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Instituto Politécnico de Coimbra
Instituto Superior de Engenharia
ESTUDO E DIMENSIONAMENTO DE UM
EQUIPAMENTO DE GINÁSTICA BICICLETA ESTÁTICA
José Vieira das Neves
Trabalho de Projecto para obtenção do Grau de Mestre em
Equipamentos e Sistemas Mecânicos
COIMBRA
2010
Instituto Politécnico de Coimbra
Instituto Superior de Engenharia
ESTUDO E DIMENSIONAMENTO DE UM
EQUIPAMENTO DE GINÁSTICA BICICLETA ESTÁTICA
Orientador:
João Maia Carrapichano
Professor Adjunto, ISEC
José Vieira das Neves
Trabalho de Projecto para obtenção do Grau de Mestre em
Equipamentos e Sistemas Mecânicos
COIMBRA
2010
__________________________________________________________________________________
i
Dedicatória
Dedico esta dissertação às minhas
queridas filhotas (Sara e Ana Rita) e que
de algum modo, seja um incentivo ao seu
desempenho no futuro.
__________________________________________________________________________________
iii
Agradecimentos
Inúmeras pessoas e organizações colaboraram com satisfação na execução desta
dissertação. Somente por lapso é que alguém ficou esquecido, porque na verdade reconheço e
expresso imensa gratidão a todos os que me apoiaram e incentivaram em todos os momentos.
Estou especialmente agradecido ao meu orientador, Prof. Dr. João Carrapichano, pelo
seu esforço ordenativo, discussão de ideias e inteligentes conselhos.
Ao Prof. Dr. Urbano Ramos, pela sua colaboração, correcção e disponibilidade em
juntar as aulas práticas dos seus alunos em prol desta dissertação, no estudo dos componentes
acessórios da bicicleta para além da estrutura principal ou quadro.
Ao Eng.º Paulo Pires e restantes colaboradores da ABIMOTA - Associação Nacional
das Indústrias de Duas Rodas, Ferragens, Mobiliário e Afins que me receberam e orientaram
ao nível de normas associadas à especialidade.
Ao Eng.º António Sequeira da Chemetall S.A. - Sucursal em Portugal, pelo seu
incessante apoio e saber técnico. Foi e é, um verdadeiro amigo.
Ao Eng.º José Carlos, Dr. Jorge Vieira, Nuno Amaral e restantes colaboradores do
grupo Cin e em particular a sua unidade fabril Megadur que tiveram a amabilidade em me
receber e colaborarem tecnicamente.
Ao meu amigo Eng.º João Figueiredo da SolIntellysys L.da, pela sua orientação
técnica específica, ao nível dos tratamentos de superfície.
Ao meu amigo Eng.º Nuno Mineiro e ao seu colaborador João Bastos da Motoman
Robotics Ibérica - Sucursal em Portugal, que mesmo com pouca disponibilidade nas suas
vidas, forneceram informações muito úteis.
Ao Dr. Paulo Sena, pelos seus conhecimentos e por sua generosidade, enviando-me
dados e fontes de informação.
Aos ginásios (Play Health Club, Corpus - Ginásio de Manutenção Física,
Club Clínica das Conchas, Varequipeque, Ulisses, LH - Ginásio, Lagos em Forma -
Gestão Desportiva EEM e Corpus Domus) que acederam amavelmente e sem hesitação a
responder a um meu questionário feito online na vertente técnico-científica da presente
dissertação.
_________________________________________________________________________________
iv
Aos ginásios (Força em Movimento - Fit&Fun, Gym City e Multibody) que me
receberam, responderam a um inquérito presencial, partilharam os seus conhecimentos e
experiências e permitiram a recolha de algumas fotografias.
Às unidades comerciais e seus funcionários, situadas no Porto (Sport Zone do Mar
Shopping - Ikea) e em Aveiro (Sport Zone - Continente e Decathlon), pelas suas informações
e disponibilidade.
À Mafirol - Industria de Equipamentos, S.A. que me emprega, disponibilizou tempo e
espaço para reuniões com o meu orientador.
Ao meu superior na Mafirol, Eng.º Jorge Albergaria que sempre se prontificou a
ajudar e interceder como um verdadeiro técnico-comercial. Ele foi fundamental e um bom
amigo.
A todos os meus colegas de trabalho, pelas várias ajudas, recolhas de informação e
acima de tudo, a paciência em me suportarem nos momentos mais difíceis. O seu apoio e a
boa compreensão geral da Mafirol permitiram que eu fosse realizando cada etapa deste
Mestrado de forma atempada e capaz.
À minha esposa, Maria Helena; às minhas filhas, Sara e Ana Rita; à minha mãe, Maria
de Lurdes; e restantes familiares, pela tolerância, carinho e compreensão nos muitos
momentos, onde “pequei” pela ausência.
Bem hajam.
__________________________________________________________________________________
v
Resumo
No desporto profissional e amador, a bicicleta estática ou bicicleta de manutenção, de
Indoor Cycle ou de Spinning, é um equipamento cada vez mais sofisticado, constituído por
um considerável número de componentes mecânicos, quer estáticos quer dinâmicos, em
interacção, com uma produção industrial que encerra vários domínios da engenharia,
nomeadamente a nível de projecto, dos materiais e dos meios e processos de fabrico. A
bicicleta estática, como equipamento individualizado de desporto, tem assumido uma
importância crescente a nível mundial, seja para operadores do desporto de alta competição
ou amador, para o turismo, para a ginástica de reabilitação física e/ou mental, nos locais de
trabalho ou na directa utilização doméstica. Surgem benefícios no seu estudo,
desenvolvimento e divulgação, logo para as pessoas que directamente as utilizam,
primeiramente em ergonomia versus custo e depois nos benefícios humanos do desporto, lazer
e saúde, e para as empresas que as fabricam e/ou comercializam, por supremacia competitiva
de mercado sobre as suas mais directas concorrentes.
É apresentada uma integração dos registos bibliográficos preponderantes no tema,
nomeadamente na importância social e económica da bicicleta estática e no estado actual do
seu desenvolvimento e modo de exploração. O intercâmbio feito com profissionais
especializados e responsáveis pela implementação e utilização destes equipamentos, permitiu
definir as formas e pormenores a dimensionar. É optimizada uma estrutura, quer em
dimensões quer em materiais e revestimentos. O alumínio para fundição a par de alguns
termolaminados mostraram-se como boas alternativas às clássicas construções soldadas de
aço ao carbono, globalmente mais dispendiosas e menos duráveis. Ensaios de nevoeiro salino
permitiram tirar ilações sob efeitos nocivos em utilização, como seja o da corrosão pela
transpiração humana, sendo propostos revestimentos para restringir essa degradação.
Palavras-chave: Bicicleta Estática, Indoor Cycle, Spinning, Mapas de Ashby, CosmosWorks,
Detalhamento do Projecto.
__________________________________________________________________________________
vii
Abstract
In both professional and amateur sports, the stationary exercise bike for Indoor Cycle
or for Spinning is an increasingly sophisticated equipment, made up of a considerable number
of mechanical components, both static and dynamic, in interaction with an industrial
production that incorporates a myriad of domains of engineering namely at the level of the
project, of the materials and of the means and processes of manufacturing. The stationary
exercise bike, viewed as an individualized sports equipment, has seen its importance grow
worldwide, be it for people in high competition sports or amateur sports, for tourism, for
physical and/or mental rehabilitation exercise, in the workplace or in the household. As a
result there are many advantages in undergoing its study, development and dissemination, for
people who directly use them, firstly as regards ergonomics versus cost and then in the human
advantages of sports, leisure and health as well as for the manufacturers that produce and/or
commercialize them, for market competitive supremacy over its most direct competitors.
An integration of the prevailing bibliographic registers within the theme is presented,
namely regarding the social and economic importance of the stationary exercise bike and on
the actual state of its development and manner of exploitation. The exchange undergone with
specialized experts and with those responsible for the implementation and use of these
equipments, enabled to define the forms and the details that had to be dimensioned. A
structure is optimized, both in dimension as well as in materials and coatings. The aluminum
for foundry along with some thermo laminates proved to be good alternatives to the classic
welded constructions of steel to carbon, globally more expensive and less durable. Salt mist
testing under prejudicial effects in use allowed to reach certain conclusions, such as corrosion
due to human transpiration, as such, coatings are proposed to restrict that type of degradation.
Keywords: Stationary Exercise Bike, Indoor Cycle, Spinning, Ashby Maps, CosmosWorks,
Detailing of the Project.
__________________________________________________________________________________
ix
Índice
Lista de figuras .................................................................................................................. xiii
Lista de gráficos ............................................................................................................... xvii
Lista de tabelas .................................................................................................................. xix
Nomenclatura .................................................................................................................... xxi
1 Introdução ..................................................................................................................... 1
2 Estado da arte ............................................................................................................... 5
2.1 A importância social e económica da bicicleta estática ............................................. 5
2.2 A bicicleta estática e a inovação ............................................................................... 8
2.3 A selecção de materiais no projecto mecânico ........................................................ 13
2.4 A análise estática e dinâmica no projecto mecânico................................................ 16
2.5 As ferramentas do projecto detalhado..................................................................... 17
2.6 O projecto e a NP EN ISO 9001:2008 .................................................................... 21
2.7 Produção convencional e as novas tecnologias ....................................................... 24
3 Ferramentas de selecção de materiais e de cálculo num projecto mecânico............. 27
3.1 Introdução.............................................................................................................. 27
3.2 Materiais de engenharia ......................................................................................... 28
3.3 Critérios de selecção de materiais........................................................................... 33
3.4 Recursos de selecção de materiais .......................................................................... 41
3.4.1 Índice de eficiência ......................................................................................... 42
3.4.2 Índice de eficiência - dedução de um caso ....................................................... 43
3.4.3 A aplicabilidade dos mapas de Ashby ............................................................. 47
3.5 As simulações computacionais ............................................................................... 53
_________________________________________________________________________________
x
3.5.1 O método dos elementos finitos ...................................................................... 54
3.5.2 A aplicabilidade do CosmosWorks .................................................................. 55
3.5.3 As ferramentas SolidWorks - CosmosWorks .................................................... 56
4 Investigação e estudo sobre os melhoramentos na bicicleta estática ......................... 61
4.1 Introdução .............................................................................................................. 61
4.2 Inquérito ................................................................................................................ 62
4.2.1 Objectivos, população, método e questões....................................................... 62
4.2.2 Análise aos resultados obtidos......................................................................... 63
4.3 Pesquisa bibliográfica e normativa ......................................................................... 66
4.3.1 A corrosão estrutural ....................................................................................... 66
4.3.2 Abordagem dinâmica - cinemática e cinética ................................................... 67
4.3.3 Requisitos normativos ..................................................................................... 72
4.4 Entrevistas e observações sistemáticas ................................................................... 74
4.4.1 Visita a empresa .............................................................................................. 74
4.4.2 Visita a ginásios .............................................................................................. 74
4.4.3 Visita a lojas desportivas ................................................................................. 76
4.4.4 Conclusões e bases preliminares à concepção.................................................. 77
5 Concepção da bicicleta estática .................................................................................. 79
5.1 Introdução .............................................................................................................. 79
5.2 Execução dos modelos geométricos ....................................................................... 80
5.3 Selecção de materiais ............................................................................................. 85
5.3.1 Introdução....................................................................................................... 85
5.3.2 Características principais - requisitos - para os componentes ........................... 86
5.3.3 Identificação dos materiais candidatos ............................................................ 87
5.3.4 Os processos de fabrico ................................................................................... 90
__________________________________________________________________________________
xi
5.3.5 Os custos dos materiais ................................................................................... 96
5.3.6 Os factores de importância .............................................................................. 97
5.3.7 Comparação entre os materiais ........................................................................ 98
5.3.8 Matriz de decisão - escolha do material ........................................................... 99
5.4 Movimentos, restrições e cargas ........................................................................... 101
5.5 Estudo das tensões, deslocamentos e factores de segurança .................................. 105
5.6 Recomendações de detalhamento do projecto ....................................................... 110
5.6.1 Produção e montagem ................................................................................... 110
5.6.2 Mantenabilidade ........................................................................................... 117
5.6.3 Confiabilidade .............................................................................................. 121
5.6.4 Ergonomia, estética e meio ambiente ............................................................ 127
6 Conclusões e trabalho futuro .................................................................................... 129
6.1 O estudo da arte ................................................................................................... 129
6.2 O desenvolvimento prático do projecto ................................................................ 130
6.3 Directrizes para trabalho futuro no tema ............................................................... 131
7 Referências ................................................................................................................ 133
8 Anexos ....................................................................................................................... 139
8.1 Desenho técnico do conjunto ............................................................................... 139
8.2 Estudo por elementos finitos de uma bicicleta de Spinning ................................... 140
__________________________________________________________________________________
xiii
Lista de figuras
Figura 1 - Avaliação cardiorrespiratória (consumo de oxigénio - VO2) ................................. 5
Figura 2 - Elementos principais de uma bicicleta estática para prática do Spinning .............. 10
Figura 3 - Bicicleta estática para prática do Water Spinning ................................................ 12
Figura 4 - Problema central da SM no projecto mecânico (Ashby, 1999) ............................. 13
Figura 5 - Evolução da engenharia dos materiais com o tempo (Ashby, 1999) ..................... 15
Figura 6 - Fluxograma representativo da interacção Projecto/Materiais (Ashby, 1999) ........ 16
Figura 7 - O funil de desenvolvimento de um produto (Tidd et al., 2003) ............................ 18
Figura 8 - Processo de concepção de uma bicicleta estática (Pires, 2004) ............................ 22
Figura 9 - Sistema de Gestão da Qualidade (Andrade, 2009) ............................................... 23
Figura 10 - Classes dos materiais de engenharia (Ashby, 1999) ........................................... 29
Figura 11 - Protótipo do NH-90 à base de compósitos ......................................................... 33
Figura 12 - Procedimento de dedução do índice de eficiência, segundo Ashby .................... 42
Figura 13 - Veio cilíndrico sólido sujeito a um momento de torção ..................................... 44
Figura 14 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação do módulo de elasticidade com a
densidade (CES EduPack, 2008) .......................................................................................... 47
Figura 15 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade
(Ashby, 1992) ...................................................................................................................... 48
Figura 16 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa)2/3
m3/Mg
(Ashby, 1992) ...................................................................................................................... 49
Figura 17 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa)2/3
m3/Mg e
resistência igual ou superior a 350 MPa (Ashby, 1992) ........................................................ 50
Figura 18 - Inputs no processo de fabrico associados a um custo (CES EduPack, 2007) ...... 52
Figura 19 - Exemplo de um elemento do MEF (CosmosWorksTM
, 2003) ............................ 54
Figura 20 - Exemplo de estudo (deslocamento) com o CosmosWorks (Neves e Fernandes,
2009) ................................................................................................................................... 55
_________________________________________________________________________________
xiv
Figura 21 - Um modelo geométrico construído no SolidWorks ............................................ 56
Figura 22 - Aplicação de constrangimentos ao um modelo geométrico ................................ 57
Figura 23 - Aplicação de carregamentos .............................................................................. 57
Figura 24 - Malhagem de um modelo segundo as preferências ............................................ 58
Figura 25 - Visualização dos resultados em termos de tensões de Von Mises ...................... 58
Figura 26 - Visualização dos resultados em termos de deslocamentos ................................. 59
Figura 27 - Visualização dos resultados para o factor de segurança ..................................... 60
Figura 28 - Fotografia de pormenor de uma bicicleta estática com corrosão localizada por
origem no suor (amavelmente cedida pelo ginásio Gym City, L.da, 2009) ............................ 66
Figura 29 - Característica do movimento do membro inferior ao pedalar, com movimento
angular (I) e movimento linear (II), (UFSM et al., 2008) ...................................................... 68
Figura 30 - Ciclo esquematizado de uma pedalada .............................................................. 68
Figura 31 - Forças aplicadas no pedal referentes ao plano sagital ........................................ 69
Figura 32 - Representação esquemática da variação da força resultante durante uma pedalada
(Grappe, 2005) ..................................................................................................................... 70
Figura 33 - Fotografias de corrosão nos equipamentos de ginástica provocada pelo suor ..... 76
Figura 34 - Relógio (monitor) para leitura da frequência cardíaca........................................ 77
Figura 35 - Esboço final da bicicleta estática a desenvolver ................................................. 80
Figura 36 - As melhores posturas e dimensões das bicicletas tradicionais e aerodinâmicas
(Dreyfuss, 1966) .................................................................................................................. 81
Figura 37 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo
por base a construção soldada .............................................................................................. 82
Figura 38 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo
por base a construção injectada ou conformada .................................................................... 83
Figura 39 - Alguns dos componentes da bicicleta estática a desenvolver modelados através do
SolidWorks ........................................................................................................................... 84
Figura 40 - Destaque de alguns aspectos inovadores da bicicleta estática: I - suporte de
garrafas de água e II - sistema de carga e travagem de emergência ....................................... 85
Figura 41 - Dimensões da estrutura principal da bicicleta estática a desenvolver ................. 86
__________________________________________________________________________________
xv
Figura 42 - Análise cinemática da estrutura da bicicleta estática com recurso ao
CosmosMotion ................................................................................................................... 101
Figura 43 - Aplicação da liga de alumínio 356.0-T6, utilizando a biblioteca de materiais do
CosmosWorks .................................................................................................................... 102
Figura 44 - Aplicação e definição do Celeron no CosmosWorks ........................................ 102
Figura 45 - Apresentação das restrições à estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks. 103
Figura 46 - Representação simplificada das cargas máximas aplicadas à estrutura da bicicleta
estática no CosmosWorks ................................................................................................... 103
Figura 47 - Dimensões de referência da transmissão da bicicleta estática .......................... 104
Figura 48 - Distribuição das forças na estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks ...... 105
Figura 49 - Discretização no CosmosWorks do modelo da estrutura da bicicleta estática ... 106
Figura 50 - Distribuição de tensões no CosmosWorks para os materiais eleitos para a
estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio 356.0-T6 e b) Celeron ............................ 107
Figura 51 - Pormenor gráfico do CosmosWorks do valor das tensões na zona mais solicitada
da estrutura da bicicleta estática para o Celeron .................................................................. 107
Figura 52 - Deslocamentos nodais no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura
da bicicleta estática: a) liga de alumínio 356.0-T6 e b) Celeron .......................................... 108
Figura 53 - Factor de segurança no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura da
bicicleta estática: a) liga de alumínio 356.0-T6 e b) Celeron ............................................... 108
Figura 54 - Zona especificada de FOS (0,84 < FOS < 1) no CosmosWorks para o Celeron
como material da estrutura da bicicleta estática .................................................................. 109
Figura 55 - Máquina de cortar tubo a laser (TRUMPF) ..................................................... 111
Figura 56 - Furação e conformação térmica (THERMDRILL) .......................................... 112
Figura 57 - Soldadura robotizada (YASKAWA - Motoman®) ........................................... 112
Figura 58 - Pintura robotizada (YASKAWA - Motoman®) ............................................... 113
Figura 59 - Automatização aplicada à fundição em moldes de areia .................................. 114
Figura 60 - Equipamento para injecção de polímeros (ARBURG) ..................................... 115
Figura 61 - Esquema de suporte de apoio em linha de montagem da bicicleta estática ....... 116
Figura 62 - Aplicação da robótica à operação de montagem (YASKAWA - Motoman®) .. 116
_________________________________________________________________________________
xvi
Figura 63 - Amostras após os ensaios de nevoeiro salino neutro por 500 horas .................. 119
Figura 64 - Software de apoio à optimização ergonómica numa bicicleta, relacionando a
altura do selim com o metabolismo (AnyBody™, 2007) .................................................... 127
Figura 65 - Desenho técnico do projecto em estudo ........................................................... 139
__________________________________________________________________________________
xvii
Lista de gráficos
Gráfico 1 - Certificação no sector do ciclismo em 1998 (Silva e Pereira, 2000) ................... 21
Gráfico 2 - Equipamento produtivo das EC em 1998 (Silva e Pereira, 2000) ....................... 24
Gráfico 3 - Consumo de polímeros em diversos países e regiões por habitante (Padilha, 2000)
............................................................................................................................................ 31
Gráfico 4 - Influência das simulações computacionais no desenvolvimento de produtos
(SolidWorks Corporation, n.d.) ............................................................................................ 53
Gráfico 5 - Quantidade de bicicletas estáticas para uma amostra de ginásios inquiridos ....... 63
Gráfico 6 - Componentes de bicicletas estáticas apontados pelos ginásios inquiridos como
requerendo maior manutenção.............................................................................................. 64
Gráfico 7 - Avarias de maior gravidade em bicicletas estáticas denunciadas pelos ginásios
inquiridos ............................................................................................................................. 65
Gráfico 8 - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade (Ashby, 1992).... 88
Gráfico 9 - Mapa de processos por relação da dureza com a temperatura de fusão (Ashby,
1992) ................................................................................................................................... 91
Gráfico 10 - Mapa de processos por relação da área da superfície com a espessura mínima
(Ashby, 1992) ...................................................................................................................... 92
Gráfico 11 - Mapa de processos por relação da complexidade com o tamanho ou massa
(Ashby, 1992) ...................................................................................................................... 94
Gráfico 12 - Mapa de processos por relação da amplitude da tolerância com a rugosidade
(Ashby, 1992) ...................................................................................................................... 95
__________________________________________________________________________________
xix
Lista de tabelas
Tabela 1 - Densidade, resistência e índice de eficiência para cinco materiais de engenharia
(Callister, 2007) ................................................................................................................... 51
Tabela 2 - Considerações do custo de cinco materiais de engenharia candidatos .................. 51
Tabela 3 - Descrição das partes com maior dano em bicicletas estáticas apontadas pelos
ginásios inquiridos ............................................................................................................... 65
Tabela 4 - Respostas obtidas pelos ginásios entrevistados.................................................... 75
Tabela 5 - Definição do IE para o caso em estudo (Ashby, 1992) ........................................ 88
Tabela 6 - Algumas propriedades dos materiais candidatos ................................................. 90
Tabela 7 - Materiais e processos candidatos por relação da dureza com a temperatura de fusão
............................................................................................................................................ 91
Tabela 8 - Materiais candidatos e custo em matéria-prima ................................................... 97
Tabela 9 - Quadro de factores de importância ...................................................................... 97
Tabela 10 - Quadro de comparação entre os materiais candidatos por propriedades a
maximizar e a minimizar ...................................................................................................... 98
Tabela 11 - Matriz de decisão para os materiais candidatos ................................................. 99
Tabela 12 - Pré-tratamentos e pinturas das amostras para os ensaios de nevoeiro salino .... 118
Tabela 13 - Avaliação das amostras após os ensaios de nevoeiro salino segundo a norma NP
EN ISO 4628-8 .................................................................................................................. 120
Tabela 14 - Critério de avaliação da gravidade por efeito de potencial falha perante o cliente
.......................................................................................................................................... 123
Tabela 15 - Falhas e causas potenciais do projecto em estudo ............................................ 124
Tabela 16 - Critério de avaliação da frequência com que ocorrem as causas ...................... 124
Tabela 17 - Critério de detecção da falha antes de se iniciar o fabrico do produto .............. 125
Tabela 18 - Exemplo prático, AMFEC do projecto ............................................................ 126
__________________________________________________________________________________
xxi
Nomenclatura
Abreviaturas
3D - Modelo tridimensional
AA - Aluminum Association (Associação Norte Americana do Alumínio)
AISI - American Iron and Steel Institute (Instituto Americano do Ferro e do Aço)
ANSI - American National Standards Institute (Instituto Nacional Americano de
Normalização)
CAD - Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador)
CAE - Computer Aided Engineering (Engenharia Assistida por Computador)
CAM - Computer Aided Manufacturing (Fabrico Assistido por Computador)
CAP - Computer Aided Planning (Planeamento Assistido por Computador)
CCC - Cúbica de Corpo Centrado
CFC - Cúbica de Faces Centradas
CI - Ciclismo Indoor (ciclismo em recinto fechado)
CIM - Computer Integrated Manufacturing (Fabrico Integrado por Computador)
CMM - Computer Measure Machines (Máquinas de Medidas por Coordenadas)
CNC - Computer Numeric Control (Controlo Numérico por Computador)
DFE - Design For Enviroment (Projecto para o meio ambiente)
DFMA - Design For Manufacturing and Assembly (Projecto para a produção e
montagem)
DNC - Direct Numeric Control (Controlo Numérico Directo-Descentralizado)
EC - Empresas ciclistas
EN - European Norm (Norma Europeia)
FMEA ou AMFEC - Failure Mode and Effect Analysis (Projecto e Avaliação da
Confiabilidade ou Análise dos Modos de Falha, seus Efeitos e Criticidade)
FMS - Flexible Manufacturing System (Sistema de Fabricação Flexível)
FOS ou N - Factor de Segurança
HHMI - Howard Hughes Medical Institute (organização de pesquisa médica, sem fins
_________________________________________________________________________________
xxii
lucrativos)
I&D - Investigação e Desenvolvimento
IDI - Investigação, Desenvolvimento e Inovação
IE ou I - Índice de Eficiência (“Is” quando relativo à rigidez)
IEP - Índice de Eficiência Propulsivo
IHRSA - International Health, Racquet and Sportsclub Association (maior
organização de clubes de saúde mundial)
IPA - Instituto Português de Acreditação
IPQ - Instituto Português da Qualidade
ISO - International Organization for Standardization (Organização Internacional de
Normalização)
ME - Materiais de Engenharia
MEF - Método dos Elementos Finitos
MFLE - Mecânica da Fractura Linear Elástica
NC - Numerical Control (Controlo Numérico)
NP - Norma Portuguesa
RPM ou n - Rotações Por Minuto ou Variante do Spinning (RPM)
SI - Sistema Internacional
SM - Selecção de materiais
SPD - Encaixe automático do calçado (sistema patenteado pela Shimano)
SPQ - Sistema Português da Qualidade
VO2 - Consumo de oxigénio
WS - Water Spinning (variante inovadora do CI)
__________________________________________________________________________________
xxiii
Letras e símbolos
l - Dimensão média geométrica [mm]
n - Número de peças produzidas por minuto
C - Carga sobre o calço de travagem [N]
c - Custo relativo (razão entre o custo por unidade de massa do material candidato e o
custo por unidade de massa do aço macio) [€/€]
C’ - Complexidade [Bits]
Cc - Custo da instalação necessária ao fabrico [€]
Cf - Custo de fabrico [€]
CL - Custo da mão-de-obra por minuto [€/min]
Cm - Custo dos materiais [€]
D - Diâmetro da pedaleira [mm] ou Detectabilidade
d - Diâmetro do pinhão [mm]
F - Requisitos Funcionais ou Frequência
Fa - Força de atrito [N]
Fe - Força efectiva [N]
Fi - Força inefectiva [N]
Fn - Força normal ou vertical [N]
Ft - Força tangencial ou horizontal [N]
G - Módulo de corte [GPa] ou Geometria ou Gravidade
Ip - Momento polar de inércia [m4]
K - Factor de intensidade de tensões [MPa√m]
KIC - Factor de intensidade de tensão crítico ou tenacidade à fractura [MPa√m]
KICST - Limiar de propagação à corrosão sob tensão [MPa√m]
L - Comprimento [mm]
m - Massa [kg]
M - Propriedades dos materiais
Mp - Binário exercido pelo ginasta na pedaleira [Nm]
Mt - Momento de torção [Nm]
_________________________________________________________________________________
xxiv
n’ - Número de itens
P - Potência mecânica [W] ou produto GFD (Gravidade; Frequência; Detectabilidade)
P’ - Função objectivo
R - Raio [mm]
Ra - Rugosidade média [µm]
Rq - Rugosidade quadrática média [µm]
W - Velocidade angular [rad/s]
Caracteres gregos
l - Precisão média geométrica [mm]
η - Rendimento
θ - Ângulo de torção [ º]
μ - Coeficiente de atrito dinâmico
ρ - Densidade [g/cm³]
σCST - Tensão limiar de corrosão sob tensão [MPa]
σfo - Tensão limite de fadiga [MPa]
σr - Tensão de ruptura ou máxima [MPa]
σvm - Tensão de Von Mises ou de aplicação [MPa]
τ - Tensão de torção [MPa]
τf - Resistência à torção [MPa]
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1
1 Introdução
Numa época de acelerada mutação a vários níveis, a sociedade vive em grande entrega
à sua vida quotidiana, tanto pessoal como profissional, diante duma crescente concorrência no
trabalho, da constante ameaça à manutenção do mesmo emprego, a par de todas as
dificuldades intrínsecas ao seio de uma família contemporânea. Não só agentes desportivos ou
turísticos, como o próprio trabalhador e/ou empregador tomam consciência da necessidade de
programas paralelos de recuperação, treino, lazer ou repouso. Surge, nomeadamente,
desenvolvimento em equipamentos e planos específicos de ginástica, que, para além da sua
aplicação na competição desportiva profissional ou semi-profissional, ou mesmo no auxílio ao
tratamento humano por reabilitação motora e/ou psíquica ou como equipamento auxiliar ao
diagnóstico ou prognóstico clínico, visam, sobretudo, o referido apoio ao quotidiano do
cidadão comum, directamente nos locais de trabalho, em ginásios ou mesmo por utilização
doméstica, tornando-se mais ampla a qualidade de vida e a desejável saúde.
O presente trabalho aborda um desses equipamentos de desporto, em particular a
bicicleta estática. São tratados o estudo e dimensionamento da “clássica bicicleta estática”,
também dita de bicicleta de manutenção, de Indoor Cycle ou de Spinning, em termos da sua
aplicação e funcionalidade, sendo feito um prévio levantamento do estado da arte no
respeitante ao sucessivo desenvolvimento e paralela bibliografia desta mesma especialidade.
Já no respeitante ao campo empresarial, o desenvolvimento e a produção industrial de
produtos, por múltiplas vezes tem sido efectuado sem se verificar e avaliar, antes de se
realizar o protótipo ou uma pré-série produtiva, entre vários aspectos, a montagem, os
processos de fabrico, a necessidade de manutenção e factores humanos, obrigando a
sucessivas correcções do projecto original, aumentando os custos totais (Dufour, 1996).
É necessário às empresas uma adaptação constante às novas tecnologias e uma clara e
rápida percepção da evolução do contexto envolvente, a par do conhecimento do seu
posicionamento face à concorrência. Em tempos de elevada exigência, de rápida inovação e
de radicais mudanças estruturais das empresas ou organizações, os seus gestores e restantes
colaboradores confrontam-se com a necessidade de aumentar a investigação e
desenvolvimento de novos produtos com ciclo de vida tendente a decrescer (Amaral, 1993).
Desapareceu o conceito de “negócio estável” e em alternativa o que se coloca à maior
parte das empresas é a chamada “globalização”, onde um produto poderá ser projectado num
I CAPÍTULO_______________________________________________________
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2
determinado país, produzido noutro e comercializado em vários. As empresas, mais
propriamente, os seus produtos, só sobrevivem enquanto mantêm alguma vantagem
competitiva sobre a concorrência. Assim, torna-se premente optimizar e/ou inovar os
projectos. O estado actual e as necessidades do mercado são as bases da concepção, que
jamais se poderá dar por concluída, porque a todo o momento se deverá promover a melhoria
contínua.
Esta dissertação pretende, assim, tratar o desenvolvimento da bicicleta estática em
termos da sua ampla aplicação mundial como equipamento de uma indústria relevante e
também muito concorrencial, uma variante da larga amplitude do sector de produção,
comercialização e exploração de equipamentos mecânicos desportivos. Desenvolveu-se um
estudo em consonância com ferramentas apropriadas à selecção de materiais e processos de
fabrico, os Mapas de Ashby, à simulação numérica, com o SolidWorks aliado ao seu pacote
CosmosWorks, e ao projecto detalhado, de forma a alcançar a melhoria do produto em perfeita
harmonia com as necessidades do mercado, processos de fabrico e novas tecnologias. Dentro
das utilizações da bicicleta estática, dar-se-á maior relevo à prática do ciclismo em recintos
fechados, pela sua elevada expansão e evolução nos últimos tempos.
A presente dissertação encontra-se organizada da seguinte forma:
Primeiro capítulo (Introdução) - É aqui apresentado o tema, nas razões
socioeconómicas que levaram ao seu estudo, no enquadramento teórico-prático em
que se baseia o trabalho, reforçando-se, por esse enquadramento, as bases e a
pertinência deste estudo e os seus objectivos. É também apresentado o modo da
sua estruturação.
Segundo capítulo (Estado da arte) - Onde é feita uma pesquisa bibliográfica no
actual estado da arte, bem como nos indicadores e formas de desenvolvimento, e
nos métodos e meios de projecto nessa mesma área. Encontra-se dividido em sete
subcapítulos, sendo o primeiro referente à importância social e económica da
bicicleta estática. O segundo caracteriza a bicicleta estática e a inovação neste tipo
de produto. O terceiro subcapítulo refere-se à selecção de materiais no projecto
mecânico. O quarto trata a análise estática e dinâmica no projecto mecânico, como
ferramentas importantes ao engenheiro. O quinto trata as ferramentas do projecto
detalhado.
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3
O sexto subcapítulo foca o projecto e a NP1 EN
2 ISO
3 9001:2008. Por fim, é dada
importância à produção convencional e às novas tecnologias possíveis de serem
utilizadas na execução de equipamentos mecânicos.
Terceiro capítulo (Ferramentas de selecção de materiais num projecto mecânico) -
São apresentadas, sob o ponto de vista de pesquisa bibliográfica e com algum
detalhe, as ferramentas ou meios para a execução do presente projecto, pelo facto
de se constituírem como o principal “equipamento experimental” de apoio ao
mesmo nas suas fases de concepção e de realização prática ou material. Apresenta-
se dividido em cinco subcapítulos, em que no primeiro se faz uma introdução ao
assunto. O segundo apresenta uma incursão sobre os vários materiais de
engenharia. O terceiro subcapítulo trata os critérios de selecção dos materiais num
projecto. O quarto apresenta os recursos de selecção; especifica-se o índice de
eficiência, deduz um caso e é verificada a aplicabilidade dos mapas de Ashby. No
final, o estudo focaliza-se sobre as simulações computacionais, dando-se a devida
importância ao método dos elementos finitos, à aplicabilidade do CosmosWorks4 e
à do conjunto CosmosWorks - SolidWorks5 como ferramentas combinadas.
Quarto capítulo (Investigação e estudo sobre os melhoramentos na bicicleta
estática) - É realizado um misto de pesquisa bibliográfica e de “prévia realização
experimental com trabalho de campo” e num complemento ou sentido prático a
essa pesquisa bibliográfica, para, no global, se poder vir a traçar objectivos de
concepção e de desenvolvimento no tema e no equipamento em projecto. É
constituído por quatro subcapítulos, onde no primeiro se apresenta o respectivo
trabalho a ser desenvolvido. O segundo reporta a realização de um inquérito, no
tema e feito online, a ginásios, especificando os objectivos, a população, o método
1 Norma Portuguesa.
2 European Norm (Norma Europeia).
3 International Organization for Standardization (Organização Internacional de Normalização).
4 Ferramenta do SolidWorks para simulações, análises de resistência e testes de esforço dos produtos modelados.
5 Software de CAD (computer-aided design), desenvolvida pela SolidWorks Corporation, adquirida em 1997 pela Dassault Systemes S.A.
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4
e questões, bem como uma análise aos respectivos resultados. No terceiro dá-se
ênfase aos resultados de uma pesquisa bibliográfica no tema e de algumas normas
específicas, dando-se relevo à corrosão estrutural, à cinemática e cinética e aos
requisitos normativos. Complementa-se, já no quarto subcapítulo, com entrevistas
e observações sistemáticas, através de visitas, nomeadamente a uma empresa, a
ginásios e a lojas desportivas. Conclui-se com uma apresentação das bases
preliminares à concepção.
Quinto capítulo (Concepção da bicicleta estática) - Constitui-se como a realização
prática ou material deste projecto. Sendo formado por seis subcapítulos, no
primeiro faz-se uma introdução ao trabalho de concepção da bicicleta estática. O
segundo subcapítulo apresenta a execução dos modelos geométricos no
SolidWorks. O terceiro debruça-se sobre a selecção de materiais tendo por base os
mapas de Ashby, culminando com a execução de uma matriz de decisão e
consequente escolha de materiais. O quarto subcapítulo trata um estudo dinâmico,
especifica as restrições e cargas. O quinto subcapítulo verifica a capacidade dos
materiais eleitos em termos de resistência mecânica, através de uma análise
estática com o CosmosWorks, calculando-se as tensões, deslocamentos e factores
de segurança. Por fim, complementa-se o trabalho de concepção com a
recomendação de algumas ferramentas de detalhamento do projecto, relacionadas
com a produção e montagem (fazem-se algumas propostas de fabrico e
montagem), mantenabilidade (com a realização experimental de ensaios de
nevoeiro salino e a proposta de revestimentos para protecção à corrosão pelo suor),
confiabilidade (com a realização no projecto de um exemplo prático de análise dos
modos de falha, seus efeitos e criticidade), ergonomia, estética e meio ambiente
(por apresentação de aplicações ou ferramentas informáticas dedicadas à
ergonomia, e com discussão dos pormenores de estética e do ambiente afectos ao
equipamento em projecto).
Ao finalizar, no sétimo capítulo (Conclusões e trabalho futuro) - Apresentam-se as
conclusões finais e mais relevantes, e propõem-se futuros desenvolvimentos.
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5
2 Estado da arte
2.1 A importância social e económica da bicicleta estática
De há muito tempo que o homem procura meios para melhorar o transporte na terra, e
de várias invenções que tiveram como intento facilitar o deslocamento, a bicicleta ganhou
algumas vantagens relativamente a outros meios de transporte e, como estes, evolui e
adaptou-se a novas realidades. No processo evolutivo da bicicleta, um dos maiores destaques
foi a possibilidade da utilização na avaliação orgânica e funcional, como também para treino
do ciclismo feito em recinto fechado.
A avaliação orgânica traduz-se num diagnóstico e prognóstico bem definidos da
insuficiência coronária, útil na abordagem aos pacientes, permitindo uma determinação
precisa da capacidade funcional e avaliação objectiva da resposta terapêutica. Enquanto a
avaliação funcional é medida através do consumo de oxigénio (VO2) e reflecte a quantidade
de oxigénio que é retirado do ar enquanto se realiza o exercício (Figura 1). Deve ser reservada
para casos específicos, como na diferenciação da dispneia induzida pelo esforço de causa
cardiogénica ou pulmonar e na avaliação objectiva da capacidade de esforço e da resposta
terapêutica em possíveis candidatos a transplante cardíaco (Eduardo, 2009).
Figura 1 - Avaliação cardiorrespiratória (consumo de oxigénio - VO2)
II CAPÍTULO_______________________________________________________
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6
Assim, surgiu a bicicleta ergométrica, também conhecida como, bicicleta estática, e,
consequentemente o Ciclismo Indoor (CI) ou Spinning6, realizado geralmente em ginásios
(Silva e Oliveira, 2002).
O CI surgiu em 1987 por intermédio do Sul-africano Johnatan Golberg, conhecido por
Johnny G. que de muito cedo se fascinou pela bicicleta e aos 24 anos veio para a América
como ciclista. Mais tarde, decidiu realizar algumas alterações que permitissem maior
segurança, melhores condições climáticas, formação e distanciamento do trânsito dos grandes
centros urbanos. Posteriormente, juntou-se a mais colegas ciclistas e juntos adicionaram
música aos treinos de forma a torná-los mais agradáveis. Assim, aos poucos veio a nascer uma
nova actividade baseada no ciclismo que poderia perfeitamente ser desenvolvida nos ginásios.
Alguns anos depois, a ideia foi copiada por milhares de empresas tornando-se num negócio
mundial (Barbado Villalba, 2007).
No ano de 1995, por toda a América, se praticava CI e hoje existem mais de 35000
instrutores espalhados pelo Mundo e que ensinam esta modalidade em mais de 100 países. O
programa inicial foi evoluindo e surgiram diversas empresas a desenvolver práticas
semelhantes e hoje existem mais de uma dezena de filosofias de trabalho de treino do CI e
dezenas de marcas de bicicletas com desenhos semelhantes à primeira bicicleta de Johnny G.
(Bomtempo, 2007).
O CI ou Spinning é um desporto de grupo, que, fomentando o convívio, exercita
fisicamente, a nível muscular e cardiovascular. Durante uma aula de Spinning consegue-se
libertar emoções, descarregar energias negativas e desfrutar de adrenalina. A actividade física
também exerce efeitos no convívio social do indivíduo, tanto no ambiente de trabalho quanto
no familiar (Vasques, 2008). Outros autores, entre eles, Barbado Villalba, caracterizam com
bastante rigor o CI e a sua importância:
O CI…Trata-se de uma actividade física colectiva, realizada
sobre uma bicicleta estática ao ritmo da música, em que se
efectua um trabalho predominantemente cardiovascular de alta intensidade com intervenção muito elevada dos grandes grupos
musculares inferiores. O treino é guiado por um instrutor que é
responsável em conduzir a sessão cumprindo os objectivos
previamente estabelecidos (Barbado Villalba, 2007, p. 8).
6 Deriva da roda giratória suspensa no ar.
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7
O treino em bicicletas estáticas, promove resultados expressivos num curto espaço de
tempo, desde que utilizados os conceitos de forma cuidadosa.
Segundo Frobose e Waffenschmidt (2002, p. 12), o Spinning tem as seguintes
vantagens:
É uma das melhores actividades físicas de resistência. Protege o sistema locomotor
e os ligamentos, já que não existem impactos.
Permite o início imediato da prática de acordo com as necessidades e objectivos
individuais em virtude da simplicidade de movimentos e de um sistema de
regulação de carga, conseguido pelo travamento da roda de balanço.
O ambiente de grupo gera motivação.
Os participantes têm sensações diversas em função do ritmo da música.
Esta modalidade constituída por movimentos e coreografias, gera interesse a
ambos os sexos.
Ajusta-se perfeitamente às tendências actuais. Quando aplicado correctamente
ajuda na prevenção de doenças cardiovasculares, sendo exterminador de gorduras.
Já não são conhecidas as suas claras desvantagens, contudo alguns artigos editados em
Setembro de 2005 na revista "Journal of Sexual Medicine"7, resultantes de estudos efectuados
no ano de 2000, informaram da possibilidade do homem se tornar impotente ao fazer ciclismo
de qualquer espécie. Um selim inadaptado pode bloquear a circulação sanguínea nos órgãos
genitais e provocar problemas sexuais, tanto do homem como da mulher.
Existem algumas diferenças nas descobertas feitas em recentes pesquisas relacionadas
com o CI, já que os participantes sentam-se em bancos geralmente mais largos e macios e
constantemente são estimulados a mudar de posição (Bomtempo, 2007).
O crescimento do mercado global de equipamentos de Fitness,8 nomeadamente o
Spinning, é impulsionado pelo desenvolvimento dos países e sobretudo em virtude dos seus
consumidores mais abastados que manifestam interesse crescente na aptidão e estilos de vida
saudáveis.
7 O Journal of Sexual Medicine é um jornal científico publicado pela John Wiley & Sons. O editor é Irwin Goldstein, http://www3.interscience.wiley.com/journal/118495964/home (consultado em 1 de Junho de 2010).
8 Deriva do inglês e compreende estar “em bom estado” ou “em forma”.
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8
Survey of International Health, Racquet e membros Sportsclub Association (IHRSA)9,
em 2008 afirmaram que mais de 55 por cento dos centros de ginástica diziam que o
equipamento cardiovascular estava na sua lista de compras para 2006.
Os fabricantes de equipamentos de Fitness reuniram-se em Maio de 2008 na IHRSA,
em San Diego, onde apresentaram um novo relatório afirmando que o mercado mundial de
equipamentos de manutenção física prevê ultrapassar quase 12 bilhões de dólares em 2010.
No mercado europeu de equipamento de Fitness prevê-se chegar a 3,4 bilhões de dólares até
2010, segundo o relatório (Clubindustry, 2008).
Como esta prática de ciclismo em bicicletas estáticas tem pouco tempo de existência,
percebe-se a importância social e económica de se aprofundar o estudo deste equipamento,
modalidade e toda a sua envolvente. Existe uma carência acentuada de informações,
trabalhos, reportagens e livros; daí o interesse de uma investigação pormenorizada
(Albuquerque, 2006).
2.2 A bicicleta estática e a inovação
São várias as designações utilizadas para referir a modalidade CI. Além de se poder
chamar de Spinning, também poderá ser designada por Scwinn10
ou RPM11
. Esta modalidade
vai adquirindo diferentes designações consoante a empresa que fabrica as bicicletas, a marca,
ou o programa de treino. Todas elas utilizam uma bicicleta estática, o pedalar e, muitas vezes,
ritmos musicais de acompanhamento ambiental.
9 Maior organização de Health Clubs (clubes de saúde) mundial.
10 Deriva de uma marca de bicicletas.
11 Deriva de rotação por minuto.
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9
Segundo Barbado Villalba (2007) e Albuquerque (2006), estruturalmente a bicicleta
convencional e de Spinning (Figura 2) é formada pelos seguintes constituintes:
Pontos de apoio entre a máquina e ciclista sobre os quais se reparte o seu peso:
Selim - deve ser utilizado um fundo em gel para aumentar o amortecimento,
ajustamento de distância na horizontal e vertical de modo a que o ajuste seja
possível para utilizadores com alturas de 1,4 até 2,1 m e com peso até 160 kg12
.
Guiador - geralmente é revestido por um polímero para protecção, versátil,
com muitos locais de colocação das mãos e ajustado verticalmente.
Pedais - elementos fundamentais (do ponto de vista biomecânico) de
transmissão de energia entre o ciclista e a bicicleta; tradicionalmente as
bicicletas podem vir equipadas com pedal de plataforma ou com pedal duplo;
de um lado uma plataforma normal e do outro uma plataforma especial que
permite o encaixe automático (SPD13
) de calçado apropriado para o ciclismo,
fornecendo maior firmeza e segurança aos pés.
Outros elementos importantes:
Roda de balanço - pesa entre 13 e 22 kg, podendo atingir máximos de cerca de
30 a 31 kg; proporciona um alto grau de inércia e consegue-se um ritmo mais
contínuo e redondo no pedalar.
Regulador de carga por travagem - deve-se evitar cabos de aço, mecanismo de
ajustamento de esforço e paragem de emergência, toma por base a resistência
originada no atrito entre a roda de balanço e um calço com uma camada de
tecido de algodão ou compósitos, por exemplo, nylon e fibras de carbono.
Actualmente, já existem bicicletas no mercado com calços magnéticos onde
não existe contacto da roda com o calço e é utilizada uma roda de alumínio que
sofre resistência em função da distância entre o calço e um hímen magnético.
Transmissão - poderá funcionar através da utilização de uma correia ou
corrente.
12 Para muitas bicicletas no mercado, o peso máximo recomendado por utilizador varia entre 100 e 120 kg.
13 Sistema patenteado pela Shimano.
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10
Figura 2 - Elementos principais de uma bicicleta estática para prática do Spinning
Existem duas categorias de bicicletas estáticas:
Pinhão livre14
(roda livre comum) - Ergonómicas verticais e horizontais - travagem
mecânica ou magnética e controlo de carga através de instrumentação de medição.
Pinhão fixo15
- CI - travagem mecânica e controlo de carga subjectivo.
Tem havido uma rápida evolução, tanto na bicicleta como no treino nos ginásios. As
empresas fabricantes continuamente tentam evoluir os seus modelos. São efectuadas
mudanças com o intuito de que a prática do ciclismo aconteça de uma forma segura,
confortável e de maneira mais eficiente (Albuquerque, 2006).
As inovações são caras para as empresas, pois necessitam de investigações cuidadosas
antes de desenvolver e lançar produtos no mercado. Simultaneamente, a rapidez exigida é
14 A roda de balanço gira independentemente dos pedais.
15 A roda de balanço gira em simultâneo com os pedais.
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11
cada vez maior, porque a novidade de hoje torna-se obsoleta ao fim de pouco tempo,
conforme referido por Lindon:
A novidade de um produto é determinada pela percepção que têm dele os indivíduos quando confrontados com essa
inovação… é qualquer coisa vista como sendo nova pelo
eventual utilizador, a adopção do novo produto traduz-se por uma modificação significativa no comportamento do
comprador (Lindon, 2000, p. 202).
Inovação em engenharia muitas vezes significa o uso inteligente de um novo material,
por exemplo, tentar fazer melhor com polímeros e materiais cerâmicos, o que anteriormente
era bem feito com metais (Ashby e Jones, 1996).
Actualmente, existem algumas variantes com carácter inovador do CI, será exemplo o
Power Mind (PM) e o Water Spinning (WS).
Portugal é pioneiro na prática do PM e foi Cris Carvalho, Master Trainer internacional
em Coaching16
e Programação Neurolinguísta, que criou um curso onde se junta o exercício
físico e as neurociências e pretende ser uma nova ferramenta na programação do cérebro de
modo a alcançar o sucesso. Esta inovação, teve por base a descoberta realizada por
pesquisadores do Howard Hughes Medical Institute (HHMI)17
; descobriram que a prática de
exercício físico impulsiona o crescimento de novas células cerebrais, permitindo um maior
controlo sobre os pensamentos e comportamentos, capacidade criativa e de aprendizagem e
memória, saúde física e equilíbrio mental, autoconfiança, motivação e iniciativa (Gonçalves,
2009).
As sessões de PM são ministradas em ginásios ou Health Clubs e decorrem em salas
equipadas com bicicletas CI, acompanhadas por um ou dois instrutores e músicas com temas
dentro das áreas das Neurociências, Programação Neurolinguística, Coaching, Liderança e
Inteligência Emocional (Gonçalves, 2009).
Outra novidade, o WS, surgiu em 2006 e é praticado numa bicicleta (Figura 3)
fabricada em materiais inoxidáveis, ajustável e devendo ficar colocada imersa em água. É a
16 Processo que visa fomentar o conhecimento individual e impulsionar o desejo de melhorar ao longo do
tempo.
17 Organização de pesquisa médica, sem fins lucrativos, desempenha um papel importante na investigação
biomédica e educação científica nos Estados Unidos, http://www.hhmi.org/news/ (consultado em 10 de Julho de 2010).
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12
última novidade na área das piscinas, permite diferentes níveis de resistência e pode ser
pedalada para a frente e para trás. Muito fáceis de instalar, as sessões são simples e acessíveis,
sendo orientadas por um instrutor em ambiente musical.
Figura 3 - Bicicleta estática para prática do Water Spinning
A hidromassagem dada pelo movimento da água até ao nível do peito fortalece as
pernas, nádegas, braços, abdómen e pulmões e revigora o coração.
Estas inovações têm como fundamento as aplicações inerentes, no entanto existem
algumas correntes inovadoras que têm como base a constituição e desempenho da bicicleta. A
mais recente refere-se à aplicação de mecanismos tendentes a introduzir movimentos
angulares relativos de forma a torná-las mais parecidas com as bicicletas comuns (Pinzon,
2010). Contudo o mercado ainda não mostrou grande interesse neste tipo de novidade e nos
prováveis benefícios.
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13
2.3 A selecção de materiais no projecto mecânico
A possibilidade de transformar um material maleável em outro com propriedades
mecânicas totalmente diferentes marcou o início da ciência e engenharia dos materiais. Ao
realizar um projecto, tem-se em vista obter uma boa funcionalidade do equipamento
mecânico, com custos reduzidos. Para isso é extremamente importante executar uma Selecção
de Materiais (SM) de acordo com a aplicação desejada, analisando se as propriedades
mecânicas atendem às necessidades do equipamento e comparando com o custo de aquisição
dos materiais. O processo de projecto é iterativo e incremental (Figura 4); para cada
componente deve-se ter em conta a sua função, material, forma (geometria e dimensões) e
interacções (Ashby, 1999).
Figura 4 - Problema central da SM no projecto mecânico (Ashby, 1999)
Desde o início da civilização, os materiais são usados com o objectivo de permitir e
melhorar a vida do ser humano. Segundo Ashby e Jones (1998) existem mais de 50.000
materiais disponíveis para o engenheiro usar em qualquer projecto mecânico. O projectista
tem de se munir de ferramentas capazes de ajudar a escolher um vasto cardápio de materiais
que melhor se adaptem a determinada finalidade e de maneira a evitar a catástrofe.
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14
Ao analisar o que ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial em que os soldados
sofreram pesados prejuízos em virtude de um navio mercante ter fracturado em pleno mar,
não por um ataque inimigo, mas pela limitada resistência à fractura do aço e, em particular, da
fragilidade nas soldaduras. Algum tempo após, três aeronaves se perderam e se veio a
perceber que durante o projecto, foi dada maior importância ao design dos caixilhos das
janelas do que ao próprio material utilizado no seu fabrico (Ashby e Jones, 1998). Por tudo
isto, é muito importante que na fase de concepção se tenha em atenção o processo de SM.
A inovação tecnológica aliada à SM teve um reconhecimento significativo a partir da
implantação de novos materiais. Durante muitos anos, as épocas foram designadas pelos
materiais usados, por exemplo, a idade da pedra, do bronze e do ferro. Contudo, hoje não
vivemos a época de um material em especial, mas sim uma época de grande variedade de
materiais. A lista de materiais disponíveis ao engenheiro expandiu-se tão rapidamente que
projectistas de há vinte anos atrás podem “ser perdoados” por não saberem da existência de
metade deles. Neste contexto, a humanidade tem assistido a um aumento exponencial de
inovações (Ashby, 1999).
Assiste-se a uma evolução dos materiais e à contínua substituição dos materiais
existentes por resultado do desenvolvimento de tecnologias associadas ao seu fabrico.
Segundo Ashby (1999), prevê-se para a taxa de desenvolvimento das novas ligas metálicas
uma lenta evolução, e mesmo em alguns países a procura do aço e ferro fundido é
manifestamente baixa. Por outro lado, os polímeros e os compósitos industriais tem sofrido
uma expansão mais rápida e o mesmo se pode dizer dos cerâmicos.
A Figura 5 apresenta esquematicamente a “importância relativa” ou “volume de
utilização” ao longo do tempo, para os quatro materiais comuns, ou seja, os metais, os
polímeros, os compósitos e os cerâmicos. No período da II Guerra Mundial, os metais são de
extrema utilidade, mas a necessidade de construções com elevado desempenho, tem
impulsionado os outros. Em particular, ao longo dos últimos cinquenta anos, os compósitos
têm suscitado o aparecimento de novos produtos.
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15
Figura 5 - Evolução da engenharia dos materiais com o tempo (Ashby, 1999)
Seleccionar um material de entre milhares disponíveis é um verdadeiro problema, mas
o especialista em materiais tem que ter capacidade e conhecimentos de modo a realizar uma
escolha sensata de forma a evitar os erros que levaram ao constrangimento ou tragédia no
passado. A dificuldade é ultrapassada, tendo por base vários critérios nos quais a decisão final
é normalmente baseada. Antes de mais nada, as condições de serviço devem ser
caracterizadas, uma vez que estas ditarão as propriedades requeridas do material. Somente em
raras ocasiões um material possuirá uma combinação máxima ou ideal de propriedades
compatíveis, relativamente ao desejado (Callister, 1991).
Em cada fase do processo (Figura 6), na análise e refinamento de projecto, está
associada uma fase importante de selecção de materiais, sendo necessária informação para
cada uma delas ao nível dos materiais, variando muito em dimensão e precisão (Ashby, 1999).
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Figura 6 - Fluxograma representativo da interacção Projecto/Materiais (Ashby, 1999)
2.4 A análise estática e dinâmica no projecto mecânico
Os fabricantes de equipamentos mecânicos são cada vez mais solicitados a pedidos
inflexíveis dos clientes e mercados, ao nível do preço e qualidade. Nesse sentido, os seus
projectistas têm que se munir de ferramentas capazes de avaliar os projectos no inicio do ciclo
e que determinem as causas das falhas prematuras, explorem as alterações de forma a reduzir
o custo e peso e que especifiquem o factor de segurança. Essas ferramentas de análise
auxiliam os engenheiros a testar materiais, simular o desempenho, identificar e resolver
problemas antes do fabrico de protótipos e da produção e permitem que os produtos sejam
lançados com rapidez no competitivo mercado (SolidWorks Corporation, 2006).
A facilidade e flexibilidade de uso do software SolidWorks aliado ao seu pacote de
simulação CosmosWorks baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), sobressai
relativamente a muitos outros. É um dos softwares amplamente utilizado na indústria
mecânica de transformação, e que se bem empregado e estudado, pode ser aplicado
amplamente nas diversas áreas da engenharia metalúrgica. Possui, na sua interface, todas as
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17
funcionalidades para obtenção do resultado final, desde o desenho de peças complexas até às
simulações.
O MEF é uma técnica de cálculo utilizada para obter soluções aproximadas de
problemas de limite na engenharia. Dependendo do tipo de problema físico que está sendo
analisado, as variáveis de campo podem incluir, citando-se apenas algumas, o deslocamento
físico, temperatura, fluxo de calor e velocidade do fluido (Hutton, 2004).
Para se evitar o re-projecto ou o colapso catastrófico, imediato ou ao longo do tempo,
de um determinado equipamento, utiliza-se a análise estática como ferramenta de simulação
baseada no estudo das deformações e tensões e comparando-as com os valores admissíveis.
Os projectistas podem optimizar as geometrias, minimizar o peso e determinar o factor de
segurança. A análise de cascas é particularmente útil em máquinas que incorporem chapas
metálicas (SolidWorks Corporation, 2006).
A análise dinâmica também é muito importante no desenvolvimento de mecanismos,
mesmo sendo de grande complexidade. Os projectistas podem analisar os movimentos na fase
de concepção e detectar interferências dinâmicas antes da produção de protótipos, permitindo
economizar tempo e dinheiro (SolidWorks Corporation, 2006).
2.5 As ferramentas do projecto detalhado
A comunidade técnico-científica tem desenvolvido um conjunto de ferramentas de
apoio à concepção e ao desenvolvimento de bens, de modo a auxiliar na identificação das
necessidades dos destinatários dos mesmos e na sua transposição para um determinado
produto ou serviço, capaz de satisfazer, ou, de preferência, de ultrapassar, as expectativas.
Esta actuação tem vindo a ser utilizada de uma forma casuística e não integrada. No contexto
actual, a implementação impõe-se de uma maneira sistemática e intensiva, não só pelos
benefícios inerentes, mas também porque constituem uma forma privilegiada de evolução
organizacional (Pires, 1999).
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18
Segundo Pahl et al. (2007), as actividades dos projectistas podem ser classificadas do
seguinte modo:
Conceptualização, ou seja, procura dos princípios da solução.
Incorporamento, princípio da solução através da determinação do arranjo e formas
preliminares e materiais de todos os componentes.
Detalhamento, ou seja, a finalização de projecto e os detalhes operacionais.
Informática, representação e recolha de informações. Estas ocorrem durante todas
as fases do processo de projecto.
Tidd, Bessant e Pavitt (2003) caracterizam o desenvolvimento de um novo produto ou
a sua alteração por um processo gradual de redução da incerteza que se inicia numa série de
fases de resolução dos problemas, passando pela fase de monitorização e selecção, e
terminando com a execução, existindo pelo caminho um elo de ligação relacionado com a
tecnologia e mercado (Figura 7).
Figura 7 - O funil de desenvolvimento de um produto (Tidd et al., 2003)
A actividade do detalhamento determina as disposições definitivas dos elementos: a
forma, as medidas, os acabamentos, os detalhes, as especificações dos materiais, etc.. Nela é
feita a última revisão dos custos da produção antes da passagem à realização física do
produto.
_______________________________________________________II CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
19
Tidd et al. (2003) classificam os projectos em diferentes tipos:
Projectos derivados - envolvem pequenas mudanças nos produtos ou sistemas
existentes.
Projectos de sucesso - aqueles que criam mercados ou produtos novos requerendo
grandes recursos e uma visão estratégica.
Projectos de plataforma - envolvem melhorias relevantes e incrementais, mas
ainda ligados a uma plataforma básica.
Projectos de I&D18
- especulativos e orientados para o futuro explorando onde a
empresa possa estar dentro cinco ou mais anos.
Projectos de alianças - entre empresas com o intuito de partilhar custos e riscos,
apresentando alguns problemas de cooperação e coordenação.
Projectos, como o derivado ou de plataforma, procuram tornar o produto mais
eficiente, mantendo as suas qualidades e características e eliminando os problemas.
Normalmente, em qualquer das situações o produto passa a ser considerado uma nova criação
pelo mercado. Exemplos com êxito, são os referentes a produtos actualizados anualmente em
pequenos detalhes, como é o caso dos produtores de automóveis, que para se manterem
competitivos, submetem os seus produtos a pequenas melhorias periódicas, até ocorrer a
mudança do produto na totalidade. Também se depara constantemente no mercado com
produtos que são similares entre si, divergindo apenas em pormenores de cor, forma, escala,
etc., e mesmo assim são considerados como produtos novos. Do ponto de vista do marketing,
um produto que para uma empresa é considerado como tendo uma melhoria, para o mercado
pode ser apresentado como novo (Dufour, 1996).
Existem diversas ferramentas de verificação e análise que são utilizadas no
detalhamento do projecto, servindo para eliminar os pontos fracos e melhorar o produto, ainda
que se recomende inclui-las desde o inicio na generalidade das actividades do projecto.
18 Investigação e desenvolvimento.
II CAPÍTULO_______________________________________________________
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20
Segundo Dufour (1996), os seguintes itens, correspondem a algumas das ferramentas
possíveis de utilizar no detalhamento de um projecto:
Produção e Montagem - DFMA19
- adequa o produto da melhor maneira às
características da produção e montagem, procurando melhorar a qualidade e
reduzir o tempo de produção e montagem.
Confiabilidade - FMEA20
- aumenta o conhecimento do produto e as possíveis
consequências das falhas decorrentes do processo de projecto, assegurando que os
resultados de qualquer falha irão causar o mínimo de estragos ao equipamento e
não darão prejuízo aos utilizadores.
Mantenabilidade - minimiza os requisitos da manutenção correctiva e preventiva
do produto, quando este passa a ser utilizado pelo consumidor, com o menor custo
possível.
Factores humanos - ergonomia - adequa o homem à máquina através da
observação dos modos de utilização (postura, posição, força, etc.), do estudo dos
aspectos estruturais de cada elemento com que o utilizador realiza a actividade e
analisa as medidas preventivas ao nível da segurança e saúde.
Estética - design - aumenta os padrões do projecto relativamente à concorrência ao
nível dos factores construtivos, funcionais e expressivos; considera as limitações
dos meios de produção disponíveis e não incrementa os custos.
Meio ambiente - DFE21
- atende às considerações ambientais como uma parte
integrante do processo de projecto do produto, com o objectivo de facilitar a sua
reciclagem, assim como adaptar novos materiais e processos.
19 Design for Manufacturing and Assembly (Projecto para a Produção e Montagem).
20 Failure Mode and Effect Analysis (Projecto e Avaliação da Confiabilidade).
21 Design For Enviroment (Projecto para o Meio Ambiente).
_______________________________________________________II CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
21
2.6 O projecto e a NP EN ISO 9001:2008
Segundo Pires (2004) tem-se assistido a alterações ao nível da inovação,
produtividade, qualidade e competitividade, resultante da drástica redução dos ciclos de
concepção e desenvolvimento dos produtos. As organizações obrigam-se a assumir técnicas e
métodos em função da complexidade dos problemas e do nível de competitividade dos
mercados. Neste contexto, Pires afirma: “ … a qualidade já não se discute, porque sem ela a
organização não sobrevive…”.
A adopção de um sistema de gestão da qualidade é uma decisão estratégica das
organizações e resulta num acréscimo de valor em termos do seu desempenho. A certificação
pela qualidade deve seguir um referencial segundo as normas da série ISO 9000 e quando
uma empresa cumpre os requisitos dessas normas, uma entidade certificadora e acreditada
pelo Sistema Português da Qualidade (SPQ) emite um certificado do mesmo, por um
determinado período de tempo (Costa, 2009).
Desde 1996 que os sistemas de gestão pela qualidade podem ser implementados de
acordo com normas ISO da série 9000.
Segundo Silva e Pereira (2000), no ano de 1998 as empresas do ramo do ciclismo
(EC), à semelhança de toda a evolução nacional, tiveram necessidade de entrar em mercados
mais competitivos e verificou-se um aumento substancial de empresas certificadas (Gráfico
1).
Gráfico 1 - Certificação no sector do ciclismo em 1998 (Silva e Pereira, 2000)
II CAPÍTULO_______________________________________________________
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22
O número de empresas tem vindo a crescer gradualmente e segundo o Instituto
Português de Acreditação (IPA) em 31 de Dezembro de 2008 o número de empresas
certificadas no âmbito do SPQ era de 5211 (IPQ, 2008).
Actualmente, já se encontra em vigor a terceira geração das normas da série ISO 9000,
a NP EN ISO 9001:2008. Esta norma, no seu requisito 7.3 respeitante à concepção e
desenvolvimento, exige que os produtos de uma empresa sejam controlados desde o início e
avaliados e validados para garantir que atenderão de forma eficaz e eficiente às necessidades
dos clientes. Exige-se um planeamento devidamente registado de forma controlada pelo que a
documentação e registos daí resultante deve estar em conformidade com procedimentos pré-
definidos, incluindo “quem, quando e como”.
Segundo a NP EN ISO 9001:2008 o processo de concepção e desenvolvimento, no
caso para uma bicicleta estática, Figura 8, pode ser representado por uma série de actividades.
Figura 8 - Processo de concepção de uma bicicleta estática (Pires, 2004)
_______________________________________________________II CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
23
As alterações na concepção e desenvolvimento devem:
Ser identificadas e os registos mantidos.
Ser revistas, verificadas e validadas conforme apropriado, e aprovadas antes da
implementação.
A revisão das alterações na concepção e no desenvolvimento deve incluir a avaliação
do efeito das alterações nas partes constituintes e no produto que já foi entregue. Os
resultados da verificação e de quaisquer acções necessárias devem ser mantidos.
O grande benefício da inovação em termos de crescimento e competitividade das
organizações, obrigou à criação de uma norma genérica, flexível, abrangente e integradora
(Figura 9), que dinamiza-se as políticas e desempenho. A certificação pela NP 4457 referente
aos sistemas de Gestão de Investigação, Desenvolvimento e Inovação (IDI), tornou-se
fundamental no desenvolvimento sustentado da inovação industrial.
Figura 9 - Sistema de Gestão da Qualidade (Andrade, 2009)
II CAPÍTULO_______________________________________________________
_________________________________________________________________________________
24
2.7 Produção convencional e as novas tecnologias
No ano de 1998, as pequenas e médias empresas (PME), como é o caso da maioria das
EC (Gráfico 2), já apresentavam alguns equipamentos com tecnologia topo de gama, capazes
de produzir grandes séries, de maior complexidade e valor acrescentado. Existia ainda uma
grande quantidade de equipamentos antigos, que, de alguma forma, tornavam mais difícil a
modernização, uma vez que são pouco versáteis e consequentemente a produção era de maior
complexidade (Silva e Pereira, 2000).
Gráfico 2 - Equipamento produtivo das EC em 1998 (Silva e Pereira, 2000)
O rápido desenvolvimento, nos últimos anos, da electrónica, da informática e dos
materiais está a modificar os cenários tradicionais utilizados pelas empresas, de forma a
poderem encarar a competitividade e as inerentes mudanças de mercado (Marques, 1991). Os
sistemas de produção assistidos por computador oferecem às empresas a possibilidade de
resolver os problemas de conflito entre os objectivos da produtividade e a flexibilidade. A
utilização de novos materiais, novos métodos de cálculo, da inteligência artificial e da visão
assistida por computador veio introduzir mudanças na forma de actuação das empresas e no
modo de desenhar e fabricar os produtos.
_______________________________________________________II CAPÍTULO
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25
Segundo Marques (1991) existem várias novas tecnologias aplicadas à produção,
nomeadamente:
CAD22
- sistema computorizado que ajuda na actividade de desenho e proporciona
funções de apoio na fase da pormenorização (CAE23
) que compreende a criação de
geometrias e a sua interacção com programas de análise ou projectos de
engenharia envolvendo operações aritméticas, tais como análise de tensões,
transferência de calor ou dinâmica de fluidos.
CAP24
- fornece meios para executar a preparação dos programas de trabalho,
programação NC25
(Controlo Numérico), e a compilação das listas de peças.
CAM26
- ligação entre o sistema de planeamento (planear a produção, estabelecer
requisitos de quantidade, datas de fim de produção e capacidade) e o controlo da
produção (distribuição das tarefas e fiscalização do progresso); também inclui a
programação CNC (Controlo Numérico por Computador), DNC (Controlo
Numérico Directo-Descentralizado), robôs, máquinas de medidas por coordenadas
(CMM27
) e outros equipamentos programáveis; o desenho e a produção com ajuda
de computadores, é comum chamar-se de CAD/CAM.
FMS28
- sistema de fabricação flexível compreendendo vários postos de trabalho
interligados por um sistema de transporte de peças automático, permitindo a
fabricação de várias peças ao mesmo tempo.
CIM29
- compreende a totalidade da produção integrada por computador.
22 Computer Aided Design
23 Computer Aided Engineering
24 Computer Aided Planning.
25 Numerical Control.
26 Computer Aided Manufacturing.
27 Computer Measure Machines.
28 Flexible Manufacturing System.
29 Computer Integrated Manufacturing.
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
27
3 Ferramentas de selecção de materiais e de cálculo num projecto mecânico
3.1 Introdução
Uma das tarefas mais importantes que se coloca a um engenheiro diz respeito à SM
referente ao projecto de um determinado produto. Uma imprópria ou inadequada decisão pode
ser desastrosa em duas perspectivas: económica e segurança.
As propriedades de um material específico, dependem da sua estrutura, e, em muitos
casos, a estrutura pode ser formada pela técnica de processamento que é empregada durante a
produção. Para um engenheiro, o projecto deve ser visto em vários contextos. Antes de tudo,
pode significar a concepção com base em novos materiais com combinações de propriedades
exclusivas. Alternativamente, o projecto pode envolver a selecção de um novo material com
uma melhor combinação de características para uma aplicação específica. A escolha do
material não pode ser feita sem levar em conta os processos de produção necessários (por
exemplo, moldagem, soldadura, etc.), que também contam com as propriedades do material.
Ou, finalmente, o projecto pode significar o desenvolvimento de um processo de produção
para que um material fique com melhores propriedades (Callister, 2007).
Os maiores avanços tecnológicos verificados na sociedade moderna têm a ver com a
descoberta e desenvolvimento dos materiais de engenharia e processos de fabricação usados
na sua obtenção. Na prática, pode-se garantir uma maior eficiência na selecção de um material
para um fim específico se existir a possibilidade de usar vários métodos e confrontá-los.
Existe um alto número de factores que afectam a SM, mas o projectista deverá determinar
quais são as propriedades mais importantes. A análise e refinamento devem ser realizados
com a ajuda de recomendações (métodos tradicionais), mapas de materiais (método gráfico)
ou informação escrita que se encontra em fontes bibliográficas ou em forma de software
(Álvaro González e Hernán Mesa, 2004). A SM é uma tarefa dinâmica e os princípios que a
controlam são constantemente alterados à medida que novos materiais são concebidos, bem
como os requisitos técnicos e económicos podem ser mudados.
III CAPÍTULO______________________________________________________
_________________________________________________________________________________
28
3.2 Materiais de engenharia
Tem-se assistido a um forte desenvolvimento de alguns materiais, como os
poliméricos, compósitos, cerâmicos, semicondutores30
e biomateriais31
, e mesmo nas ligas
metálicas, como as de titânio.
Estes têm permitido um avanço significativo em inúmeras áreas de extrema
importância, como, por exemplo, a mecânica, naval, aeroespacial, automobilística,
electrónica, medicina e odontologia.
Segundo Callister (1991) os materiais sólidos têm sido classificados em três tipos:
Metais.
Cerâmicos.
Polímeros.
Esta classificação tem essencialmente por base a constituição química e a estrutura
atómica, e muitos materiais fazem parte de um dos tipos, embora existam alguns intermédios.
Em complemento, existem mais dois importantes grupos de materiais de engenharia (ME):
Compósitos.
Semicondutores.
Por outro lado, Ashby (1999) classificou os ME em seis grandes classes (Figura 10),
em que os constituintes de cada uma apresentam idênticas propriedades, formas de
processamento e aplicações similares.
30 São sólidos cristalinos com condutibilidade eléctrica intermédia entre os condutores e isolantes. Podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar a corrente eléctrica.
31 São definidos como materiais utilizados com capacidade de substituição, na totalidade ou em parte, dos sistemas biológicos. Podem ser metálicos, cerâmicos, poliméricos (sintéticos ou naturais), compósitos.
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
29
Figura 10 - Classes dos materiais de engenharia (Ashby, 1999)
Segundo Padilha (2000) os materiais metálicos são normalmente combinações de
elementos metálicos apresentando grande quantidade de electrões livres o que favorece uma
excelente condutibilidade eléctrica e calorífica, mas por outro lado não são transparentes à
luz. Muitos são utilizados em estruturas pelo facto de serem resistentes e deformáveis. Os
metais, tais como o cobre, ouro e ferro são conhecidos e usados há muitos milénios. Henry
Bessemer em 1856 desencadeou a produção de aço em grande escala e inaugurou uma nova
fase na história da humanidade, a idade do aço.
Lesko (2004) dividiu os materiais metálicos da seguinte forma:
Ferroso - a rede cristalina forma-se quando metais ferrosos solidificam a partir do
estado líquido. Os átomos arranjam-se em configurações do tipo cúbica de faces
centradas (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) ou tetragonal de corpo centrado.
O ferro é o principal constituinte, sendo o aço ligado um dos metais mais utilizado
em virtude da sua ampla faixa de propriedades mecânicas e físicas, contudo, são
susceptíveis à corrosão. O tratamento térmico do aço é um dos métodos usuais de
melhoria das propriedades mecânicas. As propriedades dependem do valor do teor
de carbono (aço macio - carbono inferior a 2%, ferro fundido - carbono superior a
2% e aço de construção - carbono entre 0,2% e 0,5%), mas também da presença
eventual de outros elementos de liga, tais como o silício, o cobre, o manganésio, o
níquel e o vanádio.
III CAPÍTULO______________________________________________________
_________________________________________________________________________________
30
Não ferroso (ligas de alumínio, cobre, estanho, zinco, chumbo, níquel, etc.) - o
ferro não é o principal constituinte, apresentam alta variedade de propriedades
mecânicas e físicas, possuem uma ampla variedade de pontos de fusão e diferem
muito no custo e desempenho.
Os materiais cerâmicos são uma combinação de elementos metálicos e não metálicos,
destacando-se os óxidos, nitretos e carbonetos. Do ponto de vista das ligações químicas, eles
podem variar desde predominantemente iónicos até predominantemente covalentes. São
isolantes térmicos e eléctricos, mais resistentes a altas temperaturas e a ambientes corrosivos
que os metais e os polímeros. Novas técnicas de processamento permitem que sejam
utilizados em aplicações de maior resistência, como em turbinas. São duros e frágeis.
Os materiais cerâmicos apresentam a seguinte classificação:
Cerâmicos tradicionais (obtidos a partir de matérias-primas naturais: argila, sílica e
feldspato) - cerâmicos estruturais (tijolos, telhas, etc.), louças e azulejos e
refractários (revestimentos de fornos, etc.). Apresentam-se duros e
simultaneamente muito frágeis.
Cerâmicos técnicos, avançados ou de engenharia (baseados em compostos puros) -
como seja a alumina (Al2O3), o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de silício
(Si3N4). Têm uma composição e tamanho definido, forma e distribuição das
partículas devidamente controladas. São muito leves, de boa resistência mecânica,
excelente resistência à corrosão e quando combinados com um reforço, por
exemplo de fibras, são-lhes melhoradas a ductilidade e tenacidade.
Os vidros são silicatos não cristalinos com misturas de óxidos (Al2O3, Na2O, etc.) e
também são classificados como materiais cerâmicos. São sólidos amorfos, duros e frágeis, de
excelente resistência ao tempo e à maioria dos produtos químicos. De entre muitas utilizações
quotidianas, há a salientar os desenvolvimentos na indústria do vidro, relacionados com a
utilização de materiais reforçados com fibras de vidro e com as fibras ópticas usadas na
transmissão de informações.
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
31
Os materiais poliméricos32
são constituídos de macromoléculas orgânicas, sintéticas
ou naturais. São resultantes de reações químicas de polimerização e baseados em carbono,
hidrogénio, e outros elementos não metálicos. Estes materiais têm baixas densidades e podem
ser extremamente flexíveis, leves, isolantes eléctricos e térmicos, boa resistência à corrosão e
baixa resistência ao calor. O petróleo e o gás natural são as duas principais matérias-primas
usadas na produção dos polímeros.
Segundo Padilha (2000) o nível de desenvolvimento industrial de um país ou
continente pode ser avaliado pelo consumo de polímeros (Gráfico 3).
Gráfico 3 - Consumo de polímeros em diversos países e regiões por habitante (Padilha, 2000)
Os polímeros podem ser classificados em três grupos:
Termoplásticos - normalmente são constituídos por cadeias lineares. Quando
reaquecidos podem ser várias vezes conformados mecanicamente. É possível a
reciclagem. Variam de parcialmente cristalinos a totalmente amorfos. Exemplos:
polipropileno, polietileno, policloreto de vinilo (PVC) e poliestireno.
32 O termo polímero vem do grego e significa muitas partes.
III CAPÍTULO______________________________________________________
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32
Termoendureciveis - contêm ligações cruzadas entre as moléculas poliméricas
vizinhas, com dificuldade no movimento das cadeias e completamente amorfos.
São conformáveis plasticamente somente num estágio intermédio da sua produção,
geralmente por um processo de cura. Apresentam-se duros e uma fusão posterior
não é possível e portanto não são recicláveis. Exemplos: fenólicos, resinas
epoxídicas e poliésteres.
Elastómetros ou comummente designados por borrachas - após uma grande
deformação têm a capacidade de recuperar o comprimento inicial. O intervalo de
temperatura correspondente ao comportamento de elastómero varia entre um valor
de referência acima da transição vítrea33
e uma outra temperatura de referência
acima da qual há degradação significativa. São parcialmente cristalinos. Exemplos:
borracha natural, neopreno, borracha de nitrilo e borracha de flúor.
Os materiais compósitos são materiais projectados de modo a conjugar características
desejáveis de dois ou mais materiais classificados em dois tipos: matriz e reforço. A matriz
pode ser polimérica, metálica ou cerâmica. A matriz confere estrutura ao material compósito,
preenchendo os espaços vazios que ficam entre os materiais reforços e mantendo-os nas suas
posições relativas. Os reforços são os que realçam as propriedades mecânicas,
electromagnéticas ou químicas do material como um todo (Padilha, 2000).
Um exemplo típico é o compósito de fibra de vidro em matriz polimérica. A madeira
também é um material compósito natural, com matriz e reforço poliméricos. O betão é outro
compósito comum. Neste caso, tanto a matriz como o reforço são materiais cerâmicos.
Na década de 1970 iniciou-se um grande desenvolvimento e utilização dos materiais
compósitos. Charles Eames foi um dos primeiros projectistas a reconhecer as vantagens do
uso real (Figura 11) dos compósitos, por relação peso/resistência muito baixa, tolerância
balística, dureza, resistência electromagnética, baixa rastreabilidade por radar, etc..
Actualmente, existe um entusiasmo na procura de novas combinações de materiais que farão,
aquilo que se pensava que fosse, o impossível (Lesko, 2004).
33 Transição dúctil-frágil.
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
33
Figura 11 - Protótipo do NH-90 à base de compósitos
3.3 Critérios de selecção de materiais
Por factores económicos, o preço é um dos principais, ou, por múltiplas vezes, mesmo
o principal parâmetro de decisão na selecção do material a aplicar num determinado produto.
Existem, no entanto, muitas outras aplicações onde certas propriedades dos materiais, em
detrimento do preço, preponderam nos critérios de selecção, sendo exemplo a construção de
naves espaciais em que o custo dos materiais empregues pode ficar em segundo plano. Outro
factor determinante e que contribui para a complexidade dos procedimentos de selecção é a
interferência do processo de fabrico nas propriedades finais, nos custos de exploração e
mesmo no eventual investimento inicial. Na prática, o processo de selecção de materiais nem
sempre é uma actividade simples e linear, chegando-se, frequentemente, a situações de
diversos critérios conflituantes, carecendo de procedimentos de interacção e de optimização.
Segundo Ferrante (2002) existem vários critérios a atender no processo de SM,
nomeadamente:
Consideração dimensional - o tamanho de uma determinada peça é um parâmetro
que aparentemente tem pouca relação com a SM. Contudo e em exemplo, se o
material for aço sujeito a têmpera, há que ter presente o facto de a dureza variar em
função da profundidade e composição química.
III CAPÍTULO______________________________________________________
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34
Consideração da forma - o custo de uma peça acabada inclui a despesa incorrida
durante a produção da forma desejada. Formas complexas são mais facilmente
conseguidas através da utilização de materiais dúcteis e flexíveis como é o caso da
maior parte dos polímeros.
Consideração do peso - é um requisito universal para qualquer produto que seja
móvel. A indústria automóvel é especialmente sensível a este aspecto, já que está
fortemente relacionado com o consumo de combustível.
Consideração da resistência mecânica - trata-se da propriedade mais conhecida e
com maior número de oportunidades de escolha em virtude da grande quantidade
de materiais disponíveis, contudo, essa selecção não é simples, já que pode entrar
em conflito com outras propriedades, sendo o caso do conflito entre a resistência
mecânica (tensão aceite pelo material), tenacidade e corrosão sob tensão34
. Muitas
vezes é necessário sacrificar a primeira em favor das outras, como, por exemplo,
atmosferas ricas em NH3 (amoníaco) induzem susceptibilidade à corrosão sob
tensão e onde abdicar da resistência mecânica a favor da resistência à corrosão sob
tensão pode ser vantajoso.
Resistência ao desgaste - esta propriedade pode ser muito importante, dependendo
da aplicação e do material utilizado, onde, por exemplo, a cementação (aumento
do teor de carbono) de uma camada superficial de uma peça em aço (por exemplo,
uma engrenagem) para torná-la mais dura e resistente ao desgaste.
Conhecimento das variáveis de operação - há casos em que é necessário proceder
à substituição de materiais para permitir resistir a outros ambientes, por exemplo,
um aumento de pressão ou de temperatura num equipamento da indústria química.
Facilidade de produção - é evidente a relação entre a selecção de materiais e os
processos de produção e seus reflexos sobre as propriedades e custos. Por
exemplo, sendo a fundição e forjamento tecnicamente possíveis, deve-se ter noção
34 Exige a presença simultânea de tensões de tracção e factores ambientais específicos (carga + ambiente corrosivo crescimento de fissuras fractura). É estudada através de curvas experimentais, em que se representa a tensão aplicada em função do tempo de ruptura e determina-se a tensão limiar de corrosão sob tensão (σCST), abaixo da qual não se observa a ruptura. Esta tensão dividida por um coeficiente de segurança adequado poderá ser um parâmetro (tensão admissível) aproximado no dimensionamento. Por outro lado, a Mecânica da Fractura Linear Elástica (MFLE) é um pouco mais precisa ao correlacionar a velocidade da fenda da/dt e o factor de intensidade de tensões (K), em que existe um valor mínimo designado por limiar de propagação à corrosão sob tensão KICST (MPa√m), muito útil em termos práticos, abaixo o qual a velocidade de propagação é inferior a 10-7 mm/s.
______________________________________________________III CAPÍTULO
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35
que, no geral, as peças obtidas por fundição têm propriedades mecânicas
inferiores.
Requisito da durabilidade - uma peça é considerada durável se durante a sua vida
conserva os requisitos de projecto em termos de segurança, de funcionalidade e
estética, sem custos de manutenção não previstos. Para responder a esta definição,
a SM é extremamente importante.
Número de unidades - dependendo da quantidade a fabricar, poder-se-á justificar a
escolha de um determinado material em virtude da vantagem económica inerente
ao processo de fabrico.
Disponibilidade do material - muitas vezes tem que se optar por um determinado
material prescindindo de algumas propriedades somente pelo facto da sua maior
disponibilidade e baixo custo inerente.
Custo - as estratégias podem incluir a troca de material. Num exemplo, um
conjunto de pedais em nylon reforçado com fibras de vidro, utilizados num
automóvel Fiat, que pesam 2,7 kg, cerca de metade do conjunto original em aço, e
custam cerca de 20% menos.
Existência de especificações e códigos - na produção de uma peça podem existir
códigos e especificações (cadernos de encargos) que podem cobrir as mais
diferentes etapas de fabricação, mesmo na definição do material a usar, por
exemplo, na soldadura poderá estar especificado o material de metal de base e
consumíveis.
Viabilidade de reciclagem - num projecto cada vez mais se tem em conta a
viabilidade de reciclagem dos produtos concebidos, e, nesse sentido, a SM é
importante.
Valor da sucata - a sucata gerada pode ser um motivo de escolha para um material
em detrimento de outros.
Grau de normalização - a utilização de materiais pode estar condicionada por
normas ou leis.
Tipo de carregamento - existe uma forte dependência da SM com o tipo de
carregamento que uma determinada peça está sujeita. Em exemplo, não se deverá
escolher um material cerâmico quando sujeito a uma carga de tracção.
III CAPÍTULO______________________________________________________
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36
Os critérios de selecção estão intimamente relacionados com as propriedades e
comportamento dos materiais. Os projectistas deverão adquirir capacidade de compreendê-los
e saber os motivos de alguns se adaptarem melhor a certas aplicações e como obter a melhor
performance. As propriedades podem-se organizar da seguinte forma:
Propriedades mecânicas, é usual associarem-se valores numéricos que permitam a
medida; sendo alcançados através da realização de ensaios de resistência dos
materiais. Permitem diferenciar os materiais, ao nível do comportamento mecânico
e no modo como se comportam quando sujeitos a transformações mecânicas.
Podem ser modificadas através de processos ou de tratamentos, como os térmicos
e, relacionam-se com a deformação sob acção de uma carga ou força aplicada, tais
como:
Ductilidade - revela a capacidade dos materiais se deformarem plasticamente
sem romper. Poderá ser facilmente avaliada através de um ensaio à tracção e
em geral, é uma característica não definida numericamente.
Dureza - capacidade que os materiais têm em resistir à penetração ou a serem
riscados e é determinada através de ensaios de dureza (normalmente: dureza
Brinell (kg/mm2), dureza Vickers (kg/mm
2) e dureza Rockwell).
Tensão de cedência - indica a tensão máxima acima da qual se inicia a
deformação plástica quando o material é sujeito a um esforço lento e
progressivo de tracção. Poderá ser avaliada através de um ensaio à tracção em
MPa (N/mm2).
Tensão de rotura - refere-se a um valor acima do qual se inicia um período
instável que conduz à factura do material. Poderá ser avaliada através de um
ensaio à tracção em MPa (N/mm2).
Tenacidade - capacidade que os materiais têm de resistir a esforços (tracção,
compressão, corte, torção, etc.) de aplicação lenta e progressiva sem se
desagregarem. A tenacidade está relacionada tanto com a resistência quanto
com a ductilidade do material. Uma maneira de se avaliar a tenacidade de um
material é através da área total sob a curva tensão versus deformação obtida em
um ensaio de tracção.
Tenacidade à fractura - pode ser definida de uma maneira mais precisa como
sendo a habilidade do material em resistir à propagação instável de uma
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37
fissura, quando submetido a um carregamento estático. Um parâmetro muito
utilizado para quantificar a tenacidade à fractura é o factor de intensidade de
tensão crítico ou tenacidade à fractura (KIC em MPa√m).
Elasticidade - capacidade dos materiais se deformarem, pela acção de esforços,
voltando à forma inicial logo que cesse tal acção. É quantificada através do
módulo de elasticidade.
Módulo de elasticidade ou de Young - corresponde à relação entre a tensão e
deformação em regime elástico, quando envolvido um esforço de tracção (em
projecto, traduz uma medida de rigidez, isto é, quanto maior for, menor será a
deformação elástica). Poderá ser avaliado através de um ensaio à tracção em
MPa (N/mm2).
Plasticidade - capacidade dos materiais se deformarem, pela acção de esforços,
mantendo a deformação após cessar tal acção. Não existe nenhum método para
quantificá-la.
Maleabilidade - refere-se à propriedade dos materiais sofrerem grandes
deformações plásticas pela acção de esforços violentos, sem se deteriorarem.
Não existe nenhum método para quantificá-la.
Resistência ao choque - capacidade do material resistir à aplicação de forças
instantâneas sem romper (elevada resistência ao choque corresponde elevada
resiliência35
). O tipo mais comum de ensaio aplicado, é o designado por
Charpy.
Resistência à fadiga ou tempo de vida sob fadiga - capacidade dos materiais
em resistir à aplicação de esforços variáveis em sentido e intensidade, sem se
degradarem. Podem-se realizar ensaios de fadiga em provetes ou componentes
estruturais de modo a avaliar a resistência à fadiga.
Tensão limite de fadiga - é vulgar apresentar os resultados dos ensaios à fadiga
através de curvas S-N, apresentado a gama de tensões no eixo vertical e o
número de ciclos de ruptura no eixo horizontal. Essas curvas, normalmente,
tornam-se horizontais a partir da tensão limite de fadiga (σfo em MPa) e, para
valores inferiores o material terá vida infinita.
35 É a capacidade que o material possui de absorver energia elástica sob tracção e devolve-la quando relaxado.
III CAPÍTULO______________________________________________________
_________________________________________________________________________________
38
Coeficiente de Poisson - num ensaio de tracção, corresponde à razão entre a
deformação transversal e a deformação longitudinal; estando relacionado com
os módulos elásticos, de Young, de compressibilidade e de corte.
Coeficiente de atrito - é característico de cada par de materiais, e não uma
propriedade específica de cada material e expressa a oposição que apresentam
as superfícies de dois corpos em contacto ao deslizar um em relação ao outro.
Depende de vários factores, nomeadamente, o acabamento das superfícies em
contacto, a velocidade relativa entre as superfícies e temperatura. São
conhecidos os coeficiente de atrito estático (medido quando ambas as
superfícies estão em repouso) e o coeficiente de atrito dinâmico (medido
quando uma ou ambas as superfícies estão em movimento).
Coeficiente de desgaste - normalmente em mm3N
-1m
-1; é calculado através da
realização de alguns ensaios com distintos valores de força normal, podendo
ser retirado através do declive da linearização da representação gráfica do
volume de desgaste em função do produto da distância de deslizamento pela
carga normal.
Propriedades térmicas, deve-se entender como a resposta ou reacção do material à
aplicação de calor. Quando um sólido absorve calor aumenta a sua temperatura e a
sua energia interna (somatório da energia de vibração dos átomos em redor das
suas posições de equilíbrio com a energia cinética correspondente aos electrões
livres). É de interesse abordar:
Condutibilidade térmica - capacidade dos materiais em conduzirem o calor.
Elementos de liga e impurezas, principalmente em solução sólida, diminuem a
condutibilidade térmica, pois constituem pontos de espalhamento, que pioram
a eficiência do transporte. Exprime-se no Sistema Internacional (SI) em watt
por metro e por kelvin [W/(mK)].
Coeficiente de expansão térmica - expansão produzida no material em virtude
da absorção de energia térmica. Em geral, é inversamente proporcional ao
ponto de fusão do material. Expressa-se em 1/ºF ou 1/ºC.
Calor específico ou capacidade calorífica - representa a quantidade de calor
necessária fornecer ou retirar a um grama de uma substância para que haja uma
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
39
variação de temperatura de um grau centígrado (J °C-1
). O calor específico
pode ser medido usando um calorímetro.
Temperatura de fusão - temperatura à qual ocorre no material a passagem do
estado sólido para o estado liquido, i.e., energia envolvida na separação dos
átomos do material.
Temperatura de transição vítrea - é uma característica importante de um sólido
amorfo ou de uma fase amorfa dentro de um material parcialmente cristalino,
mas não é uma constante e varia numa faixa. Em termos estruturais, pode-se
afirmar que acima da temperatura de transição vítrea ocorrem rearranjos das
moléculas enquanto abaixo dela deixa de ser possível e a contracção
remanescente é causada pela redução das vibrações térmicas com a diminuição
da temperatura.
Propriedades químicas, dependem da composição química dos materiais e dão
indicações sobre o comportamento destes elementos quando sujeitos à acção de
agentes químicos, tais como:
Resistência à corrosão - capacidade que um material tem de resistir à
deterioração da sua superfície sob acção de agentes externos, como exemplo, o
oxigénio, produtos químicos e humidade. A intensidade do processo corrosivo
é expressa a partir do cálculo da taxa de corrosão; desgaste (redução de
espessura em mm/ano ou milésimos de polegada por ano (mpy); perda de
massa em mg/dm2/dia (mdd).) verificado por unidade de superfície e referido a
um intervalo de tempo específico.
Resistência à oxidação - A corrosão metálica é um processo electroquímico e
os metais apresenta diferentes propensões à corrosão. Durante o processo de
ionização de um metal é criado um potencial eléctrico, denominado potencial
de eléctrodo (em volts), medido em relação ao hidrogénio e a propensão à
corrosão pode ser avaliada por esse potencial. Além de depender do metal,
também depende da natureza e da concentração da solução em que o metal está
imerso e da temperatura.
III CAPÍTULO______________________________________________________
_________________________________________________________________________________
40
Propriedades eléctricas, estão relacionadas com a estrutura e a microestrutura dos
materiais, sendo extremamente sensíveis à pureza química dos elementos,
nomeadamente:
Resistividade eléctrica - corresponde à resistência de um material em deixar
passar a corrente eléctrica e depende da resistência eléctrica. A unidade oficial
é o Ωm, mas é frequentemente expressada em Ωcm.
Condutibilidade eléctrica - corresponde à facilidade com que a corrente
eléctrica passa pelos materiais e é o inverso da resistividade. Em função dos
valores de condutividade ou de resistividade, os materiais podem ser
classificados como: condutores, semicondutores e isolantes. A unidade da
condutividade eléctrica é o (Ωm)-1
ou (Ωcm)-1
.
Constante dieléctrica - é a relação entre a quantidade de electricidade
armazenada em presença de um isolante e a quantidade armazenada na
presença de vácuo.
Outras propriedades ou parâmetros, são de ter em conta e de modo algum poderão
ser desprezáveis, tais como:
Cor - comprimento de onda reflectido intrínseco.
Densidade - peso por unidade de volume (g/cm³).
Opacidade/transparência - capacidade de transmitir luz.
Custo ou preço
Disponibilidade
Processabilidade
Os critérios de selecção estão em constante evolução e adaptação à optimização e
excelência, no processo de SM e em conformidade com uma sociedade cada vez mais
exigente. Salienta-se que, actualmente, tendo sido apanágio das organizações a maior e
melhor avaliação das possíveis agressões ambientais e humanas resultantes da produção ou
utilização dos materiais, no processo de SM.
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
41
3.4 Recursos de selecção de materiais
A SM é de extrema importância na acção de um engenheiro e envolve uma basta gama
de conhecimentos técnicos cuja dimensão dificilmente poderá ser abrangida por uma única
categoria profissional. Desde projectistas até à mais frequente colaboração de profissionais
em marketing, reúnem-se condições suficientes à criação de um projecto preliminar e/ou
definitivo.
Ao desenvolver um produto, o estabelecimento de requisitos a, prioritariamente, serem
atendidos, muitas vezes norteia uma primeira descrição funcional desse projecto. Além destes
requisitos operacionais e para que o produto possa cumprir as suas funções, é necessário
definir muito bem as condições de trabalho e obter elementos de análise de esforços e de um
capaz dimensionamento preliminar. Juntando as condições ambientais, obtém-se uma lista de
requisitos ou propriedades cuja análise e optimização constitui a base do processo de SM e
que para bem orientada, também deverá incluir uma adequação aos processos de produção.
Normalmente, a actividade de selecção é compreendida como o sacrifício de uma ou
mais propriedades em benefício da optimização global. Nesta linha de raciocínio, pode-se
afirmar que a SM e processo de produção formam um só problema complexo a ser resolvido
em conjunto e interactivamente (Ferrante, 2002).
O projectista têm ao seu dispor alguns recursos de SM que o ajudam a ultrapassar as
dificuldades inerentes a esta actividade, fazendo uma refinação mais ou menos ampla, isto é,
consegue-se determinar quais são as propriedades mais relevantes em conformidade com a
aplicação em causa e com base nelas, realiza-se a selecção (Álvaro González e Hernán Mesa,
2004).
Ashby (1992) desenvolveu um dos recursos mais utilizado de SM nos projectos
mecânicos, designado por método gráfico ou mapas de propriedades, onde organizou os
materiais através de grupos de propriedades, mapas com as seguintes características:
Mostram claramente quais os materiais que satisfazem da melhor maneira os
vários grupos de propriedades.
São um meio efectivo de visualização das características de uma grande variedade
de materiais e classes de materiais.
III CAPÍTULO______________________________________________________
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42
3.4.1 Índice de eficiência
Ashby (1992) definiu um conceito importante designado de Índice de Eficiência (IE) e
concebeu um procedimento (Figura 12) para a sua dedução. O IE é representado por uma
fórmula algébrica que expressa um compromisso, pelo menos entre duas características ou
propriedades. A sua forma mais simples é uma fracção, em que o numerador corresponde à
propriedade que se deseja maximizar e o denominador a que se pretende minimizar.
Figura 12 - Procedimento de dedução do índice de eficiência, segundo Ashby
______________________________________________________III CAPÍTULO
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43
Segundo Ferrante (2002) a função é normalmente concebida através de uma simples
inspecção do objecto ou em função do prévio conhecimento da sua finalidade. Por exemplo,
uma pá de um ventilador para produção de um fluxo de ar ou uma viga para resistir a forças
de torção. O objectivo expressa o requisito correspondente à etapa de selecção e pode ser
expresso por uma equação. Na continuidade do exemplo, para o ventilador pretender-se a
maximização de ar ou para a viga pretender-se uma minimização de massa. A restrição
relaciona-se com o desempenho e com a propriedade que o controla, no contexto do objectivo
desejado. Expressa-se por uma equação, formatada pela função do produto em estudo.
Ashby (1999) apresentou vários estudos de casos onde a função objectivo (P, onde
P=f1[F]*f2[G]*f3[M], com F, G e M definidos na Figura 12) poderá ser separável ou não.
Nos casos de funções separáveis, a SM não depende da geometria ou dos valores dos
requisitos funcionais, i.e., a melhor escolha de material torna-se independente dos detalhes do
projecto, ao nível de todas as geometrias, G, e de todos os valores funcionais exigidos, F. Esta
simplificação acaba por permitir um enorme desempenho de todos F e G, já que são
maximizados através da maximização de f3[M], designado por IE. O restante, f1[F] f2[M],
designa-se por coeficiente de eficiência estrutural ou índice estrutural.
3.4.2 Índice de eficiência - dedução de um caso
Considerando um projecto de um veio cilíndrico (Figura 13), onde se estabelece como
critério de SM o veio ser leve e resistente à torção. Sendo assumido um momento de torção
(Mt) e um comprimento (L) fixo, o raio (R) pode variar, podendo ser desenvolvida uma
expressão para a massa do material pretendido em termos do momento de torção,
comprimento do veio, densidade e resistência.
Refira-se que este exemplo teórico-prático, apesar de enquadrado num capítulo de
pesquisa bibliográfica da presente dissertação para demonstração do procedimento proposto
por Ashby na dedução do IE para um corpo solicitado e a utilizar para projectar certos
componentes da bicicleta estática do presente projecto, foi assim propositadamente escolhido
no sentido de que fará parte de matéria preliminar e de base para propostas de trabalho e
desenvolvimento futuro no âmbito do presente projecto da bicicleta estática, por substituição
da corrente de transmissão de força ao volante por um veio.
III CAPÍTULO______________________________________________________
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44
Figura 13 - Veio cilíndrico sólido sujeito a um momento de torção
Aplicando o procedimento proposto por Ashby na dedução do IE, obtém-se:
a) Identificação da característica a minimizar
Pretende-se projectar o veio com o objectivo de minimizar a sua massa.
b) Desenvolvimento da função objectivo
Tendo em consideração a massa (m) do material que é resultante do produto da sua
densidade (ρ) pelo volume e, por sua vez, o volume de um cilindro é πR2 L, tem-
se:
(3.1)
c) Identificação das variáveis livres
O raio (R) pode variar, conforme os requisitos de projecto.
Lρ2πRm
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45
d) Identificação das restrições
Momento de torção (Mt) e o comprimento (L), também conforme os requisitos.
e) Desenvolvimento de uma equação para as restrições
A aplicação de um momento de torção (Mt) ou binário produz um ângulo de torção
(θ) e no raio (R) surge uma tensão de torção (τ) definida pela Equação 3.2:
(3.2)
Onde, Ip corresponde ao momento polar de inércia, que para um sólido cilíndrico é:
(3.3)
Substituindo a expressão de Ip na Equação 3.2, obtém-se:
(3.4)
É necessário projectar um veio capaz de resistir a uma determinada torção sem
fracturar e, nesta ordem de ideias, é preciso estabelecer um critério de SM para um
material leve e resistente; pode-se substituir a tensão de torção na Equação 3.4 pela
resistência à torção do material (τf), dividida por um factor de segurança (N),
obtendo-se:
(3.5)
pI
RMt
2
4RI
p
3
t2
R
M
3
t2
R
M
N
f
III CAPÍTULO______________________________________________________
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46
f) Substituição da variável livre pelas restrições na função
Colocando a Equação 3.1 em ordem a R, resulta:
(3.6)
Substituindo esta expressão de R na Equação 3.5, obtém-se:
(3.7)
g) Agrupamento das variáveis em três grupos, F, G e M
Resolvendo a expressão (3.7) em ordem à massa (m), fica:
(3.8)
Onde os conjuntos entre parêntesis, do lado direito, correspondem a:
N e Mt referem-se aos requisitos funcionais.
L refere-se à geometria.
ρ e τf referem-se às propriedades do material.
h) Registo do índice de eficiência a maximizar
Pela Equação 3.8, conclui-se que os melhores materiais que podem ser usados para
um veio leve que poderão resistir a uma torção resultante de um determinado
momento são aqueles que têm o conjunto ρ/τf2/3
de baixo valor. O IE, a maximizar,
corresponde ao inverso dessa razão, portanto resultando:
(3.9)
L
mR
m
LM
Nt
f
33
2
))(()2(3/2
3/13/2
f
tLNMm
3/2
fI
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
47
3.4.3 A aplicabilidade dos mapas de Ashby
Segundo Callister (2007), torna-se necessário analisar os IE de uma variedade de
potenciais materiais a serem usados no projecto de um determinado produto. Este processo é
acelerado através da utilização de mapas de SM desenvolvidos por Ashby, constituídos por
um sistema de coordenadas ortogonais, sendo cada eixo representativo de uma determinada
propriedade dos materiais, conforme exemplo da Figura 14.
Figura 14 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação do módulo de elasticidade com a
densidade (CES EduPack, 2008)
Os eixos estão em escala logaritmica e geralmente abrangem cinco ordens de
grandeza, de modo a incluir as propriedades de todos os materiais. Os mapas de Ashby devem
ser utilizados apenas na fase de concepção da SM.
Na continuidade do exemplo apresentado no item 3.4.2, Ashby aplicou logaritmo a
ambos os lados da Equação 3.9 e obteve a Equação 3.10.
(3.10)
I
flog
2
3log
2
3log
III CAPÍTULO______________________________________________________
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48
Esta expressão traduz-se num conjunto de linhas inclinadas e paralelas, designadas por
directrizes de projecto e a cada linha corresponde um IE diferente.
Para o mesmo caso do projecto do veio cilíndrico, o mapa a escolher será o que
relaciona a resistência com a densidade do material, conforme a Figura 15. Para valores de IE
foram incluídos os valores de 10, 30 e 100 (MPa)2/3
m3/Mg. Todos os materiais que se
encontram numa dessas linhas irão apresentar igual e bom desempenho em termos de
resistência versus massa; materiais localizados acima de uma linha em particular terão um IE
mais elevado, enquanto aqueles que se situam abaixo irão apresentar piores performances.
Figura 15 - Mapa de Ashby - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade
(Ashby, 1992)
O processo de SM no projecto do veio cilíndrico envolve uma escolha de uma das
linhas, que incluirá um subconjunto de materiais. Em forma de exemplo, o estudo vai-se
focalizar num IE igual a 10 (MPa)2/3
m3/Mg (Figura 16). Os materiais ao longo dessa linha ou
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49
acima dela estão localizados numa região do mapa de possíveis candidatos a utilizar no
projecto.
Figura 16 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa)2/3
m3/Mg
(Ashby, 1992)
Analisando a Figura 16, a selecção recairá sobre a madeira, alguns polímeros, algumas
ligas de engenharia, compósitos de engenharia, vidros e cerâmicos técnicos. Contudo, pode-se
desde já, excluir os cerâmicos, em virtude da sua baixa resiliência.
Impondo uma resistência no veio, igual ou superior a 350 MPa, como uma restrição
adicional, a região de selecção diminui (Figura 17), passando a possíveis candidatos, os aços,
ligas de titânio, ligas de alumínio de alta resistência e os compósitos.
III CAPÍTULO______________________________________________________
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50
Figura 17 - Mapa de Ashby - Materiais candidatos para um IE igual a 10 (MPa)2/3
m3/Mg e
resistência igual ou superior a 350 MPa (Ashby, 1992)
Estão criadas as condições de avaliar e comparar o desempenho dos materiais em
termos de resistência.
A Tabela 1 apresenta a densidade, a resistência e o IE para três ligas de engenharia e
dois compósitos eleitos como candidatos aceitáveis através da análise do mapa de SM. Uma
vez que a resistência à torção é o objectivo de análise e simultaneamente é difícil de ser
apresentada em virtude da sua disponibilidade dos esforços de torção envolvidos, considerou-
se a resistência das ligas metálicas 0,6 vezes a tensão de cedência e dos compósitos 0,6 vezes
a tensão máxima de tracção. Além disto, para os dois compósitos, presume-se que o reforço
faz-se através de fibras de carbono contínuas, alinhadas e enroladas em forma helicoidal a 45o
relativamente ao eixo do veio (Callister, 2007).
______________________________________________________III CAPÍTULO
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51
Tabela 1 - Densidade, resistência e índice de eficiência para cinco materiais de engenharia
(Callister, 2007)
Os cinco materiais são classificados em termos do seu IE e conclui-se que o compósito
com fibras de carbono apresenta o mais elevado, e o mais baixo corresponde ao aço 4340.
O custo do material é outro aspecto importante no processo de selecção. Em engenharia,
a economia da aplicação é de extrema importância e na hora da selecção, normalmente poderá
ditar a escolha do material.
Tomando o preço por unidade de massa e sabendo a massa total de material necessário
e pelo seu produto, obtém-se o custo dos materiais. A Tabela 2 apresenta as considerações do
custo dos cinco materiais candidatos.
Tabela 2 - Considerações do custo de cinco materiais de engenharia candidatos
(Callister, 2007)
O custo relativo (c) resulta da razão entre o custo por unidade de massa do material
candidato e o custo por unidade de massa do aço macio, um dos materiais mais usado em
engenharia. Existe uma lógica subjacente a esta utilização, em virtude do preço de um
material específico poder variar significativamente ao longo do tempo, enquanto a relação
entre esse preço e outro vai, provavelmente, tornar a alteração relativa muito mais lenta.
III CAPÍTULO______________________________________________________
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52
O produto apresentado na coluna mais à direita da Tabela 2, oferece uma excelente
comparação entre os materiais, tendo por base o seu custo para um veio cilíndrico que não
fractura quando sujeito a um momento torsor (Mt). O aço 4340 é o mais barato e a liga de
titânio a mais cara.
É evidente que quando se entre em linha de conta com aspectos económicos, há uma
alteração significativa no processo de SM, vejamos o exemplo do compósito com fibras de
carbono, que apesar da sua eficiência em termos de resistência, o seu custo não compensa a
escolha para o projecto.
Para se obter uma decisão final, outros aspectos poderão ser importantes ao
desempenho do veio cilíndrico, por exemplo, custos de produção, rigidez e o comportamento
à fadiga (se o veio gira ou alterna de velocidade e/ou de sentido de rotação).
Em relação aos custos de produção, é necessário atender a vários inputs (Figura 18) que
têm um custo associado.
Figura 18 - Inputs no processo de fabrico associados a um custo (CES EduPack, 2007)
______________________________________________________III CAPÍTULO
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53
Em relação à rigidez, a análise de desempenho seria idêntica à apresentada
anteriormente. Neste caso e segundo Callister (2007), o IE corresponde a Is que relaciona o
módulo de corte (G) com a densidade do material (ρ):
(3.11)
O mapa de SM adequado (log G versus log ρ) seria utilizado no processo de selecção
preliminar.
Na fase final, ao decidir sobre o melhor material, pode ser útil construir uma matriz de
decisão. Estas contêm os materiais candidatos, os requisitos, as propriedades dos materiais
(inclusive o custo) e os factores de proporcionalidade ou pesos. Esses constituem o aspecto
mais importante das matrizes e o que apresenta maiores dificuldades na sua definição.
3.5 As simulações computacionais
Conforme já abordado no capítulo 2.4, simulações computacionais, em conjunto com a
utilização do MEF, muitos dos aspectos referentes à SM, à construção de protótipos virtuais e
à realização de testes prévios à execução do projecto têm-se traduzido numa simplificação,
diminuição do tempo (Gráfico 4), custos e inevitavelmente, numa maior competitividade
industrial.
Gráfico 4 - Influência das simulações computacionais no desenvolvimento de produtos
(SolidWorks Corporation, n.d.)
GI
s
III CAPÍTULO______________________________________________________
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54
Relativamente a muitos outros softwares, o SolidWorks aliado ao seu pacote de
simulação CosmosWorks, sobressai na sua facilidade e flexibilidade de utilização. É fornecido
um ambiente de modelagem completo, capaz de conduzir os projectos desde a concepção de
ideias à produção, permitindo um exame detalhado do desempenho do produto, originando
altos níveis de inovação e produtos mais confiáveis e fáceis de produzir.
3.5.1 O método dos elementos finitos
O MEF é explorado por software na análise computacional e permite simular o
comportamento físico de um determinado projecto quando sujeito a circunstâncias específicas
de operacionalidade. Permite determinar o comportamento estrutural e garantir que não
haverá falha de serviço tanto em condições normais como em situações críticas, por
intermédio da determinação da distribuição de tensões (SolidWorks Corporation, 2006).
O método divide o modelo contínuo e complexo em elementos geométricos (Figura 19)
de forma simples, compartilhando pontos comuns chamados nós. Estes elementos finitos
serão tratados simultaneamente, sendo o conjunto designado por malha ou mesh.
Figura 19 - Exemplo de um elemento do MEF (CosmosWorksTM
, 2003)
A divisão por elementos traduz-se numa representação matemática baseada em
equações diferenciais, onde por interacções e análises mais ou menos pontuais, gera-se uma
malha 3D que cobre e permeia o modelo.
______________________________________________________III CAPÍTULO
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55
3.5.2 A aplicabilidade do CosmosWorks
O CosmosWorks fundamenta-se na utilização do MEF, onde a resposta a qualquer
alteração nas variáveis de um elemento finito é interpolada na resposta nos nós dos elementos
adjacentes. Cada nó é descrito por uma quantidade de variáveis dependentes do tipo de análise
e do elemento usado. Geralmente, em análises estruturais ou componentes de máquinas, a
resposta de um nó é descrita por três variáveis (x, y, z) e três rotações (de x, y e z), definindo
os chamados graus de liberdade.
O CosmosWorks permite testar o projecto no computador com alto nível de
confiabilidade, sendo mesmo semelhante ao conseguido através da aplicação de testes nos
protótipos. Este êxito surge na capacidade do software, após a malhagem do projecto e
características definidas, permitir estudos em várias vertentes, nomeadamente:
Estáticos - calculam as tensões, forças de reacção, deslocamentos, deformações e
gera um factor de segurança. O programa encontra os deslocamentos para cada nó
e depois calcula as tensões ou deformações e apresenta o resultado em forma de
um diagrama de cores (Figura 20). Um projecto falha nas posições onde as tensões
excedam um determinado valor (tensão de cedência do material) e/ou apresente
um factor de segurança considerado baixo.
Figura 20 - Exemplo de estudo (deslocamento) com o CosmosWorks (Neves e Fernandes,
2009)
III CAPÍTULO______________________________________________________
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56
Térmicos - calculam temperaturas, gradientes de temperatura e fluxos de calor
(convecção, radiação e condução). Evita-se alterações de temperatura anormais
através da definição de um “termóstato calibrado” a uma temperatura máxima e
mínima.
Optimização - após uma clara definição do objectivo, variáveis de projecto ou
geometria e ajustes de comportamento, o estudo de optimização detecta tendências
e identifica a melhor solução que se enquadra no funcionamento do projecto.
Fadiga - avaliam a vida útil do projecto com base em curvas de tensão versus
número de ciclos.
Frequência - analisa a frequência de maneira a evitar falhas com origem em
tensões elevadas originadas pela ressonância.
Testes de queda - avaliam o resultado de submeter o projecto ao choque contra
uma superfície rígida, por estabelecimento de uma altura e/ou velocidade
adicionada à aceleração da gravidade.
3.5.3 As ferramentas SolidWorks - CosmosWorks
Segundo Fialho (2008) o CosmosWorks aliado ao SolidWorks forma uma ferramenta
imprescindível aos engenheiros em actividades de concepção mecânica, permitindo o
desenvolvimento de novas técnicas, materiais e processos.
Tentando mostrar de uma forma clara e simples todo o processo de análise estática de
uma peça através de uma malhagem sólida, começa-se por criar um modelo geométrico
(Figura 21) com auxílio do SolidWorks.
Figura 21 - Um modelo geométrico construído no SolidWorks
______________________________________________________III CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
57
Através do CosmosWorks cria-se o estudo de análise estática, constituído pelas
seguintes fases:
I. Atribuição de materiais segundo definição de propriedades ou através de uma
biblioteca de materiais incluída no software. Neste caso, descritivo, é seleccionado
como material o aço AISI 1045 (aço ao carbono: 0,43 a 0,5% C) estirado com 625
MPa de resistência à tracção.
II. Aplicação de constrangimentos (Figura 22) de forma a estabilizar o modelo.
Figura 22 - Aplicação de constrangimentos ao um modelo geométrico
III. Aplicação de carregamentos, com o intuito de proporcionar uma deformação,
conforme a ilustração da Figura 23 no caso para uma força de 10 KN.
Figura 23 - Aplicação de carregamentos
III CAPÍTULO______________________________________________________
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58
IV. Discretização ou malhagem (Figura 24), traduzida por uma divisão de um meio
contínuo (modelo) tendo por base o MEF, em que se define as preferências, em
termos de tamanho dos elementos e tolerância. De referir que a densidade da
malha tem um impacto muito grande na precisão dos resultados.
Figura 24 - Malhagem de um modelo segundo as preferências
V. Execução do cálculo e visualização dos resultados, fase em que se realiza a análise
estática, e no final o CosmosWorks apresentará resultados específicos em termos
de tensões (Figura 25), deslocamentos ou deformações (Figura 26), e verificação
de design, com apresentação de coeficientes de segurança.
Figura 25 - Visualização dos resultados em termos de tensões de Von Mises
______________________________________________________III CAPÍTULO
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59
Figura 26 - Visualização dos resultados em termos de deslocamentos
Pelo critério de Max Von Mises pode-se verificar o Factor de Segurança (FOS), em que
o resultado da tensão máxima (σr, ruptura) dividido pela tensão de Von Mises (σvm, tensão de
aplicação) deve ser inferior a 1 (Fialho, 2008), conforme a expressão 4.12.
(4.12)
Pode-se, então, concluir que o FOS para o estudo em análise é menor que 1, aplicando
aquela condição (4.12):
(4.13)
Com este procedimento, localiza-se facilmente os pontos fracos do projecto em análise.
Através do CosmosWorks é possível fazer uma verificação do FOS (Figura 27) resultante da
solicitação aplicada. Elevados factores de segurança numa determinada região do modelo
indicam a possibilidade de economizar material.
1vm
rFOS
154,01150
625FOS
III CAPÍTULO______________________________________________________
_________________________________________________________________________________
60
Figura 27 - Visualização dos resultados para o factor de segurança
Desta forma confirma-se que o valor mínimo de FOS é de 0,54, conforme o cálculo
(pela relação 4.13). Neste exemplo, é nítido que se terá de alterar os parâmetros (material,
dimensões, etc.) de modo a ficar em condição segura relativamente à carga aplicada. Existem
diversos códigos de normalização de projectos requerendo como FOS mínimo entre 1,5 e 3,0
para solicitações estáticas e maiores para outros casos (Fialho, 2008).
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61
4 Investigação e estudo sobre os melhoramentos na bicicleta estática
4.1 Introdução
O consumidor, cada vez mais, busca uma vida saudável através da utilização de
bicicletas estáticas. Por sua vez, a indústria deverá consciencializar-se de que para atender às
necessidades do consumidor é preciso investir em pesquisas, desenvolver e projectar produtos
amigáveis em design ou em materiais e componentes. O aumento do consumo, traduzido na
crescente importância dada pela sociedade, forçará a indústria a renovar-se de modo a atender
as novas exigências.
Segundo Barbado Villalba (2007) o CI é considerado a mais entusiasmante e intensa
actividade das propostas actuais envolvendo a utilização de bicicletas estáticas:
Nos últimos anos, uma nova actividade invadiu o mundo do
fitness com uma força surpreendente e praticamente sem
precedentes. Trata-se do Ciclismo Indoor (CI), uma nova
disciplina que obteve uma aceitação muito grande por parte dos utilizadores dos centros de fitness e clubes desportivos em
todo o mundo (Barbado Villalba, 2007, p. 7).
Não obstante a tendência de crescimento na procura do CI, é notório o défice de
informação e estudos referentes a estes equipamentos e muito menos se encontram
investigações preocupadas em resolver os problemas de quem os usa ou de quem os
disponibiliza à sua prática. Esta constatação vai de encontro ao exposto por Albuquerque
(2006, p. 14):
A ginástica com bicicletas estáticas vem ganhando um espaço
enorme… Existe uma carência muito grande de informações,
trabalhos, reportagens e até mesmo livros…
Há que dar uso às diversas ferramentas já apresentadas neste trabalho de uma forma
coerente e sustentada nas verdadeiras necessidades e/ou oportunidades inovadoras ainda
possíveis, convergentes com as aspirações e desejos do mercado e, sobretudo, dos
utilizadores. Nesta ordem de ideias, este capítulo tentará reunir a informação possível e
IV CAPÍTULO______________________________________________________
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62
simultaneamente dar respostas a diversas inquietudes e complementar as bases de partida à
concepção e desenvolvimento de um equipamento nesta área.
De entre várias alternativas de investigação, é dado maior ênfase a inquéritos online a
ginásios, a pesquisas bibliográficas e normativas, entrevistas e observações sistemáticas sobre
os actuais modelos de bicicletas estáticas.
4.2 Inquérito
4.2.1 Objectivos, população, método e questões
Os objectivos deste inquérito são:
Identificar a quantidade média de bicicletas estáticas usadas pelos inqueridos.
Saber quais as marcas mais utilizadas e há quanto tempo.
Saber qual a opinião geral da utilização das bicicletas estáticas.
Identificar que manutenção é realizada.
Descobrir os componentes com maiores problemas.
Saber se existem acidentes pessoais provocados pelas bicicletas estáticas.
Tentar perceber se os inqueridos têm pretensão de alterações nas suas bicicletas.
A população abrangida por este inquérito recai sobre cerca de cento e cinquenta
ginásios do Continente e Ilhas, vindo a ser respondido apenas por oito. Esta pequena
quantidade de participações presume-se que advém em grande parte da apreensão ao método
usado na recolha de dados: foi enviado uma mensagem por correio electrónico, convidando a
usar uma hiperligação que dava acesso online (Google docs) ao inquérito.
Foram concebidas as seguintes questões:
Identifique o seu ginásio.
Quantas bicicletas estáticas têm?
Que marcas tem? Qual o modelo? Ano de fabrico?
Que opinião tem das bicicletas estáticas?
Que partes das suas bicicletas requerem maior manutenção?
Que necessita fazer em termos de manutenção?
Já teve algum problema (dano maior) com alguma? Se sim, diga onde.
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63
Se apresentou problemas na questão anterior, descreva-os.
Provocou algum acidente pessoal? Se sim, descreva-o.
Indique alguma alteração que gostaria de realizar nas bicicletas estáticas.
Gostaria de dizer mais alguma coisa? Se sim, diga.
4.2.2 Análise aos resultados obtidos
Do inquérito realizado e mesmo com poucas participações, foi possível chegar a
algumas conclusões. O grupo das três primeiras questões, demonstrou que os ginásios têm
uma variedade bastante elevada de marcas (True, Hipower, Reebok, Studio Cycle, BH,
Dunlop, Kateye, Beat Cycling, Schwinn e Salter) e revela que alguns já usam estes
equipamentos há algum tempo (sensivelmente desde 1995) e geralmente em grandes
quantidades, conforme é apresentado no Gráfico 5.
Gráfico 5 - Quantidade de bicicletas estáticas para uma amostra de ginásios inquiridos
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64
Relativamente à pergunta sobre a opinião dos ginásios acerca das bicicletas estáticas, é
surpreendente como todos responderam que, no geral, eram um bom elemento de trabalho e
alguns realçaram mesmo aspectos particulares, como a sua importância cardiovascular, sendo
indispensáveis e, portanto e no geral, uma mais-valia dentro das várias gamas de
equipamentos disponíveis.
A partir da quinta questão, o inquérito dirigiu-se para a manutenção dos equipamentos,
onde foram denunciados os elementos (Gráfico 6), mais sujeitos a esses cuidados e o que na
prática era feito nesse sentido. As partes apresentadas no Gráfico 6 como “Other” referem-se
aos feltros36
de regulação da carga, rolamentos e crenque (ou biela).
Gráfico 6 - Componentes de bicicletas estáticas apontados pelos ginásios inquiridos como
requerendo maior manutenção
Foram especificadas várias actividades de manutenção, nomeadamente: limpeza,
lubrificação, mudança de rolamentos e troca pedais.
Relativamente à questão que tentava explorar a existência de avarias de maior
gravidade, obteve-se os resultados expostos no Gráfico 7. Os elementos definidos por “Other”
referem-se ao transformador, consola electrónica e crenque (ou biela).
36 Tecido feito de lã ou pêlos de animais, cujas fibras são agregadas por calandragem. Dentre os pêlos mais usados estão os de lebre, coelho, carneiro, camelo e castor; http://pt.wikipedia.org/wiki/Feltro (consultado em 15 de Julho de 2010).
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65
Gráfico 7 - Avarias de maior gravidade em bicicletas estáticas denunciadas pelos ginásios
inquiridos
Na oitava questão, foram apresentadas as descrições (Tabela 3) correspondentes aos
problemas de maior dano.
Tabela 3 - Descrição das partes com maior dano em bicicletas estáticas apontadas pelos
ginásios inquiridos
A resposta à questão “Provocou algum acidente pessoal?”, teve consenso na resposta:
“Não”.
Para finalizar, das últimas perguntas obteve-se respostas reveladoras de um grande
interesse dos inqueridos em terem alterações e melhorias nas bicicletas estáticas que oferecem
aos seus praticantes, sendo exemplos:
Maior protecção ao suor.
Melhor sistema de controlo de carga.
Maior facilidade de abertura das protecções plásticas para a limpeza.
IV CAPÍTULO______________________________________________________
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66
Ter suporte para garrafa de água.
Menos avarias tecnológicas, quando aplicável.
Troca por novas.
4.3 Pesquisa bibliográfica e normativa
4.3.1 A corrosão estrutural
A maior parte dos ginásios têm desejo em renovar as suas bicicletas de Spinning, em
virtude do seu estado não ser o melhor, contudo este sintoma poderia ser alterado se houvesse
desde a aquisição uma familiarização com os requisitos exigidos por estes equipamentos.
Apesar de não requererem uma elevada manutenção, é necessário controlar se todos os
elementos estruturais metálicos estão protegidos contra a corrosão originada pelo contacto
com o suor. O ideal seria que todos eles fossem fabricados em aço inoxidável (Frobose e
Waffenschmidt, 2002).
O suor tem na sua constituição teores de Cloreto de Sódio (NaCl) e a presença do ião
cloreto é responsável pela corrosão da maioria dos metais, em especial em meio ligeiramente
ácido (PH<5). Se a isto juntarmos um ambiente habitualmente húmido e relativamente quente,
então temos uma boa parte dos ingredientes para iniciar e acelerar um processo de corrosão
(Figura 28). Isto é mais notório em metais ferrosos e nas zonas mais sensíveis, nomeadamente
nas soldaduras.
Figura 28 - Fotografia de pormenor de uma bicicleta estática com corrosão localizada por
origem no suor (amavelmente cedida pelo ginásio Gym City, L.da, 2009)
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67
Num ginásio em que há muitos utilizadores simultâneos em actividade física, a
saturação do ar ambiente é maior, mesmo com um sistema de renovação de ar. Assim, o grau
de humidade e a temperatura são mais elevados do que num comum escritório. Nestas
condições e em presença do suor, os ginásios devem ser considerados, segundo a norma NP
EN 12944-2 de 1999, um caso particular de categoria de corrosão atmosférica C5 (semelhante
ao ambiente marítimo), pelo que o esquema de pintura deverá ser devidamente analisado (será
desenvolvido no item 5.6.2).
4.3.2 Abordagem dinâmica - cinemática e cinética
Para que um ginasta tenha um bom desempenho por reflexo de uma boa eficiência
mecânica durante a prática do ciclismo, deverá atender-se a diversos factores, por exemplo, os
ajustes na bicicleta (altura do selim, comprimento da biela, etc.), carga aplicada e a posição
adoptada. Certos investigadores em biomecânica37
procuram entender a relação entre o
ginasta e a bicicleta.
O ciclismo tem por base um movimento repetitivo e que consiste na rotação completa
do eixo do pedal em torno do eixo do centro pedaleiro. A eficiência deste gesto resulta da
relação da potência gerada nas articulações (principalmente joelho, tornozelo e quadril) do
atleta com a potência fornecida ao pedal. No global, quanto maior for a potência aproveitada,
mais eficiente será o ginasta.
O estudo da técnica do pedalar leva em consideração a cinemática38
e a cinética39
do
acto motor, sendo estes aspectos importantes, tanto no desempenho dos ginastas como no
projecto das bicicletas.
Segundo Gregor (2000), ao fazer-se pesquisas acerca da cinemática do ciclismo,
verifica-se que a maioria dos estudiosos destes assuntos considera apenas os movimentos no
37 É o estudo da mecânica dos organismos vivos.
38 Estudo do movimento, sem considerar as forças.
39 Estudo do movimento, considerando as forças.
IV CAPÍTULO______________________________________________________
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68
plano sagital40
dos membros inferiores (Figura 29). Mais recentemente, outros realizaram
estudos envolvendo diferentes posições do selim e do guiador.
Figura 29 - Característica do movimento do membro inferior ao pedalar, com movimento
angular (I) e movimento linear (II), (UFSM et al., 2008)
A análise cinética, que leva em consideração as forças geradas pelo organismo e as suas
resistências, também é uma área de estudo bastante complexa e trás considerações
importantes sobre o acto de pedalar.
Vários autores debruçam-se com maior intensidade sobre o estudo das forças actuantes
no pedal do que no selim ou no guiador, em virtude de ser aí a maior transmissão de energia
pelos membros inferiores.
Numa pedalada existem duas fases (Figura 30): potência - de 0º a 180
º e recuperação -
de 180º a 360
º.
Figura 30 - Ciclo esquematizado de uma pedalada
40 Divide o corpo simetricamente, numa parte direita e outra esquerda.
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69
Em função do ângulo pedal e no plano sagital (Figura 31), decompõe-se a força
resultante (Fr) na normal ou vertical (Fn) e na tangencial ou horizontal (Ft). No mesmo plano
e relativamente ao ângulo do crenque, a mesma força resultante (Fr), decompõe-se na força
inefectiva (Fi), que não contribui para a rotação da pedaleira e na força efectiva (Fe), que gera
um binário propulsivo na pedaleira.
Figura 31 - Forças aplicadas no pedal referentes ao plano sagital
Segundo Gregor (2000) o máximo da força normal (Fn) é aproximadamente 60% do
peso do ginasta. Outros estudos realizados por Gregor, Broker e Ryan (1991) apresentaram
valores superiores, cerca de 70% acima do peso do ginasta.
No plano sagital pode-se calcular o Índice de Eficiência Propulsivo (IEP) que ajuda a
mostrar a eficiência do ginasta na produção do binário propulsivo. Segundo Davis e Hull
(1981), IEP corresponde à razão entre a Fe e a Fr aplicada sobre o pedal (Equação 4.1).
(4.1)
A força resultante (Fr) que o ginasta aplica sobre o pedal varia em direcção e
amplitude (Figura 32) durante o ciclo correspondente a uma pedalada. A força efectiva (Fe)
apresenta o valor máximo próximo dos 90º, o que em termos de binário propulsivo representa
o máximo conseguido no ciclo.
360
0
360
0
)(
)(
dF
dFIEP
r
e
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70
Figura 32 - Representação esquemática da variação da força resultante durante uma pedalada
(Grappe, 2005)
Encontra-se pouca informação acerca de estudos envolvendo as forças actuantes no
selim e guiador, contudo alguns estudiosos apontam um máximo de esforço sobre o guiador
equivalente a cerca de 64% do peso do ginasta (Gregor, 2000) e segundo Panero e Zelnik
(1983), cerca de 75% é suportado pelo selim (26 cm2) quando o ginasta está sentado.
As assimetrias acontecem relativamente à produção de binário no par de pedais
(esquerdo e direito), sendo muito importante a sua análise, por várias razões, tais como, o
modo como as cargas actuam nas articulações, a influência do membro dominante e a
prevenção de lesões (Gregor, 2000).
Normalmente, as bicicletas estáticas empregues na prática do Spinning, não estão
equipadas com qualquer equipamento de medida da potência mecânica (P) produzida na
pedalagem. No entanto, segundo Gordon et al. (2006), um dos métodos de cálculo (Equação
4.2) que poderia ser utilizado passaria pela medida da dependência directa com o produto
entre o binário exercido pelo ginasta na pedaleira (Mp) e a velocidade angular resultante (w).
(4.2)
WwMPp.
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71
Gordon et al. (2006), referem várias relações que poderão ajudar no cálculo da
potência mecânica, nomeadamente:
A velocidade angular tem relação directa com o número de rotações por minuto
(n), conforme apresentado na Equação 4.3.
(4.3)
Conforme demonstrado na Equação 4.4, o binário na pedaleira depende do produto
entre o binário na roda de balanço (Mr) e a relação entre os diâmetros da pedaleira
(D) e do pinhão (d). Numa transmissão por corrente, segundo Gordon et al. (2006),
existem perdas entre 3 e 5% e são traduzidas pelo rendimento (η).
(4.4)
Por outro lado, o binário na roda de balanço (Equação 4.5), é igual ao produto
entre a força de atrito (Fa) e o raio da roda (R).
(4.5)
A força de atrito, responsável pela travagem mecânica, resultante da acção do
calço sobre a roda de balanço, Equação 4.6, corresponde ao produto da carga
accionadora do calço (C) pelo coeficiente de atrito dinâmico (μ). Gordon et al.
(2006) determinaram o valor de 0,175 para o referido coeficiente de atrito.
(4.6)
O cálculo da potência mecânica (P) produzida na pedalagem através da Equação 4.2
poderá apresentar outro formato (Equação 4.7), quando afectada pelas restantes Equações
(4.3, 4.4, 4.5 e 4.6). Pode-se concluir que a potência aumenta com o aumento das outras
variáveis, excepto quando existe aumento do diâmetro do pinhão (d).
s
radnw
30
.
Nmd
DMM
rp..
NCFa
.
NmRFMar.
IV CAPÍTULO______________________________________________________
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72
(4.7)
4.3.3 Requisitos normativos
É de todo o interesse que na fase de concepção sejam respeitadas as premissas
incluídas nas normas referentes aos equipamentos de ginástica estáticos e em específico as
que se relacionam com as bicicletas, de modo a que o projecto seja concebido respeitando os
requisitos de segurança. Contudo, é mais correcta a aplicação de algumas premissas na fase de
protótipo.
Segundo a norma NP EN 957-1:2009 (Requisitos gerais de segurança e métodos de
ensaio) há a reter os seguintes aspectos:
Consideram-se três classes de utilização: S - uso profissional e/ou comercial, H -
uso doméstico e I - inclui a classe S incluindo as pessoas com incapacidades.
Todas as arestas e cantos devem ser arredondados pelo menos com um raio de 2,5
mm ou estar isentas de rebarbas ou terem uma protecção, e as extremidades dos
tubos têm de estar fechadas.
O equipamento deve estar munido de um bloqueio de movimento.
Os dispositivos de regulação não devem invadir a zona de movimentação do
operador.
A corrente de transmissão de movimento deve possuir um coeficiente de segurança
até seis vezes a tensão máxima a que poderá estar sujeita.
As zonas para provável colocação das mãos do operador têm de evitar o respectivo
escorregamento.
Os operadores devem ser capazes de entrar e sair do equipamento com facilidade.
Wd
nDRCP
.30
......
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73
Em complemento à norma anterior, existe a norma NP EN 957-10:2009 (Bicicletas de
exercício com roda fixa ou sem roda livre, requisitos de segurança adicionais e métodos de
ensaio) e devem-se reter os seguintes aspectos:
O crenque (ou biela) não deve ter um afastamento das partes fixas inferior a 10
mm.
A transmissão tem de estar protegida no respeitante aos utilizadores.
O raio das arestas da roda de balanço deve ser pelo menos de 2,5 mm.
Para a classe S, o espigão de selim deve resistir sem escorregar mais do que 5 mm
quando sujeito a uma carga, escolhida entre a maior das opções: quatro vezes o
peso do operador especificado ou 4000 N. O mesmo se deverá cumprir nos
crenques e pedais, e, por outro lado, também têm que resistir sem facturar à
aplicação de uma força de 750 +/- 10 N por um milhão de ciclos e 25 Hz de
frequência máxima. O equipamento nunca deverá cair.
A profundidade mínima de inserção do espigão, quer o do selim quer o do guiador,
nas suas posições mais altas, devem ser de 55 mm. Essas posições têm de estar
assinaladas com uma marca de “STOP”.
O guiador deve resistir sem fracturar ou deformar-se mais do que 10%
plasticamente, quando sujeito na posição mais desfavorável a uma carga vertical
(maior valor das opções: 1,5 vezes o peso do operador especificado ou 1500 N) e a
uma carga horizontal (maior valor das opções: 0,5 vezes o peso do operador
especificado ou 500 N).
Os pedais devem incluir um sistema de retenção dos pés.
O equipamento deverá ter um travão de emergência provido de um accionamento
em forma de cogumelo avermelhado. Tal pode ser activado através de uma força
de 100 N descendente ou 50 N ascendente. Quando a roda de balanço gira a 120
RPM, o sistema de travagem de emergência tem de ter capacidade de a parar ao
fim de uma volta.
A distância entre qualquer elemento rígido do pedal e o chão nunca poderá ser
inferior a 60 mm.
IV CAPÍTULO______________________________________________________
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4.4 Entrevistas e observações sistemáticas
4.4.1 Visita a empresa
Conforme analisado anteriormente pelo questionário efectuado a vários ginásios e
alguma pesquisa bibliográfica, conclui-se que a corrosão pelo suor é um dos assuntos que
carece de resolução. Nesse sentido foram realizadas algumas visitas de estudo e pesquisas,
nomeadamente a uma empresa fabricante de tintas e três ginásios.
O objectivo da visita à empresa (Cin, no Porto) resultou da necessidade em encontrar
uma solução para o tratamento superficial a aplicar nas bicicletas estáticas quando construídas
à base de materiais ferrosos, de forma a resistirem ao ambiente corrosivo resultante da prática
de Spinning. Confrontando o seu departamento técnico com a problemática em causa, de
imediato surgiram várias explicações alternativas, algumas muito pertinentes e carentes de
outras investigações, sendo as mais relevantes:
“A corrosão pode não ter origem no suor, mas sim dos detergentes usados na
limpeza dos equipamentos pelos detentores dos ginásios.”.
“Os ginásios durante as provas de Spinning poderão utilizar borrifos de água
para refrescar os ginastas.”.
“Dos ginásios que visitámos até hoje, não detectámos grandes níveis de oxidação
nos equipamentos de ginástica, a não ser algumas manchas na tinta.”.
“Qual será o factor de corrosão atmosférica dos ginásios quando se pratica o
Spinning?”.
A reunião não teve resultados conclusivos imediatos, já que os intervenientes careciam
de mais elementos para que pudessem fundamentar um parecer técnico consistente.
4.4.2 Visita a ginásios
A informação que faltava acerca da corrosão, encontrava-se nos ginásios e esse foi o
objectivo da visita a três unidades, duas em Águeda (Gym City e Multibody) e uma em Aveiro
(Força em Movimento - Fit&Fun). A ferramenta utilizada nesta pesquisa teve por base uma
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75
entrevista previamente formatada, incluindo algumas questões para confirmação das
efectuadas no questionário e outras abordando o problema em causa:
Que produtos de limpeza utiliza?
Que teor de humidade denota no seu ginásio?
Usa algum tipo de refrescante ambiental (borrifos de água) durante as provas de
Spinning?
Acha que o suor é um problema para os seus equipamentos de ginástica?
Tem manchas na tinta ou oxidação nos equipamentos de ginástica?
Os resultados obtidos são resumidos na seguinte Tabela 4.
Tabela 4 - Respostas obtidas pelos ginásios entrevistados
Analisando os resultados obtidos, conclui-se que os ginásios têm todos a mesma
opinião acerca do suor, como sendo um problema extremamente grave para os equipamentos
de ginástica e em particular para as bicicletas estáticas utilizadas na prática do Spinning, onde
os teores de humidade ambiente tendem a aumentar. Nenhum ginásio utiliza borrifos de água
e todos, com a excepção do C, usam a vaselina líquida na limpeza, o que sustenta a ideia do
suor como um dos agentes principais na corrosão estrutural.
Com o devido consentimento dos ginásios foram presenciadas algumas acções de
Spinning e, ainda se obtiveram algumas fotografias (Figura 33) demonstrativas do verdadeiro
problema corrosivo presente nos equipamentos.
IV CAPÍTULO______________________________________________________
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76
Figura 33 - Fotografias de corrosão nos equipamentos de ginástica provocada pelo suor
4.4.3 Visita a lojas desportivas
A visita a lojas desportivas no Porto (Sport Zone do Mar Shopping - Ikea) e em Aveiro
(Sport Zone - Continente e Decathlon), teve como objectivo observar o que existe em termos
de inovações nas bicicletas estáticas, retirar algumas medidas e descobrir o que normalmente
procura o consumidor comum.
De realçar que não foram detectadas grandes inovações. As bicicletas estáticas são
muito semelhantes, têm uma estrutura à base de metais ferrosos, utilizam tubos com secções
extremamente elevadas, muito pesadas e protecções e enchimentos plásticos. Encontram-se já
algumas propostas para a modalidade do Spinning, algumas com roda livre.
Os funcionários das lojas visitadas foram unânimes no que o consumidor deseja, e
apresentaram, sobretudo, dois aspectos mais relevantes:
Procura de um equipamento resistente, confortável e barato.
Aumento crescente na procura de bicicletas estáticas para a prática do Spinning.
De entre muitas características apresentadas que definem as bicicletas de CI, falta
referir o facto de usualmente não disporem de consola para leituras do tempo, distância,
velocidade, frequência cardíaca, potência41
desenvolvida em watts e número de rotações por
41 É o resultado do produto do momento de travagem (N.m) e a velocidade angular (2.π.n), onde n é a
velocidade de pedalagem, em rotações por minuto (NF EN 957-5:1996).
______________________________________________________IV CAPÍTULO
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77
minuto (RPM). Normalmente os ginastas tendem a usar somente um relógio monitor de
frequência cardíaca (Figura 34) que se encontra facilmente em qualquer loja de desporto.
Figura 34 - Relógio (monitor) para leitura da frequência cardíaca
4.4.4 Conclusões e bases preliminares à concepção
Nesta fase do trabalho e, após a investigação preliminar e estudo exaustivo, conclui-se
que existem alguns aspectos a melhorar nas bicicletas estáticas e em particular nas que são
utilizadas na prática do Spinning, nomeadamente:
Aumentar a resistência à corrosão pelo suor.
Incluir e melhorar os componentes. Por exemplo, adicionar um suporte de garrafas
de água para que não haja necessidade de serem colocadas no chão e garantir um
sistema de regulação de carga mais fiável.
Procurar fabricar um produto com boa resistência mecânica, apelativo e
economicamente viável e atendendo sempre à melhor selecção das tecnologias e
processos de fabrico.
Respeitar os requisitos normativos em prol da segurança.
Usar todas as ferramentas, normas e técnicas de modo a tornar a fase da concepção
mais eficiente e eficaz.
Facilitar a manutenção e sempre que possível garantir a mantenabilidade do
equipamento.
IV CAPÍTULO______________________________________________________
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78
De modo algum, o resultado desta investigação, reúne a totalidade de informação que
na verdade poderá ser obtida. Para a sua melhor rentabilização, valorização e fiabilidade
técnico-científica, os inquéritos deveriam ter o apoio de profissionais mais especializados
nestas matérias, quer na sua forma de realização e de abordagem aos inquiridos, quer no
posterior tratamento de dados. Assim como a colaboração e a envolvência de profissionais de
reabilitação e de saúde, em virtude da crescente utilização deste tipo de equipamentos no
apoio ao diagnóstico, ao prognóstico ou ao tratamento.
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79
5 Concepção da bicicleta estática
5.1 Introdução
O presente capítulo deste trabalho tem por base a concepção da bicicleta estática
aplicada ao Spinning.
Numa empresa, o conjunto de actividades que compõem o processo construtivo,
destacam-se cada vez mais as relacionadas com a fase da concepção dos produtos, e portanto
de projecto, já que se quer uma execução fácil ao nível do fabrico e que satisfaça as
exigências dos clientes ao menor custo e controlo (Pires, 1999). A optimização final tende a
ser iterativa, sobretudo com a execução, quer por necessidade de alterar algum processo de
fabrico quer por resultados de ensaios ao nível de protótipos ou pela auscultação da utilização
dada pelo mercado.
Neste capítulo tentou-se ser fiel relativamente à importância que envolve a etapa de
projecto num processo construtivo, o qual se pretende competitivo, num mercado cada vez
mais agressivo.
Partiu-se de esboços e de respectivas modelações geométricas tridimensionais, no
sentido de optimizar a estrutura atendendo às pesquisas feitas e dados disponíveis. Seguiu-se a
atribuição de materiais com recurso aos mapas de Ashby. Posteriormente, aplicaram-se os
carregamentos e constrangimentos e finalizou-se com a discretização (ver item 3.5.3, ponto
IV) e com uma análise de resultados. Neste processo, foram utilizados o SolidWorks na
modelação e o CosmosWorks no cálculo. O CosmosMotion serviu para uma breve análise
cinemática.
Na valorização dos resultados obtidos e por forma a consolidar o projecto, ainda se
empregaram algumas ferramentas para optimização do mesmo, aos níveis da produção e
montagem, da mantenabilidade e da confiabilidade, da ergonomia, estética e meio ambiente.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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80
5.2 Execução dos modelos geométricos
O desenho industrial é uma ferramenta imprescindível na concepção de componentes,
equipamentos e sistemas mecânicos. A especificação geométrica estabelece o campo de
variações admissíveis de um conjunto de características de um objecto, que lhe permitem
desempenhar as suas funções (necessidades funcionais).
A utilização do desenho à mão livre corresponde às primeiras fases do desenho,
evoluindo para sistemas CAD avançados baseados numa filosofia de representação
paramétrica de modelos tridimensionais (3D).
O desenho à mão livre ou esboço, é uma ferramenta fundamental nos primeiros
estágios do projecto, em que o produto é idealizado e concebido. Neste trabalho, tentou-se,
dessa maneira e por estabelecimento de variantes, chegar ao esboço definitivo de uma forma
simples, agradável, funcional e de fácil execução (Figura 35).
Figura 35 - Esboço final da bicicleta estática a desenvolver
O CAD proporciona funções de apoio ao desenho, permitindo, numa primeira fase e
entre outros aspectos, verificar a funcionalidade dos produtos, interferências entre eventuais
componentes e a cinemática de peças móveis.
_______________________________________________________V CAPÍTULO
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81
Uma vez idealizado o equipamento, os seus componentes têm de ser desenvolvidos e
dimensionados. Os modernos programas de CAD 3D são ferramentas fundamentais para isso.
As dimensões iniciais a dar ao projecto tiveram origem em diversas fontes, algumas
delas já anteriormente apresentadas (normas, modelos actuais, inquéritos e entrevistas, etc.) e
outras são adicionadas de forma a complementar e melhorar o projecto.
Dreyfuss (1966) recomenda as melhores posturas (antropométricas) e dimensões
(biomecânicas) das bicicletas tradicionais e aerodinâmicas (Figura 36). Alguns destes
aspectos foram utilizados como complementos de referência na execução deste trabalho.
Figura 36 - As melhores posturas e dimensões das bicicletas tradicionais e aerodinâmicas
(Dreyfuss, 1966)
A modelação tridimensional dos componentes (usualmente designados neste domínio
por parts) que integram um dado conjunto é o primeiro passo na modelação do mesmo. Os
programas de modelação usuais estão equipados com várias ferramentas necessárias à geração
3D das peças a integrar posteriormente num mecanismo.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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82
O SolidWorks foi o programa eleito na modelação geométrica deste projecto. Os
componentes foram criteriosamente desenhados, modelados e montados.
Inicialmente a ideia subjacente ao projecto fundamentou-se nas capacidades
tecnológicas e materiais que normalmente usam as empresas dedicadas ao fabrico deste tipo
de equipamentos.
Actualmente ainda se utilizam os materiais ferrosos de secção tubular, devidamente
maquinados, soldados e pintados. Neste fluxo de conhecimentos, foi concebida uma bicicleta
estática (modelo da Figura 37), por respeitante esboço prévio, que pretendia englobar algumas
novidades que respondessem às necessidades do mercado.
Figura 37 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo
por base a construção soldada
A escolha dos tubos teve por referência as normas EN 10305-3 e EN 10305-542
, a
selecção da transmissão por corrente simples baseou-se na DIN ISO 08143
e as rodas de
tracção foram escolhidas atendendo ao catálogo de um fabricante (Mecanarte44
).
42 http://www.ferpinta.pt/ (consultado em 9 de Maio de 2010).
43 http://www.nicphel.com.br/html/correntes.html (consultado em 9 de Maio de 2010).
44 http://www.mecanarte.pt/ (consultado em 10 de Maio de 2010).
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83
O fabrico de uma bicicleta baseada na construção soldada requer meios produtivos
muito onerosos, por exemplo, máquinas de CNC, de corte do tubo, robôs de soldadura e
equipamentos de pintura. Fica subjacente um acrescido dispêndio de mão-de-obra.
Na perspectiva de afastamento da construção soldada, investiu-se e elegeu-se outra
solução que, no geral, se apresentava agradável, fácil de produzir, com novos materiais e
resistente à corrosão; simultaneamente, procurou-se, à partida, um design inovador (modelo
da Figura 38, o correspondente ao dito esboço final da Figura 35 e apresentado em desenho
técnico no Anexo 8.1).
Figura 38 - Modelo final da bicicleta estática por projecto executado no SolidWorks tendo
por base a construção injectada ou conformada
Os conjuntos anteriores resultaram dum trabalho exaustivo, fundamentado na pesquisa
bibliográfica e do meio (ginásios e sector comercial) e no estudo, e reflectido no rigor do
desenho com a modelagem dos seus diversos componentes (Figura 39).
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84
Figura 39 - Alguns dos componentes da bicicleta estática a desenvolver modelados através do
SolidWorks
O sistema de carga e travagem de emergência juntamente com o suporte para garrafas
de água (Figura 40), além de responderem a algumas das aspirações recolhidas nos utentes
(resultado da investigação apresentada no Cap. 4), também reúnem e adicionam pormenores
inovadores ao projecto.
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85
Figura 40 - Destaque de alguns aspectos inovadores da bicicleta estática: I - suporte de
garrafas de água e II - sistema de carga e travagem de emergência
5.3 Selecção de materiais
5.3.1 Introdução
Como já referido na pesquisa bibliográfica a propósito de recursos de SM, Ashby, um
professor de Cambridge, desenvolveu um poderoso método sistemático baseado em mapas de
SM: exibem dados de várias propriedades, para uma grande quantidade de famílias e classes
de materiais. Este método também tem sido implementado através de um software designado
por Ces Edupack, que torna o processo de SM muito mais rápido.
A aplicação dos mapas de Ashby, tratando-se de uma ferramenta com ampla visão na
SM, visando um desempenho de excelência e propiciando uma extraordinária ajuda na
tomada de decisão para quem projecta, constituiu-se como primordial no presente projecto.
Tendo por base essa metodologia e após o dimensionamento e modelagem dos componentes
referentes a este trabalho, efectuou-se a SM da estrutura principal da bicicleta (Figura 41), já
que depende dela a necessária estabilidade do equipamento.
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86
Figura 41 - Dimensões da estrutura principal da bicicleta estática a desenvolver
5.3.2 Características principais - requisitos - para os componentes
A aplicabilidade e o ambiente envolvente à bicicleta estática, requereu uma abordagem
a algumas propriedades dos materiais. Nesse sentido, para listagem das mais importantes
associadas ao presente projecto, passou por se eleger a resistência mecânica, dureza, peso,
custo e a resistência à corrosão (por simplificação, será devidamente tratada no item 5.6.2).
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87
Perante a necessidade de se proceder a uma SM, assim como a escolha do processo de
fabrico mais apropriado, resultou numa imposição inicial de alguns requisitos,
nomeadamente:
Resistência mecânica ≥ 75 MPa.
Dureza ≥ 175 MPa.
Custo do material utilizado45
<135,00 €.
Densidade baixa <3 g/cm3.
A eleição dos requisitos anteriores justificam-se, sobretudo, pelo seguinte: a
resistência mecânica por ser um componente estrutural e com utilização humana directa, a
dureza pela necessidade de se garantir resistência ao desgaste devido à extrema utilização, o
peso e custo maioritariamente pela melhor mobilidade e competitividade comercial geral. Os
valores indicados nas condições tiveram algum carácter subjectivo, contudo, antes disso,
utilizaram-se as ferramentas possíveis, nomeadamente: consultas na internet (preços das
bicicletas actuais), CosmosWorks (para algumas simulações prévias), contactos técnicos, etc..
A importância do estudo sobre a resistência à corrosão advém pelo constatado em
alguns casos práticos de respectiva degradação nos equipamentos.
5.3.3 Identificação dos materiais candidatos
Atendendo aos grandes esforços a que o componente (estrutura principal da bicicleta
estática) está sujeito, considerou-se a resistência mecânica46
como o parâmetro a maximizar.
Por outro lado, convém eleger a densidade como o item a minimizar, para que não se obtenha
uma estrutura com peso muito elevado, por razões de transporte e questões económicas.
45 Custo em matéria-prima: de massa (kg) para o volume total da estrutura (5493 cm
3).
46 Durante a utilização (o funcionar de uma peça), interessa saber qual a sua capacidade para suportar a deformação ou rotura - a resistência. Do ponto de vista do fabrico de uma peça por um processo de conformação metálica do material, interessa mais saber a aptidão do material para ser deformado plasticamente sem fracturar - a ductilidade. A resistência mecânica não depende só do material mas dum critério específico estipulado ou imposto (dentro de determinadas condições) por exemplo a resistência elástica (tensão de cedência, normalmente a mais usada, a resistência à carga máxima, a resistência à rotura, etc.). Agora ductilidade e tenacidade já dependem só do material.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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88
Em função das considerações anteriores e analisando a Tabela 5, encontrou-se o IE.
Tabela 5 - Definição do IE para o caso em estudo (Ashby, 1992)
Gráfico 8 - Mapa de materiais por relação da resistência com a densidade (Ashby, 1992)
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89
Após averiguação pelo Gráfico 8, que dispõe as propriedades analisadas segundo o IE
retirado da Tabela 5, chegou-se a alguns possíveis materiais candidatos47
:
Ligas de alumínio (356.0-T648
e 380.049
, segundo normas ANSI50
e AA51
,
respectivamente).
Polímeros de engenharia (Poliamidas “Nylon 6.6”, KETRON PEEK – 1000 e
TECHTRON HPV PPS).
Compósitos (Celeron e TERVID EP 155 F).
Nesta primeira escolha de materiais, excluíram-se algumas famílias, pelas seguintes
razões:
Aços - evitar a construção soldada, ganhar na inovação e um afastamento dos
materiais ferrosos em virtude da corrosão.
Ligas de magnésio - pela limitada resistência à corrosão e por serem muito caras.
Ligas de titânio - apesar de competir com o alumínio, estas ligas são muito caras e
exigem técnicas de fabrico especiais (sobretudo por serem difíceis de fundir).
Ligas de níquel - extremamente caras.
Cerâmicos - baixa resiliência (e fragilidade).
Definidos os materiais candidatos e sabendo que o volume da estrutura corresponde a
5493 cm3
(SolidWorks), permitiu caracterizar algumas propriedades (Tabela 6), com a
ressalva de que algumas baseiam-se em aproximações, motivadas pela carência de dados
experimentados e divulgados.
47 Os polímeros de engenharia e os compósitos tiveram como referencia os materiais tabelados pela LANEMA, http://www.lanema.pt/index.php?lang=1 (consultado em 28 de Maio de 2010).
48 T6 - Solubilizada e envelhecida artificialmente (tratamento térmico).
49 Aponta-se para que 90% das ligas 3xx.x são utilizadas no fabrico de componentes por fundição.
50 American National Standards Institute.
51 Aluminum Association.
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90
Tabela 6 - Algumas propriedades dos materiais candidatos
O KETRON é um polímero de engenharia semicristalino, de alta performance e
obtém-se a partir da resina de polieteretercetona (PEEK - termoplástico). O TECHTRON é
outro polímero de engenharia, sendo uma solução mais económica.
O Celeron é um termolaminado, ou seja, um composto obtido da combinação de
tecidos de algodão, impregnados com resinas sintéticas (fenólicas), laminados a altas pressões
e temperaturas. O TERVID é outro termolaminado, em que o reforço é conseguido através da
adição de fibras de vidro, em substituição do algodão.
5.3.4 Os processos de fabrico
Para os materiais candidatos, é importante encontrar o processo de fabrico mais
adequado. Isso foi conseguido através da análise de quatro gráficos correspondentes aos
atributos do processo e caracterizados por vários itens do projecto em estudo:
1. Dureza e a temperatura de fusão
Em função da dureza e da temperatura de fusão dos materiais candidatos (Tabela
6), traçaram-se as linhas correspondentes sobre o Gráfico 9 e obtiveram-se os
possíveis processos de fabrico (Tabela 7).
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91
Gráfico 9 - Mapa de processos por relação da dureza com a temperatura de fusão (Ashby,
1992)
Tabela 7 - Materiais e processos candidatos por relação da dureza com a temperatura de fusão
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92
2. Tamanho - área da superfície - e a espessura mínima
Tendo em atenção a espessura mínima e a área da estrutura, respectivamente 2 mm
e 0,75 m2 (SolidWorks), estas foram representadas no Gráfico 10.
Gráfico 10 - Mapa de processos por relação da área da superfície com a espessura mínima
(Ashby, 1992)
Da intersecção das duas linhas, obtiveram-se os seguintes processos:
Conformação polimérica.
Trabalho a frio.
3. Complexidade e a massa do material
A complexidade refere-se à quantidade de informação (Bits) da estrutura e obtém-
se pela seguinte forma (Ashby, 1992):
(5.1)
Bits
l
lnC
2log''
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93
onde:
n' = Número de dimensões da estrutura.
l = Dimensão média geométrica = (l1+l2+…+ln’) 1/n’
.
l = Precisão média geométrica = (∆l1+∆l2+…+∆ln’) 1/n’
.
Para o caso em estudo (Figura 41), assumiram-se as seguintes dimensões e
cálculos:
Dimensões (mm) principais agregadas a algumas simplificações:
Diâmetro exterior da fixação dos pés - 25.
Diâmetro interior da fixação dos pés - 23.
Comprimento da fixação dos pés - 150.
Diâmetro exterior do centro pedaleiro - 45.
Diâmetro interior do centro pedaleiro - 39.
Comprimento do centro pedaleiro - 68.
Diâmetro corpo central da estrutura - 346.
Comprimento da ligação estrutural ao pé traseiro - 206.
Comprimento estrutural do suporte de selim - 162.
Comprimento da ligação estrutural à colocação do guiador - 433.
Comprimento estrutural suporte do guiador - 144.
Comprimento da ligação estrutural ao pé dianteiro - 707.
Espessura estrutural - 30.
Espessura das ligações estruturais ao pé dianteiro - 20.
Largura do suporte de selim - 73.
Largura ligação estrutural à colocação do guiador - 69.
Largura do suporte de guiador - 73.
Largura das ligações estruturais ao pé dianteiro - 57.
Largura ligação estrutural ligação estrutural ao pé traseiro - 41.
Cálculos:
l =[25x23x150x150x45x39x68x346x206x162x433x144x707x707x3
0x20x20x73x69x73x57x57x41] 1/19
= 220,21 mm
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94
l =[0,3x0,4x0,5x0,4] 1/19
= 0,82 mm
Utilizando o valor mínimo e máximo das massas correspondentes aos materiais
candidatos, apresentadas na Tabela 6 e o valor da complexidade calculado
anteriormente, marcaram-se as linhas respectivas sobre o Gráfico 11.
Gráfico 11 - Mapa de processos por relação da complexidade com o tamanho ou massa
(Ashby, 1992)
Da análise do Gráfico 11, obtiveram-se os seguintes processos:
Fundição por injecção.
Fundição por cera perdida.
Fundição em molde de areia.
Fabricação de compósitos.
BitsC 3,153)2(log
)82,0
21,220(log
1982,0
21,220log19'
10
10
2
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95
4. Tolerância e a rugosidade da superfície
Conhecendo-se (pela Figura 41) os valores mínimo e máximo da tolerância,
calculou-se a respectiva amplitude:
Amplitude de tolerância = Tolerância máxima – Tolerância mínima
= 0,5-0,3 = 0,2 mm
A menor rugosidade superficial, corresponderá às zonas do projecto em que foram
impostas tolerâncias apertadas e o processo a utilizar nesse sentido, será por certo,
a rectificação.
Tabelas usuais de rugosidades versus processos de fabrico, indicam para a
rectificação uma rugosidade média (Ra), na ordem dos 0,2 μm e a rugosidade
quadrática média (Rq) corresponde a cerca de 0,23, porque Rq ≈ 1,11 a 1,25 de Ra
(Palma, 2006).
Foram assinaladas as linhas correspondentes à amplitude de tolerância e ao menor
valor de Rq requerida ao projecto, sobre o Gráfico 12.
Gráfico 12 - Mapa de processos por relação da amplitude da tolerância com a rugosidade
(Ashby, 1992)
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96
Desta representação resultaram os seguintes processos candidatos:
Rectificação.
Maquinação.
5.3.5 Os custos dos materiais
A recolha de dados válidos para o custo dos materiais (Cm) é uma tarefa extremamente
difícil, o que justifica a escassez deste género de informações. Razões para este facto derivam
de vários aspectos, dos quais esse preço depende, nomeadamente:
Preços a três níveis: fabricante, distribuidor e mercado final.
Cada fabricante ter o seu esquema de preços.
Quantidade de material adquirido e processamento.
Variação ao longo do tempo.
Numa fase mais avançada na decisão da SM, deve-se atender ao custo de fabrico (Cf ,
Ashby, 1992):
(5.2)
Onde:
m - Massa em kg de cada peça.
Cm - Custo do material por kg.
Cc - Custo da instalação necessária ao fabrico.
n' - Número de peças por “fornada”.
n - Número de peças produzidas por minuto.
CL - Custo da mão-de-obra por minuto.
Neste trabalho, a SM baseou-se no termo “mCm”. Através de várias solicitações
(fabricantes e distribuidores) e pesquisas (Apêndice C do Callister, 2001), conseguiu-se o
custo do componente em relação ao material usado (Tabela 8). Contudo, fica a ressalva de que
os valores recolhidos possam englobar alguns custos de transformação, e que se trata de uma
n
C
n
CmCCf Lc
m'
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97
média para essas várias fontes de informações de preços. Apenas numa encomenda a firmar
com certo fabricante ou distribuidor, seria acertada a cotação final.
Tabela 8 - Materiais candidatos e custo em matéria-prima
5.3.6 Os factores de importância
Adicionada a informação do preço às restantes propriedades dos materiais propostos,
devidamente expostos na Tabela 6 e, atendendo que a resistência mecânica é o requisito a
maximizar, reuniram-se as condições necessárias à construção do quadro representado na
Tabela 9. Esta Tabela representa os factores de importância de uma forma subjectiva, em
termos comparativos entre os requisitos.
Tabela 9 - Quadro de factores de importância
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98
A construção dessa Tabela 9 baseou-se nos seguintes aspectos:
Para cada coluna de relações deram-se as correspondentes importâncias, por
exemplo, em σf/H apontou-se 80% para a σf e 20% para H.
A coluna da importância resultou da divisão entre o menor e o maior valor em
cada razão das relações de importância.
A coluna da importância normalizada (relativa) resultou da divisão entre o valor da
importância de cada propriedade e da total.
5.3.7 Comparação entre os materiais
Nesta fase do estudo, tornou-se importante efectuar uma comparação entre os
materiais e, respondendo a esse objectivo, construiu-se o quadro representado na Tabela 10.
Tabela 10 - Quadro de comparação entre os materiais candidatos por propriedades a
maximizar e a minimizar
A construção da Tabela 10 atendeu ao seguinte:
Para cada propriedade e analisada a Tabela 6 e adicionados os preços encontrados
para os materiais, atribuiu-se o valor de uma unidade, ao material que responderá
em função do requisito do projecto, à maximização ou minimização e, aos
restantes a razão entre o valor da propriedade e o maximizado ou minimizado.
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99
5.3.8 Matriz de decisão - escolha do material
Depois de se quantificar a relação entre as propriedades dos materiais e os requisitos
exigidos pelo componente para a aplicação em causa, foi necessário criar uma matriz de
decisão (Tabela 11) de modo a se poder identificar o melhor material. Nesta matriz foram
introduzidos os factores ponderais determinados para a importância dos atributos e para os
valores das propriedades dos materiais em análise.
Tabela 11 - Matriz de decisão para os materiais candidatos
Para finalizar a SM, restou escolher os materiais. Essa escolha, além de usar a Tabela
11, também respeitou os requisitos impostos no inicio deste procedimento e outros aspectos
adjacentes de inegável importância.
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100
Atendendo aos requisitos iniciais, concluiu-se o seguinte:
Os materiais KETRON PEEK - 1000, TECHTRON HPV PPS e TERVID EP 155
F são extremamente onerosos (Tabela 8) e não atendem à condição inicialmente
imposta (preço <135,00 €).
Pela análise da Tabela 6, concluiu-se que o Nylon 6.6 não cumpriu as condições
para a resistência mecânica (≥ 75 MPa) e dureza (≥ 175 MPa).
Não obstante a liga de alumínio 380.0 apresentar um preço (140,60 €)
sensivelmente superior ao valor inicialmente imposto (< 135,00 € ), podia-se
considerá-la uma opção aceitável, já que através da Tabela 9 verificou-se que a
relação σf/€ apontou para uma maior importância da resistência mecânica (70%)
relativamente ao custo (30%) e após a análise do Gráfico 11, onde uma das
fundições indicada foi a injectada (alta pressão) o que é recomendável à liga 380.0.
Contudo, devido à presença significativa de ferro e às inclusões de óxidos e
eventuais vazios ou bolsas de ar, as peças produzidas por esse processo não devem
ser utilizadas, quando sujeitas a grandes esforços. Além disso, o custo das
ferramentas (cerca de 85 000,00 €) e equipamentos (cerca de 750 000,00 €) torna
proibitiva a sua aplicação em séries inferiores a 10 000 unidades (informação
técnica, amavelmente cedida por vários fornecedores de equipamentos da
especialidade).
Analisada a matriz de decisão e após as conclusões anteriores, constatou-se:
O melhor material é o Celeron.
Não obstante a escolha anterior, será viável o uso da liga de alumínio 356.0-T6.
Esta liga é recomendada para a fundição em molde de areia e este processo de
fabrico foi um dos candidatos após a consulta do Gráfico 11. Nesta ordem de
ideias, a liga reúne condições suficientes na aplicação ao componente (estrutura
principal da bicicleta estática) em estudo e projecto.
Este trabalho dá preferência aos materiais anteriores, mas na prática, com algumas
reservas, poder-se-á utilizar a liga de alumínio 380.0.
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101
5.4 Movimentos, restrições e cargas
Realizada a SM, utilizou-se o CosmosMotion de modo a verificar a boa funcionalidade
cinemática da bicicleta (Figura 42). Definiu-se um motor rotativo horário (100 RPM) no eixo
pedaleiro através da barra de ferramentas do MotionManager. Resultou, num movimento sem
qualquer interferência de todos os componentes constituintes e dependentes da transmissão
por corrente.
Figura 42 - Análise cinemática da estrutura da bicicleta estática com recurso ao
CosmosMotion
Em seguida usou-se o CosmosWorks de forma a realizar a análise estática da estrutura
principal, tendo por objectivo a confirmação ou verificação do dimensionamento prévio e a
resistência resultante da SM.
Para os dois principais materiais eleitos (termolaminado Celeron e liga de alumínio
356.0-T6), definiu-se um estudo estático de malha sólida na árvore do CosmosWorks
Manager e depois, acedeu-se à área de fontes dos materiais onde, os mesmos, foram
devidamente aplicados (Figura 43 e 44).
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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102
Figura 43 - Aplicação da liga de alumínio 356.0-T6, utilizando a biblioteca de materiais do
CosmosWorks
Figura 44 - Aplicação e definição do Celeron no CosmosWorks
Numa fase posterior, aplicaram-se os constrangimentos e os carregamentos de maneira
a definirem o ambiente de trabalho para as simulações do modelo.
Os constrangimentos estabilizam o modelo e neste caso foi seleccionado a restrição
Fixed (Figura 45), definida como um suporte rígido em que todos os graus de liberdade de
translação e rotação ficam constrangidos.
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103
Figura 45 - Apresentação das restrições à estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks
Para que houvesse alguma deformação no modelo, tornou-se necessário aplicar cargas
(Figura 46) onde algumas delas já foram especificadas no capítulo 4, sendo assumido que a
estrutura recebe maior carga quando o ginasta está sentado e que pequenas simplificações não
afectam a análise pretendida.
Figura 46 - Representação simplificada das cargas máximas aplicadas à estrutura da bicicleta
estática no CosmosWorks
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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104
Foram considerados alguns valores de base, máximos ou admissíveis: peso do ginasta
de 100 kg e da roda de balanço de 22 kg.
Para a carga e força de atrito, foi utilizado o método de cálculo exposto no item 4.3.2 e
as cotas apresentadas na Figura 47.
Figura 47 - Dimensões de referência da transmissão da bicicleta estática
Cálculo da força de atrito e carga em condições extremas:
Força máxima efectiva (a 90º) no pedal (para 60% do peso do ginasta) => 600 N.
Binário máximo na pedaleira: (600x0,175) => 105 Nm.
Binário máximo na roda de balanço, Equação 4.4 em ordem ao Mr e 95% de eficiência
na transmissão: [ (80x105x0,95) /210 ] => 38 Nm.
Força de atrito máxima, Equação 4.5 em ordem à Fa: (38/0,224) => 169,6 N.
Carga máxima, Equação 4.6 em ordem a C e μ = 0,175: (178,57/0,175) => 969,4 N.
Pelo exposto anteriormente, na árvore do CosmosWorks Manager, ao accionar o ícone
Load/Restraint seleccionaram-se e definiram-se as forças (Figura 48).
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105
Figura 48 - Distribuição das forças na estrutura da bicicleta estática no CosmosWorks
5.5 Estudo das tensões, deslocamentos e factores de segurança
O resultado da análise depende directamente dos constrangimentos e carregamentos.
Para se iniciar, houve necessidade de criar uma malha para a discretização do modelo, i.e., a
divisão do componente a estudar em elementos finitos.
No software definiu-se a densidade da malhagem, caracterizada pelo tamanho do
elemento e tolerância, tendo em consideração que quanto maior é a discretização mais elevada
a precisão dos resultados finais. Definidas as preferências e aplicado o controlo de malhagem
em algumas regiões, obteve-se o modelo discretizado (Figura 49), em que o número e
tamanho dos elementos garantiram a precisão necessária.
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106
Figura 49 - Discretização no CosmosWorks do modelo da estrutura da bicicleta estática
Depois de executado o cálculo, foram analisados os resultados respeitantes às tensões
e deslocamentos obtidos. A distribuição das tensões do modelo foi realizada segundo a teoria
de Von Mises: especifica que o trabalho mecânico realizado por uma determinada carga é
transformado em energia de deformação, induzindo uma alteração de volume e forma.
Analisada a escala de tensões e tendo em consideração a tensão de cedência dos
materiais especificados, concluiu-se facilmente que o modelo fabricado com a liga 356.0-T6
não tem problemas de resistência mecânica, já que as zonas de máxima tensão são inferiores à
tensão de cedência (Figura 50-a). Pelo contrário, o Celeron não tem resistência suficiente em
determinadas zonas (Figura 50-b e 51), carecendo de algumas mudanças dimensionais de
modo a poder ser utilizado com total segurança.
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107
Figura 50 - Distribuição de tensões no CosmosWorks para os materiais eleitos para a
estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio 356.0-T6 e b) Celeron
Figura 51 - Pormenor gráfico do CosmosWorks do valor das tensões na zona mais solicitada
da estrutura da bicicleta estática para o Celeron
A visualização e análise dos deslocamentos nodais da malha ao longo do modelo,
resultou na confirmação de que o maior deslocamento surge nas patilhas de fixação da roda de
balanço (Figura 52-a e b).
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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108
Figura 52 - Deslocamentos nodais no CosmosWorks para os materiais eleitos para a estrutura
da bicicleta estática: a) liga de alumínio 356.0-T6 e b) Celeron
Também foi possível realizar uma verificação do Factor de Segurança (FOS) em cada
nó, tendo por base critérios de falha (Figura 53-a e b).
Figura 53 - Factor de segurança no CosmosWorks para os materiais eleitos para a
estrutura da bicicleta estática: a) liga de alumínio 356.0-T6 e b) Celeron
_______________________________________________________V CAPÍTULO
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109
Analisada a distribuição do FOS para o componente, atendendo os dois materiais
eleitos, concluiu-se o seguinte:
A liga de alumínio 356.0-T6, ao apresentar um FOS mínimo igual a 3, reuniu boas
condições de resistência. De alguma forma, até conveio um valor superior à
unidade, já que esta estrutura está sujeita a cargas intermitentes e, por precaução,
poderá ter de resistir a cargas acidentais.
O termolaminado Celeron, apresentou um FOS mínimo de 0,84, inferior à unidade
em regiões limitadas e pequenas (Figura 54). A colocação de um reforço na parte
inferior das patilhas de fixação da roda de balanço, certamente evitará a
deformação plástica ou a provável rotura.
Figura 54 - Zona especificada de FOS (0,84 < FOS < 1) no CosmosWorks para o
Celeron como material da estrutura da bicicleta estática
Determinadas regiões apresentaram grandes valores de FOS, as quais poderiam
indicar procedimentos de economia do material, contudo, não se optou por essa
medida numa perspectiva de salvaguarda do design inicial e a possibilidade de se
aumentar o peso máximo recomendado por utilizador, i.e., acima dos 100 kg
conforme inicialmente se estipulou.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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110
5.6 Recomendações de detalhamento do projecto
5.6.1 Produção e montagem
O DFMA52
ajuda a tornar compatíveis os sistemas de produção e montagem, de modo a
reduzir os tempos e custos, sem perdas ao nível da qualidade. Para isso, deve-se atender a
alguns objectivos, nomeadamente:
Encontrar a melhor utilização, sem problemas, dos materiais e equipamentos de
produção e montagem.
Aumentar a simplicidade da produção e montagem.
Criar harmonia entre o projecto, SM e processos de produção.
Ao nível do projecto, recomenda-se:
Diminuição de partes constituintes.
Emprego de materiais acessíveis e fáceis de processar.
Evitar tolerâncias muito justas.
Redução de operações secundárias, por exemplo, acabamentos e inspecções.
Evitar arestas afiadas e dar prioridade a redondos.
Promover um projecto compatível com uma produção económica.
Contar com a cooperação dos colaboradores da produção.
Ao nível produtivo, recomenda-se:
A selecção da tecnologia e materiais devem ser adaptadas à estratégia do produto.
O fluxo produtivo, deve assegurar uma produção eficiente, flexível, sem
problemas e visando a melhoria contínua.
Deve-se promover a redução dos tempos e custos de produção e um aumento da
qualidade.
52 Design for Manufacturing and Assembly (Projecto para a Produção e Montagem).
_______________________________________________________V CAPÍTULO
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111
Quando surge o momento de aquisição dos equipamentos necessários ao fabrico de uma
bicicleta estática, muitos aspectos terão de ser considerados e ponderados, tendo normalmente
os seguintes objectivos:
Melhoria na qualidade obtida.
Maior rapidez na produção.
Aumento da produção do equipamento.
Redução dos custos da mão-de-obra.
Em suma: maior competitividade.
Quando a opção, passa pelo fabrico tradicional, baseado na construção soldada de perfis
tubulares, conseguem-se atingir bons níveis de eficiência se o investimento se focalizar nos
seguintes equipamentos:
Cortes de tubo a laser (Figura 55) - Com o laser podem-se obter furos e contornos
difíceis numa única operação, levando a custos operacionais substancialmente
baixos.
Figura 55 - Máquina de cortar tubo a laser (TRUMPF53
)
Furação e conformação térmica (Figura 56) - Combinando elevada rotação e
pressão consegue-se furar e extrudir materiais até 12 mm sem levantamento de
aparas, obtendo-se alta resistência mecânica a um custo reduzido. Numa fase
posterior, existe a possibilidade de abertura de roscas por conformação.
53 http://www.trumpf.com/en/products/laser-technology.html (consultado em 12 de Junho de 2010).
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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112
Figura 56 - Furação e conformação térmica (THERMDRILL54
)
Soldadura robotizada (Figura 57) - Através do design dos robôs mais recentes
consegue-se uma combinação e sincronia de movimentos, permitindo o
desenvolvimento de excelentes sistemas de soldadura num reduzido espaço, o que
permite melhorar a qualidade da produção através do aumento de competitividade
e ainda da qualidade final dos produtos. Além disso, pode conseguir-se assegurar
uma repetibilidade da qualidade, que mais dificilmente é garantido por um sistema
não automatizado.
Figura 57 - Soldadura robotizada (YASKAWA - Motoman®55)
Pintura robotizada (Figura 58) - A aplicação de tinta é realizada a elevada
velocidade e de uma forma consistente, fornecendo uma melhor qualidade de
pintura e consecutivamente uma poupança enorme e um ganho na competitividade.
54 http://www.thermdrill.cz/ (consultado em 13 de Junho de 2010).
55 http://www.motoman.es/ (consultado em 13 de Junho de 2010).
_______________________________________________________V CAPÍTULO
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113
Além destas vantagens, consegue-se anular os efeitos nefastos que os produtos
utilizados na pintura produzem no ser humano aquando da sua realização.
Figura 58 - Pintura robotizada (YASKAWA - Motoman®)
Quando o investimento envolve valores insuportáveis e de difícil amortização, a
subcontratação torna-se uma opção viável. Actualmente, a este nível, o mercado vem dando
respostas aceitáveis.
Se a opção a fabricar, resulta numa bicicleta semelhante à que este trabalho elegeu e
desenvolveu, certamente os equipamentos seriam menos onerosos e passariam pelas seguintes
recomendações:
Tendo por base a liga de alumínio 356.0-T6 (0,25% Cu, 0,32% Mg, 0,35% Mn,
7% Si, 0,6% Fe, 0,10% Zn)
Esta liga é indicada para a fundição em molde de areia ou molde permanente
(gravidade ou baixa pressão), mas a fundição em molde de areia (a verde ou
aglomerados com resinas ou silicatos) foi eleita após a selecção dos processos de
fabrico no item 5.3.4., apresentando as seguintes vantagens:
Indicada para séries menores e engloba menores custos.
As caixas de moldagem são reutilizáveis num curto espaço de tempo.
Boa estabilidade dimensional.
Baixa possibilidade de surgimento de fissuras.
Possibilidade de alguma automatização (Figura 59), inclusive a
utilização da robótica.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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114
Figura 59 - Automatização aplicada à fundição em moldes de areia
Por outro lado, o acabamento superficial não é dos melhores, requerendo algum
trabalho de acabamento final e posterior tratamento térmico.
Tendo por base o Celeron
Conforme já foi analisado, o Celeron é constituído por um termoendurecivel
(fenólico) combinando tecidos de algodão, e, normalmente, encontra-se no
mercado em forma de placas prontas a serem maquinadas. Contudo, não é racional
o uso da maquinação para o fabrico da estrutura da bicicleta estática.
Segundo Lesko (2004) os termoendureciveis eram, de certa forma, limitados à
moldagem por compressão, e a moldagem por injecção dos termoplásticos era
simples. Actualmente, ambos os polímeros permitem a moldagem por injecção.
Os componentes moldados são feitos combinando a resina com vários materiais de
enchimento que, por vezes, correspondem até 50 a 80% do peso total dos
componentes moldados. Os materiais de enchimento reduzem a retracção durante a
moldagem, diminuem o custo e aumentam a resistência mecânica.
Neste processo, utilizam-se máquinas em que o plástico liquefeito é alimentado
por um tambor aquecido, onde os grãos plásticos são misturados com aditivos e
forçados a entrar e preencher um molde aquecido, onde se dá a cura.
_______________________________________________________V CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
115
Deve-se considerar grandes quantidades a fabricar, de modo a amortizar o
equipamento, já que o custo das ferramentas e máquina (Figura 60) é elevado.
Figura 60 - Equipamento para injecção de polímeros (ARBURG56
)
Ao nível da montagem do produto, recomenda-se:
Seja facilmente montável e, de preferência só de um lado e de forma automática.
Produção em série.
Sejam mínimos o gasto de tempo e o emprego de ferramentas.
Clareza na sequência das montagens (a análise da desmontagem é muito útil).
Envolver todas as operações do processo (armazenagem e ordenamento,
manuseamento, ajustamento através de tolerâncias adequadas, posicionamento
orientado e alinhado, garantia de auto-posicionamento, controlo, etc.).
A eficácia na montagem consegue-se através da utilização de uma linha em formato
circular constituída por um carril com suportes giratórios (Figura 61), onde as bicicletas são
sucessivamente montadas por diversos operadores, colocados em posições estratégicas e com
funções específicas. Os componentes necessários em cada fase da montagem são dispostos de
modo a facilitar o seu acesso.
56 http://www.arburg.com/com/COM/en/index.jsp (consultado em 13 de Junho de 2010).
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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116
Figura 61 - Esquema de suporte de apoio em linha de montagem da bicicleta estática
A montagem poderá ser ainda mais optimizada, recorrendo aos robôs (Figura 62). Estes
fazem com que o processo se desenvolva mais rapidamente, de uma forma eficiente e com
maior precisão do que qualquer outra solução convencional. Permitem eliminar funções
aborrecidas para os funcionários e um significativo aumento de produção e qualidade. A sua
utilização diminui o tempo de paragem, reduz os custos de produção e permite um elevado
retorno do seu investimento.
Figura 62 - Aplicação da robótica à operação de montagem (YASKAWA - Motoman®)
_______________________________________________________V CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
117
5.6.2 Mantenabilidade
Identificados no capítulo 4 os problemas que requerem excessiva manutenção nas
bicicletas estáticas, e, entre os apresentados, o aspecto da corrosão originada pelo suor, uma
das efectivas preocupações das instituições inquiridas, tornou-se premente implantar acções
para a operacionalidade efectiva do equipamento em projecto. Nesse sentido, foram encetadas
parcerias de trabalho experimental com organizações que se dispuseram a colaborar na busca
de soluções preventivas da corrosão.
A melhoria das propriedades anticorrosivas dos equipamentos não depende só da tinta
aplicada, mas sim de todo o esquema usado. Existem três intervenientes nesse processo:
Material estrutural de base.
Pré-tratamento.
Esquema de pintura.
O material de base, sendo um não ferroso como o caso do alumínio, pelas suas
intrínsecas características, e, caso necessário ou por algum acréscimo, se for aplicado um
adequado pré-tratamento, certamente que se garantirá uma duradoura resistência à corrosão.
Se por motivos económicos ou técnicos for utilizado um material de base ferrosa, como
o caso do aço macio, o pré-tratamento terá por certo um papel decisivo no resultado final.
Poderá ser necessário usar a fosfatação cristalina, um primário de zinco ou a galvanização.
Relativamente à pintura há que ter em conta dois aspectos:
A resistência química poderá diminuir dado o agente agressor e tendo em conta
que, por imposições decorativas, o uso de pigmentos metálicos é frequente.
Especial atenção a dar à espessura de tinta nomeadamente nas zonas mais sensíveis
como as arestas e soldaduras, para que a protecção seja eficiente. O uso de verniz
como camada adicional poderá garantir as espessuras mínimas necessárias.
Para tal foi realizado um ensaio em câmara de nevoeiro salino a algumas amostras, de
modo a confirmar algumas hipóteses enunciadas e tirar algumas conclusões definitivas
relativamente ao material e acabamento superficial. Estes elementos terão de ser capazes de
resistir à corrosão, induzida pela presença dos agentes corrosivos presentes numa sessão de
Spinning, e, desta forma, garantir a mantenabilidade das bicicletas estáticas.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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118
Foram seleccionadas para o ensaio, quatro amostras com as seguintes características:
Três tubos ovais com costura, 40x20x1,5, em aço St.1203, com cerca de 295 mm
de comprimento.
Um perfil de secção especial, em liga de alumínio 6060, com cerca de 425 mm de
comprimento.
A Tabela 12 apresenta os pré-tratamentos e pinturas57
aplicadas sobre as amostras.
Tabela 12 - Pré-tratamentos e pinturas das amostras para os ensaios de nevoeiro salino
57 Os pré-tratamentos e pinturas tiveram a amável colaboração da Mafirol - Industria Equipamentos S. A. e de outros que a seu pedido não são aqui nomeados.
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119
Em parceria com uma entidade acreditada58
, foram colocadas as amostras em ensaio de
nevoeiro salino neutro59
a 500 horas segundo a norma EN ISO 9227. Segundo esta norma os
provetes foram sujeitos a uma atmosfera salina (solução electrolítica constituída por uma
percentagem de NaCl; cerca de 5 %) e a uma temperatura de 35 ºC. No final apresentaram
diferentes aspectos (Figura 63) e obteve-se uma avaliação a partir da norma NP EN ISO 4628-
860
(Tabela 13).
Figura 63 - Amostras após os ensaios de nevoeiro salino neutro por 500 horas
58 Teve a amável colaboração da Mafirol - Industria de Equipamentos S.A.
59 Em termos do PH da solução.
60 Área corroída (%) sobre a superfície pintada - escala usada segundo a NP EN ISO 4628-8: Ri0 – 0/Ri1 – 0,05/Ri2 – 0,5/Ri3 – 1/Ri4 – 8/Ri5 – 40 a 50.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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120
Tabela 13 - Avaliação das amostras após os ensaios de nevoeiro salino segundo a norma NP
EN ISO 4628-8
Os resultados do ensaio são avaliados em função da evolução da corrosão, quer na
incisão (ou corte) que se realiza previamente ao inicio do ensaio, quer no resto da superfície
da peça, e pelo empolamento da pintura. O resultado que se pretende é que não haja
aparecimento de corrosão, o que é representado por "0" (na Tabela 13).
Dos vários parâmetros analisados, o que é mais valorizado, por ser o mais agressivo,
uma vez que rompe toda a pintura e tratamento até ao substrato, é a corrosão na incisão, e é
medido através da distância provocada pela corrosão em relação ao corte inicial. O resultado é
aceitável até 2 mm de afastamento. Como é óbvio, quanto menor o valor melhor é o resultado.
Um ensaio de 500 horas é já bastante agressivo para uma fosfatação amorfa e pintura a
pó poliéster, pelo que o resultado obtido apresentou-se dentro do esperado. Seria interessante
ter continuado o ensaio e verificar como evoluiria a corrosão. Habitualmente acima das 500
horas a corrosão evolui exponencialmente. Da experiência de outras situações semelhantes, a
peça 3 (fosfato amorfo+pó poliéster) com mais 50 a 100 horas apresentaria uma corrosão de 3
a 4 mm, a peça 2 (fosfato zinco+cataforese+pó poliéster) aguentaria mais 200 a 250 horas e o
alumínio ultrapassaria certamente as 2000 horas. Apesar de não ser habitual, pelo tempo que
demora, há registo de peças de alumínio com 4000 horas sem qualquer corrosão (informação
amavelmente cedida pelo responsável da Chemetall S.A. - Sucursal em Portugal).
Facilmente se depreendeu do ensaio anterior e do conhecimento de outras experiências,
que para haver um afastamento do problema da corrosão provocada pelo suor nas estruturas
das bicicletas estáticas aplicadas à modalidade do Spinning, deve-se atender ao seguinte, em
função do material de base e do acabamento superficial:
Metal ferroso, o aço, com a aplicação de fosfato de zinco, cataforese e pó poliéster
(peça 2), apresentará uma resistência à corrosão superior a um acabamento à base
de fosfato amorfo e poliéster (peça 3). Este aspecto justifica nitidamente o
_______________________________________________________V CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
121
problema da corrosão apresentado pelos ginásios, já que a maioria das bicicletas
estáticas apresentam no seu acabamento superficial, um idêntico ao que foi dado à
peça 3.
Metal não ferroso, o alumínio e suas ligas, com um acabamento de conversão
isenta de crómio e pó poliéster, tem excelente resistência à corrosão e apresenta-se
nitidamente como uma óptima alternativa ao fabrico das estruturas para as
bicicletas estáticas.
5.6.3 Confiabilidade
Confiabilidade corresponde à probabilidade de um produto atender satisfatoriamente a
condições operativas específicas, num determinado período de tempo.
Segundo Ganhão e Pereira (1992), o FMEA ou AMFEC61
é extremamente útil e
recomenda-se na análise do projecto ou processo de fabrico de um produto. É uma técnica
analítica que procura identificar e avaliar os modos e as causas potenciais de falha associadas,
bem como as acções correctivas que as anulam ou atenuam, ou seja, avalia o nível de
confiabilidade.
O FMEA envolve uma equipa multifuncional e tem como ponto de partida o
organograma do produto ou o fluxograma dum processo, consoante seja aplicado a um
produto ou a um processo.
O FMEA de projecto de um produto enquadra-se melhor aos intentos deste trabalho, já
que se trata de um documento vivo que deverá ser realizado antes da elaboração dos processos
de fabrico e montagem.
61 Análise dos Modos de Falha, seus Efeitos e Criticidade.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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122
Apesar de não depender dos controlos do processo de fabrico, leva em consideração
limitações técnicas62
, tais como:
Dificuldades nos acabamentos de superfície.
Necessidades de ângulos de saída.
Acessos para as ferramentas.
Espaço de montagem e desmontagem.
Capacidades do processo de fabrico.
Aplicando a análise FMEA ao projecto em estudo, identificam-se e descrevem-se os
seguintes dez passos:
1. Definição do projecto do produto, o item a analisar, suas funções e identificar
os modos potenciais de falha
Este trabalho aborda o projecto de uma bicicleta estática, onde a sua estrutura principal
é o componente a desenvolver e analisar ao pormenor. A definição das funções a que o
item terá de atender no projecto (para que serve?), incluindo informações acerca do
ambiente em que vai operar (em que condições vai trabalhar?), resulta no seguinte:
Resistir ao alto teor de suor.
Resistir de forma a manter a estabilidade.
Agradável.
Ancoragem dos outros componentes do projecto.
Modos potenciais de falha do componente ao atender ao objectivo do projecto:
Corrosão geral.
Fissuras e deformações.
Folgas excessivas.
62 As limitações técnicas no processo de fabrico (FMEA de processo) podem induzir modos potenciais de falha que deverão ser atendidos na fase de projecto (FMEA de projecto).
_______________________________________________________V CAPÍTULO
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123
2. Identificação dos efeitos potenciais de falha
Supondo que haja falha, é importante saber que implicações esta situação trás para o
cliente (ou até mesmo para o directo utilizador). Para o caso em estudo, poderá ser:
Má aparência.
Inoperância.
Pouca aceitação.
Desgaste prematuro.
3. Determinação da gravidade dos efeitos
A gravidade (Tabela 14) resulta do efeito de potencial falha perante o cliente. Só
poderá ser reduzido o seu grau através da modificação do projecto.
Tabela 14 - Critério de avaliação da gravidade por efeito de potencial falha perante o cliente
4. Identificação das causas potenciais de falha
As causas (Tabela 15) correspondem a deficiências de projecto que poderão originar a
falha. Para cada tipo de falha lista-se todas a causas possíveis de modo a permitir
acções correctivas.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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124
Tabela 15 - Falhas e causas potenciais do projecto em estudo
5. Determinação da frequência a que ocorre cada causa
Neste ponto, estima-se a probabilidade (Tabela 16) da causa em questão ocorrer e
ocasionar o tipo de falha considerado, e esta análise é baseada nos seguintes aspectos:
Dados estatísticos ou relatórios de falhas (importante neste trabalho).
Dados obtidos em literatura específica (fontes basilares).
Dados de fornecedores e/ou clientes (relevante neste trabalho).
Tabela 16 - Critério de avaliação da frequência com que ocorrem as causas
_______________________________________________________V CAPÍTULO
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125
6. Identificação dos controlos que podem evitar ou detectar os modos de falha
É importante registar as medidas de controlo recomendáveis durante o projecto, tais
como: ensaios, estudos, testes, inspecções, etc..
7. Determinação da probabilidade dos controlos não serem bem sucedidos e
calcular a prioridade de actuação
Aqui avalia-se a probabilidade da falha ser detectada (Tabela 17) antes de se iniciar o
fabrico do produto.
Tabela 17 - Critério de detecção da falha antes de se iniciar o fabrico do produto
8. Definição as acções correctivas recomendadas
Quando os modos de falha estiverem ordenados pelo factor de prioridade (é o produto,
P, de três índices definidos anteriormente, interessando reduzir qualquer um deles -
gravidade, G, frequência, F, e detectabilidade, D), deverão ser definidas acções
correctivas, dirigidas em primeiro lugar para as falhas de maior prioridade.
9. Descrição das acções efectivamente tomadas
Depois da implementação das acções, há que descrevê-la acompanhada da data de
realização.
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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126
10. Cálculo da nova prioridade
Após a definição da acção correctiva, deve-se estimar os novos índices (G, F e D) e
calcular a nova prioridade que deverá ser menor que a calculada antes da
implementação das acções correctivas.
Esta análise é basicamente dedutiva, não necessitando de cálculos muito sofisticados,
sendo os resultados, registados em formulário apropriado (Tabela 18).
Tabela 18 - Exemplo prático, AMFEC do projecto
_______________________________________________________V CAPÍTULO
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127
5.6.4 Ergonomia, estética e meio ambiente
Para que um projecto seja uma boa solução ergonómica, deve contemplar para os
utilizadores actividades favoráveis e seguras ao nível das suas posições, posturas e forças.
Dentro de vários aspectos importantes da ergonomia, o que sobressai em termos de
importância a este trabalho, e conforme já foi referido no item 5.2, relaciona-se com as
características anatómicas, antropométricas, fisiológicas e biomecânicas do ser humano e
como elas se relacionam com as actividades físicas desenvolvidas no equipamento em estudo
e análise neste projecto.
No mercado já existem alguns softwares que auxiliam a análise ergonómica dos
projectos. Entre eles, o AnyBody™ é bastante recomendável. Permite a modelagem da
mecânica do corpo humano, calcula as forças nos músculos, energia elástica nos tendões,
metabolismo e muitas outras propriedades físicas do corpo humano (AnyBody™, 2007).
Consegue-se obter dimensões optimizadas para a bicicleta em função do ginasta e que
minimizem a fadiga muscular. Por exemplo, através de um modelo pode-se calcular e
optimizar a posição do selim em termos da altura de modo a reduzir o metabolismo e
visualizar gradualmente os resultados numa janela (Figura 64).
Figura 64 - Software de apoio à optimização ergonómica numa bicicleta, relacionando a
altura do selim com o metabolismo (AnyBody™, 2007)
V CAPÍTULO_______________________________________________________
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128
Um projecto além de responder as necessidades funcionais, deverá atender a estética
expressiva, ou seja, estabelecer melhorias na aparência relativamente à concorrência, tendo
por base decisões ao nível dos materiais, acabamentos e processos de produção. Deve-se
evidenciar ao máximo os atributos de aparência sem incrementar os custos, nomeadamente:
Tentar usar o efeito e acabamento natural do material.
Evitar expor elementos de fixação e quando necessário, normalizá-los de modo a
criar maior harmonia.
Responder às necessidades normativas, ergonómicas e modas.
Inovar ao nível dos materiais e produção.
Realçar a utilidade.
Ajustar as dimensões de modo a encontrar um equilíbrio entre as partes
conformadas.
Estes aspectos influenciaram decisões no desenvolvimento da bicicleta deste projecto,
desde logo, por uma opção em detrimento da tradicionalmente fabricada com base na
construção soldada.
Relativamente ao meio ambiente, segundo Kutz (2007), o DFE é uma perspectiva de
engenharia envolta numa tendência de protecção do ambiente, que deverá ser aplicada desde
as primeiras fases do projecto dos produtos, de modo a alcançar os seguintes objectivos:
Reduzir o desperdício.
Utilizar materiais correctos e não tóxicos.
Melhorar a desmontagem e o reaproveitamento.
Reduzir os custos.
Economizar os recursos naturais e a energia.
Utilizar materiais recicláveis.
Grandes empresas têm utilizado o DFE no projecto dos seus produtos e processos que
facilitem e retorno do produto para a empresa, bem como a sua desmontagem para posterior
reaproveitamento e reciclagem. A prática do DFE tem levado à diminuição dos custos, a
melhorias funcionais e elevados níveis de qualidade. Em concreto para materiais apontados
neste projecto como os potenciais para a estrutura principal da bicicleta estática, o Celeron
tem por base um termoendurecivel, o que o torna não reciclável. Nesta ordem de ideias, a liga
de alumínio 356.0-T6 responde melhor às gerais exigências ambientais.
______________________________________________________VI CAPÍTULO
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129
6 Conclusões e trabalho futuro
6.1 O estudo da arte
Foi registado o estado actual do conhecimento respeitante ao tema, e que, servindo de
alicerce teórico a esta dissertação, simultaneamente suscitou desenvolvimentos associados e
que se tornaram uma mais-valia à concepção inerente a este projecto, o estudo e
dimensionamento de um equipamento de ginástica - bicicleta estática. A simultânea
compilação de registos bibliográficos e de inquéritos e entrevistas no sector, esta última
pesquisa já com alguma índole teórico-prática e aqui tida como um original registo
bibliográfico no âmbito do assunto, assumem-se como uma eficiente contribuição à
investigação e desenvolvimento do tema, sobretudo no nosso País.
Levando em conta o que foi observado, percebeu-se que existe uma elevada carência
de dados relativos ao domínio das bicicletas estáticas. Tornou-se claro, inclusive, que é
imprescindível apostar em alguma formação dos colaboradores e/ou detentores dos ginásios,
bem como promover uma melhor funcionalidade das comissões técnicas nacionais de
tradução das normas internacionais respeitantes à especialidade.
Por outro lado, entende-se que ficou demonstrado a disponibilidade de óptimas
ferramentas e equipamentos para auxílio ao engenheiro, tanto na fase da concepção como na
de produção, que, cada vez mais, requerem perspicácia e astúcia de modo a se manter as
organizações na vanguarda perante a sua mais directa concorrência.
Com o estudo bibliográfico e por pesquisa de normas e ferramentas, concluiu-se que
há vários aspectos a melhorar neste campo, bem como formas de o fazer, nomeadamente,
aumentar a resistência à corrosão, promover a integração de novos materiais e de novas
tecnologias de fabrico, incentivando designs inovadores e económicos, e facilitando o
processo da manutenção.
VI CAPÍTULO______________________________________________________
_________________________________________________________________________________
130
6.2 O desenvolvimento prático do projecto
Concebeu-se uma bicicleta estática apropriada à modalidade do Spinning, com base
numa selecção de materiais, por validação de dimensionamento por simulação computacional
e com ferramentas de optimização e detalhamento do projecto e da sua produção e montagem.
Lamentavelmente, excelentes materiais candidatos, aqui escolhidos por aplicação de
critérios e métodos técnico-científicos internacionalmente reconhecidos, como alguns
polímeros de engenharia, terão de esperar até que detenham preços mais acessíveis para
também poderem ser aplicados com sucesso nesta indústria e sector comercial.
Acredita-se na utilidade deste trabalho para a indústria do sector, sobretudo a
Portuguesa, que ainda continua a privilegiar a construção soldada. Entendeu-se que seria
vantajoso apostar em processos produtivos inovadores, favorecendo a injecção ou fundição,
concluindo-se que o alumínio, nomeadamente as ligas, 380.0 para injecção (com algumas
reservas) e a 356.0-T6 para fundição em molde de areia, seria um excelente e inovador
material para o quadro ou estrutura principal da bicicleta estática.
Mais se concluiu que o alumínio e suas ligas, com um acabamento de conversão isenta
de crómio e pó poliéster, tem excelente resistência à corrosão, provocada, essencialmente,
pela transpiração humana dos utilizadores, apresentando-se, nitidamente, como uma óptima
forma de acabamento superficial das estruturas das bicicletas estáticas.
É apresentado um plano geral de produção e montagem, sendo que os componentes
acessórios da bicicleta estática para além do quadro são estudados em anexos, por projectos
tidos como paralelos. Neste mesmo tema é concretizado um respeitante exemplo prático de
confiabilidade por análise dos modos de falha, seus efeitos e criticidade, e são vistas questões
ergonomicas, de estética e de meio ambiente. As mesmas culminam com a conclusão da
melhor resposta às gerais exigências ambientais pelas ligas de alumínio, nomeadamente a
356.0-T6, face ao referido compósito Celeron ou outros polímeros de engenharia alternativos.
______________________________________________________VI CAPÍTULO
__________________________________________________________________________________
131
6.3 Directrizes para trabalho futuro no tema
Dado o exposto nesta dissertação, como possíveis trabalhos futuros, apontam-se,
sobretudo, os seguintes:
Notou-se alguma carência de informação experimentada relativamente à
distribuição do peso do ginasta pela bicicleta estática. Nesse sentido seria útil
proceder-se à análise, por exemplo com extensómetria, de um protótipo em
laboratório, sendo o seu fabrico e experimentação primordiais desafios futuros.
Já ao nível da estrutura principal e de componentes acessórios, fica como principal
proposta de desenvolvimento e inovação a substituição da corrente de transmissão
de força ao volante por um veio, aligeirando-se todo o conjunto.
A bicicleta abordada neste estudo, assim como a maioria das existentes no
mercado, não reflectem da melhor maneira a prática do ciclismo em rua, visto que
não permitem simular as curvas tais quais como elas são na realidade. Nesta ordem
de ideias seria muito interessante desenvolver uma bicicleta que permitisse uma
oscilação que acompanha-se o plano sagital do utilizador. O mercado já utiliza
sistemas hidráulicos e existe um estudo patenteado baseado numa barra de torção
(Pinzon, 2010). Em termos de investigação e inovação, utilizando o poder elástico
de alguns materiais, ainda muito haverá por apresentar e desenvolver no futuro.
Nesse sentido e pensando adiantar essa possibilidade, já teve-se o cuidado de
apresentar nesta dissertação um estudo de um caso para um IE respeitante a uma
barra sujeita a um esforço de torção.
Convém diversificar e alargar o público-alvo dos inquéritos e entrevistas
realizados ao sector e aos seus profissionais, colaboradores e utilizadores, bem
como dar a melhor validação técnico-científica aquando da sua realização e
tratamento dos dados. Em complemento, e na crescente utilização destes
equipamentos no apoio ao diagnóstico, ao prognóstico ou ao tratamento, necessária
se torna a envolvência de profissionais de reabilitação e de saúde.
Ser o suor o principal agente corrosivo do equipamento, suscitou muita
controversa durante a investigação e estudo, e neste sentido seria importante
desenvolver uma análise pormenorizada dessa causa. Nesta matéria, sugere-se um
ensaio de nevoeiro salino a, pelo menos, 1000 horas, com várias amostras de
VI CAPÍTULO______________________________________________________
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132
materiais e acabamentos superficiais, já que aquele que foi realizado por 500 horas
se revelou algo inconclusivo. Quanto à utilização nestes equipamentos dos
compósitos termolaminados, e particularmente do Celeron, sobretudo para a sua
estrutura principal, além do necessário desenvolvimento e aplicação de tecnologia
de respectivo fabrico, a moldagem por injecção, contornando a inviável
maquinação de placas em bruto, ficam também como tarefas futuras os similares
ensaios de simulação em serviço, como os de nevoeiro salino, a esses materiais.
Este trabalho elegeu a estrutura principal da bicicleta, como o elemento a estudar
em termos de SM e em termos de simulação. Apesar de se entender que a maior
estabilidade da bicicleta parte da sua estrutura principal, no entanto será importante
o estudo detalhado e optimização dos outros componentes, atendendo a uma
distribuição de esforços mais rigorosa. Nesse sentido, desde já, esta dissertação
teve uma colaboração (Anexo 8.2 - apresenta o resumo do estudo reportado a um
CD, que fará parte integrante desta dissertação), que será por certo um excelente
ponto de partida a um trabalho futuro.
O Spinning é uma modalidade que exercita fundamentalmente os membros
inferiores e mais recentemente surgiu o Kranking que exercita os membros
superiores. Desta forma percebe-se que seria muito vantajoso o desenvolvimento
de um equipamento que conjuga-se essas duas modalidades (Talvez se pudesse
chamar: SpinKran…)
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_____________________________________________________VIII CAPÍTULO
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139
8 Anexos
8.1 Desenho técnico do conjunto
Figura 65 - Desenho técnico do projecto em estudo
VIII CAPÍTULO_____________________________________________________
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140
8.2 Estudo por elementos finitos de uma bicicleta de Spinning
Este Anexo reporta a um CD que engloba um trabalho, desenvolvido por alunos
(Ricardo Barros e Ricardo Pinto, 2010) ao abrigo do seu processo de avaliação e, teve por
base o equipamento em estudo e projecto nesta dissertação. Será certamente uma boa
ferramenta de complemento e de inspiração a futuros trabalhos de investigação. Apresenta-se,
desde já, o seu resumo:
“Neste trabalho é realizado o estudo estrutural por elementos
finitos dos diversos componentes mecânicos de uma Bicicleta Estática,
também dita Bicicleta de Spinning ou Bicicleta de Indoor Cycle,
trabalho que surgiu no âmbito da disciplina de Cálculo Automático de
Sistemas Mecânicos do Mestrado em Equipamentos e Sistemas
Mecânicos do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto
Superior de Engenharia de Coimbra.
A bicicleta já se apresentava pré-concebida, sendo-nos
fornecido o seu respectivo projecto detalhado, contendo os desenhos
tridimensionais de partida para o referido estudo, quer da estrutura
principal quer dos vários componentes de que é constituída. Desta
forma e ao longo deste relatório irão ser descritos todos os passos que
foram necessários realizar para o ensaio estático desses componentes
ou acessórios deste equipamento mecânico.”
