DESAFIO

Elementos de máquinas são os elementos encontrados em todas as máquinas

existentes. Com esses elementos obtemos o funcionamento e a vida útil das máquinas através

de eixos, parafusos, mancais, engrenagens etc.

Na maioria das vezes esses elementos seguem normas de padronização, podendo ocorrer

variações para ajuste ou melhoramento do processo das máquinas.

Como desafio para esta ATPS, a equipe foi designada para encontrar uma solução de

transporte de uma carga fabricada. Essa equipe deve construir um guindaste para transportar

um conjunto de caixas que foram fabricadas para dentro do container.

No momento essa empresa está em contenção de custos e não pode fazer a aquisição de um

guindaste, por isso ele deve ser construído, levando em consideração todos os esforços

envolvidos e os dados levantados.

Figura – guindaste

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

14 abr. 2012.

Objetivo do desafio

Entregar os relatórios parciais durante o semestre para acompanhamento do professor.

Construir um protótipo desse guindaste em escala como entrega final.

ETAPA 1 (tempo para realização: 03 horas)

Aula-tema: a perspectiva de prevenção da falha.

Essa atividade é importante para poder assegurar que o projeto proposto funcionará como

pretendido de modo seguro e confiável.

Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS

Passo 1 (Equipe)

Definir quais serão os dados que a equipe irá utilizar para calcular todo o projeto do

guindaste. Somar os últimos algarismos dos RA´s dos integrantes do grupo e identificar os

dados na tabela abaixo:

Final somatória valor carga Final somatória valor carga

1 6000 lbf 6 6500 lbf

2 3000 lbf 7 3500 lbf

3 2500 lbf 8 2750 lbf

4 4500 lbf 9 8500 lbf

5 5200 lbf 0 7200 lbf

Quadro 1 – Dados de Carga

1054023162 + 5006153740 + 1041967095 + 1072136849 + 1073131050 + 1073131007

= 23 usar final 3 carga = 2500 lbf

Passo 2 (Equipe)

Fazer uma pesquisa dos tópicos abaixo, de modo a entender quais as possíveis falhas que

podem ocorrer dentro de um projeto mecânico:

1- Deformação Elástica

Ocorre quando á deformação elástica (recuperável), devido à carregamentos ou temperatura, é

tanta que o funcionamento adequado do item não é mais possível.

A deformação ocorre quando é aplicada uma tensão ou variação térmica que altera a forma de

um corpo.

Na deformação elástica, o corpo retorna ao seu estado original após cessar o efeito da tensão.

Isso acontece quando o corpo é submetido a uma força que não supere a sua tensão de

elasticidade (Lei de hooke).

2- Escoamento

Ocorre quando a deformação plástica (não recuperável) de um componente dúctil, devido á

carregamentos ou movimento, se tornam elevada o suficiente para interferir no desempenho.

Limite de escoamento, também chamado de tensão de cedência ou tensão de limite elástico,

ou tensão de escoamento, é a tensão máxima que o material suporta ainda no regime elástico

de deformação, se houver algum acréscimo de tensão o material não segue mais a lei de

Hooke e começa a sofrer deformação plástica (deformação definitiva). Onde k é o módulo de

elasticidade ou Módulo de Young.

3- Indentação

Quando forças estáticas entre duas superfícies acabam por promover o escamento de uma

delas ou de ambas.

4- Fratura Frágil

É chamada de falha catastrófica e ocorre quando a deformação elástica (recuperável) de um

componente que apresenta comportamento frágil é conduzindo ao extremo, quebrando as

ligações interatômicas e o componente se separa em duas ou mais partes.

Neste modo de fratura o material se deforma pouco antes de fraturar. O processo de

propagação de trinca pode ser muito veloz, gerando situações catastróficas e uma deformação

plástica muito pequena no material adjacente à fratura. A partir de certo ponto a trinca é dita

instável, visto que se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada no material. Uma

ruptura completamente frágil, por clivagem, apresenta facetas planas que refletem a luz.

5- Fadiga

Nome dado à fragmentação repentina de um componente. Normalmente ocorre através da

propagação de um trinca, resultante da aplicação de cargas ou deformações variáveis por um

período de tempo. Essa falha ocorre por meio da iniciação e propagação de uma trinca.

Normalmente os carregamentos e as deformações que causam esse tipo de falha são

tipicamente muito inferiores à aqueles da falha por carregamento estático.

Fadiga mecânica é o fenômeno de ruptura progressiva de materiais sujeitos a ciclos repetidos

de tensão ou deformação. O estudo do fenômeno é de importância para o projeto de máquinas

e estruturas, uma vez que a grande maioria das falhas em serviço são causadas pelo processo

de fadiga, cerca de 95%.

A falha por fadiga ocorre devido a nucleação e propagação de defeitos em materiais devido a

ciclos alternados de tensão/deformação. Inicialmente as tensões cisalhantes provocam um

escoamento localizado gerando intrusões e extrusões na superfície; isto aumenta a

concentração de tensões dando origem a uma descontinuidade inicial. À medida que esta

descontinuidade vai ficando mais "aguda" a mesma pode começar a propagar gerando uma

"trinca de fadiga" cujo tamanho aumentará progressivamente até a fratura do componente.

6- Corrosão

Deterioração não desejada do material por meios de processos químicos ou eletroquímicos.

Normalmente interage com outros modos, como desgaste ou fadiga.

A corrosão em metais é a destruição ou deterioração de um material por causa de reações

químicas e / ou eletroquímicas, levando os metais a retornarem ao seu estado natural,

abandonando seu atual.

7- Desgaste

Mudanças cumulativas não desejadas na dimensão do item, causada pela gradual remoção de

partículas de suas superfícies móveis em contato, resultante de ação mecânica.

Desgaste é a perda progressiva de material devida ao movimento relativo entre a superfície e a

substância com a qual entra em contato. Está relacionado com interações entre as superfícies

e, mais especificamente, a remoção e a deformação do material sobre uma superfície como

resultado da ação mecânica da superfície oposta. A necessidade de movimento relativo entre

as duas superfícies de contato e mecânica inicial entre asperezas é uma importante distinção

entre desgaste mecânico em comparação com outros processos com resultados semelhantes.

8- Flambagem

É a falha que ocorre quando uma combinação crítica de magnitude ou ponto de aplicação da

carga, juntamente com a geometria do componente, faz que com uma deflexão seja criada,

não mais possibilitando que o componente execute sua função.

A flambagem é considerada uma instabilidade elástica, assim, a peça pode perder sua

estabilidade sem que o material já tenha atingido a sua tensão de escoamento. Este colapso

ocorrerá sempre na direção do eixo de menor momento de inércia de sua seção transversal. A

tensão crítica para ocorrer a flambagem não depende da tensão de escoamento do material,

mas da seu módulo de Young.

Sites sugeridos para pesquisa

• COSTAI, E. M. Falha ou Ruptura nos Metais. Disponível em:

<https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7acDk4bFpKOXdOd1k>. Acesso em: 14

abr. 2012.

Bibliografia complementar

• NIEMANN, Gustav. Elementos de máquinas. 1ª ed. São Paulo: Blucher, 2009.

Passo 3 (Equipe)

Identificar no projeto do guindaste quais serão os modos de falha predominantes. Através dos

cálculos, identificar se é previsto ocorrer falhas no conjunto.

Passo 3 (Equipe)

Calcular o diâmetro do parafuso necessário para resistir as tensões de cisalhamento

provocadas pela ligação de corte simples do tirante com a viga metálica, considerando que a

tensão resistente de cisalhamento do aço do parafuso τvd á de 120 MPa. Majorar os esforços,

força de tração no tirante, por um coeficiente de segurança igual a 2.

Apostila de Resistência dos Materiais, Capítulo 2 – Tensão.

ASSOCIACAO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800/2008: Projeto de

Estrutura de Aço e de Estrutura Mista de Aço e Concreto de Edifícios. Rio de Janeiro, 2008 -

237p. PLT da Disciplina Resistência dos Materiais.

O valor da tensão de cisalhamento varia da superfície para o interior da peça, onde

pode atingir valores bem superiores ao da tensão média. O valor da tensão resistente foi

obtido com base nas especificações da NBR 8800:2008.

Aço do parafuso

Tensão de ruptura a tração - fu = 415 Mpa

A força de tração na qual os tirantes estão submetidos é igual à 12,57KN.

Majorando esta força por um coeficiente de segurança igual a 2. Temos então o seguinte:

Ft = 12,57 KN

Coeficiente de segurança = 2

Ft majorada = 12,57 KN . 2

Ft majorada = 25,14 KN

Porém o painel está sendo segurado por dois tirantes preso por dois parafusos. Para o cálculo

do diâmetro do parafuso dividiremos essa força peso do painel por dois, pois a mesma está

distribuída nos dois parafusos.

Ft = = 12,57KN

Resposta: Ft para cada parafuso é igual a 12,57KN.

Vamos calcular o diâmetro o diâmetro do parafuso necessário para resistir a uma tensão de

120 Mpa conforme dado proposto de desafio.

Para isso nós utilizaremos da fórmula de cálculo da tensão média de cisalhamento para duplo

corte, ou seja, τmédiav = conforme nos mostra a figura 2 – Detalhe da ligação dos tirantes.

τmédiav =

120 . = 120 . =

120 . = . =

. = 0,2095 . d =

d = m . 1000 d = 8,16 mm

O primeiro diâmetro do parafuso comercial em polegadas mais próximo ao resultado

encontrado é de 3/8 que corresponde a 9,5225mm.

Passo 4 (Aluno)

Entregar ao professor da disciplina, em uma data estipulada por ele, um relatório chamado:

RELATÓRIO 1 – Prevenção de Falha, contendo a pesquisa da questão do Passo 2 e os

cálculos realizados no Passo 3, dessa Etapa.

ETAPA 2 (tempo para realização: 05 horas)

Aula-tema: transmissão de potência através de eixos, acoplamentos, chavetas e

estrias.Essa atividade é importante para aprender a definir o dimensional do eixo utilizado,

qual seu material e qual o perfil utilizado.

Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSOS

Passo 1

Definir, através do tipo de construção, qual será o material utilizado para a construção do eixo

de sustentação da “moitão” do guindaste.

Sites sugeridos para pesquisa

• AÇOS VIC. Resumo dos principais aços para construção mecânica. 2012. Disponível

em: <https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7adVN0dE5TMEJTejg>. Acesso

em: 14 abr. 2012. • ENGEMET. Aços ligados para eixos, hastes e parafusos especiais.

2012.Disponível em: <https://docs.google.com/open?

id=0B0bJi2VvtH7aUW9Va1dzUHZNUkU>. Acesso

em: 14 abr. 2012.

• AÇOTUBO. Características dos Aços. 2012.Disponível em:

<https://docs.google.com/open?id=0B0bJi2VvtH7aTVdrT3QybE01QTg>. Acesso em:

14 abr. 2012.

Passo 2

Identificar quais serão os modos prováveis de falha para o eixo árvore do “moitão” e quais as

prevenções a serem todas.

Passo 3

Calcular através dos dados da etapa 1, o dimensional do eixo do “moitão”. Através desse

cálculo é possível identificar o perfil necessário para suportar a carga sugerida.

Passo 4

Entregar ao professor da disciplina, em uma data estipulada por ele, um relatório chamado:

RELATÓRIO 2 – Eixo Árvore, contendo a justificativa do passo 1 e 2 (mínimo de 30 linhas),

os cálculos realizados no passo 3 e o desenho técnico do eixo do “moitão” dessa etapa.