQUINA PINO-DISCO DES. Nº ESCALA CONFORME INDICADO 02 FOLHA 2 DE 2 A1 COTAS EM MM