Mecanismos de Movimento Intermitente: Teoria e Aplicações

211 MOVIMENTO INTERMITENTE O movimento intermitente é uma sequência de movimentos e tempos de espera Um tempo de espera é um período no qual o elo de saída se mantém em estado estacionário enquanto o elo de entrada continua se movendo Existem muitas aplicações em maquinária que exigem movimento intermitente A variação came seguindo os mecanismos de quatro barras como mostrado na Figura 212c é usada nessas situações O projeto desse dispositivo para saída intermitente e saída contínua será discutido detalhadamente no Capítulo 8 Outros mecanismos com tempo de espera serão discutidos no próximo capítulo MECANISMO DE GENEBRA Uma forma comum de dispositivo de movimento intermitente é o mecanismo de Genebra mostrado na Figura 214a Esse também é um mecanismo de quatro barras transformado no qual o acoplador foi substituído por uma meia junta A manivela de entrada elo 2 é tipicamente um motor com velocidade constante A roda de Genebra é feita com pelo menos três aberturas radiiais equidistantess A manivela tem um pino que entra em uma das fendas radiiais e faz com que a roda de Genebra vire durante um trecho de uma revolução Quando o pino deixa o canal a roda de Genebra se mantém parada até o pino entre no próximo canal O resultado é a rotação intermitente da roda de Genebra A manivela também possui um segmento de arco que cria um desenho harmonioso para se encaixar na periferia da roda de Genebra quando o pino está fora do canal Isso mantém a roda de Genebra poranda no canal apropriado para a entrada do próximo pino O número de canais determina o número de paradas do mecanismo sendo que parar é sinônimo de tempo perdido enquanto o número de pinos faz parar duas vezes O número de pinos é também um fator de projeto do tamanho da roda CATRACA E LINGUETA A Figura 214b mostra um mecanismo de catraca e lingueta O braço gira ao redor do centro da roda de catraca dentada e é movido de um lado para o outro pelo retroceder A lingueta do braço de catraca ou catraca no sentido antihorário e não faz nada no retorno sentido horário A lingueta de travamento evita que a catraca inverta a direção quando a lingueta direcionadora retorna Ambas as linguetas são carregadas por mola contra a catraca Esse mecanismo é amplamente utilizado em dispositivos como chaves de catraca manivelas de catraca etc MECANISMO LINEAR DE GENEBRA Existe também uma variação do mecanismo de Genebra que tem saída linear de translação como mostrado na Figura 214c Esse mecanismo é análogo a uma forquilha escorregada aberta com múltiplas forquilhas Ele pode ser usado como um transportador intermitente de passeio com os canais dispostos ao longo da cadeira do transformador Também pode ser usado como um motor de inversão para obter oscilação de inversão linear de uma saída deslante com um único canal 212 INVERSÃO Agora deve estar mais claro que existem muitos mecanismos possíveis para qualquer situação Mesmo com a limitação imposta ao exemplo do número de sinstes um GDL oito elos de ordem hexagonal existem oito combinações de mecanismo mostradas na Tabela 22 e tudo isso junto rende 19 isômeros válidos como mostrado na Tabela 23 Além disso podemos introduzir outro fator chamado de inversão do mecanismo Uma inversão é criada pelo fato de aterrar um elo diferente na cadeia cinemática Assim existem tantas inversões quanto o número de elos existentes no mecanismo CINEMÁTICA E DINÂMICA DOS MECANISMOS CAPÍTULO 2 Roda de Genebra Lingüeta de condução Lingüeta de travamento Braço S ω saída Lingüeta de travamento mola ω entrada ω saída Lingüeta de condução Braço Catraca e mecanismo de lingueta ω entrada ω saída Arco Mecanismo de Genebra de quatro paradas a Catraca e mecanismo de lingueta b c Mecanismo de Genebra de movimento intermitente linear Guia v saída Manivela ω entrada FIGURA 215 Quatro inversões distintas do mecanismo de quatro barras bielamanivela cada conexão preta é estacionária e todas as conexões coloridas se movimentam Os movimentos resultantes de cada inversão podem ser bastante diferentes mas algumas inversões de uma ligação podem produzir movimentos semelhantes a outras inversões da mesma ligação Nesses casos só algumas inversões poderão ter movimentos bastante diferentes Denotaremos as inversões que têm movimentos distintamente diferentes como inversões distintas A Figura 215 mostra as quatro inversões da ligação do mecanismo de quatro barras bielamanivela todas dotadas de movimentos distintos A inversão 1 com a conexão 1 como fixa e com o bloco móvel em pura translação é a mais comumente vista e é usada para motores e bombas a pistão A inversão 2 é obtida fixando a conexão 2 resultando no mecanismo de retorno rápido Withworth ou manivela formador no qual o bloco móvel tem um movimento complexo Mecanismos de retorno rápido serão analisados no próximo capítulo A inversão 3 é obtida fixando a conexão 3 onde o bloco móvel realiza rotação pura A inversão 4 é obtida fixando a conexão 4 e é usada em operações manuais mecanismos de bombeamento de poço nos quais a manivela é a conexão 2 estendida e a conexão 1 passa pelo cano do poço para acionar o pistão no fundo este invertido na figura A cadeia de seis barras de Watt tem duas inversões distintas e a de Stephenson tem três inversões distintas como mostradas nas Figuras 216 A junta pinçada de quatro barras tem quatro configurações distintas a manivela seguidora a dupla manivela o duplo seguidor e o triplo seguidor assim como mostradas nas figuras 217 e 218 213 A CONDIÇÃO DE GRASHOF O mecanismo de quatro barras com junta pinça que foi mostrado acima é o mais simples possível para movimentos de um grau de liberdade Ele aparece também em outras variáveis como os da bielamanivela e o came seguidor É na verdade o dispositivo mais comum e usual em mecanismos Ele é também extremamente versátil em termos de tipos de movimento que pode gerar CINEMÁTICA E DINÂMICA DOS MECANISMOS CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DA CINEMÁTICA CINEMÁTICA E DINÂMICA DOS MECANISMOS CAPÍTULO 2 FIGURA 219 Algumas formas de montagem do caso especial de Grashof Classificação dos mecanismos de quatro barras Tabela 24 Classificação completa de Barker para mecanismos planos de quatro barras Se L S P Q então os elos podem ser montados porém não se moverão portanto essa condição determina o critério para separar as regiões de não mobilidade das regiões que permitem mobilidade dentro do espaçosolução Aplicando esse critério em função das três razões dos elos definemse quatro planos de mobilidade zero que determinam os limites do espaçosolução a Mecanismo de cinco barras 2 GDL b Mecanismo engrenado de cinco barras 1 GDL Rotacionalidade é a habilidade de pelo menos um dos elos da cadeia cinemática conseguir completar uma revolução em relação aos outros elos e define a cadeia como Classe I II ou III A capacidade de revolução de qualquer elo Li é definida como a habilidade de rotacionar completamente em relação aos outros elos da cadeia e isso pode ser determinado por Li Lv k1N1 Lk Se Li for um elo revolucionável qualquer elo que não for maior que Li também será revolucionável Teoremas e corolários adicionais a respeito dos limites de movimentação dos elos podem ser encontrados nas referências 12 e 13 Por razões de espaço não foi possível colocálos aqui Note que as regras em relação ao comportamento dos mecanismos engrenados de cinco e quatro barras lei de Grashof apresentados anteriormente são compatíveis e estão contidas nos teoremas gerais de rotacionabilidade O arco e a corda compreendem duas partes mas um mecanismo puramente flexível consiste em um único elo no qual a forma é cuidadosamente projetada para apresentar regiões flexíveis que funcionam como falsas juntas Provavelmente o exemplo disponível mais comum de um mecanismo flexível é a famosa caixa de ferramentas com uma dobradura viva mostrada na Figura 223 Esse é um mecanismo de dois elos a caixa e a tampa com uma fina seção de material conectando os dois Alguns termoplásticos como o polipropileno permitem a fabricação de seções finas que são dobradas repetidamente sem romper Quando a parte é removida do molde ainda quente a dobradura deve ser dobrada uma vez para alinhar os moléculas do material Uma vez resfriada ela pode resistir a milhões de ciclos abrefecha sem rasgar A Figura 224 mostra um protótipo de um interruptor mecânico de quatro barras feito de uma peça de plástico que funciona como um mecanismo flexível Ele se movimenta entre as posições de ligado e desligado por meio da flexão da seção fina de dobradura que funciona como uma falsa junta entre os elos O estudo de caso discutido no Capítulo 1 descreve o projeto de um mecanismo flexível que também é mostrado na Figura 613 Esses exemplos mostram algumas vantagens dos mecanismos elásticos sobre os convencionais Nenhuma operação de montagem é necessária O efeito de mola necessária é inserido pelo controle da geometria em áreas localizadas O componente está pronto para uso assim que sai do molde Todas essas características reduzem o custo Os mecanismos elásticos têm sido usados há muitos anos arco e flecha cortador de unha clipes por exemplo mas novas aplicações foram descobertas no século XX em parte devido à disponibilidade de novos materiais e modernos processos de manufatura Algumas de suas vantagens sobre mecanismos convencionais são a redução do número de partes a eliminação de folgas de juntas o carregamento de mola inerente e a redução potencial de custo peso desgaste e manutenção se comparados aos mecanismos convencionais Eles são entretanto mais difíceis de serem projetados e analisados devido às deflexões relativamente grandes que impedem o uso da teoria convencional de pequenas deflexões Esse texto irá considerar apenas o projeto e a análise de ele e mecanismos não elásticos rígidos com juntas flexíveis Para saber mais sobre o projeto e a análise de mecanismos elásticos ver referência 16 Microgeradores Motor de micromotor e trem de engrenagens Micromecanismo elástico biestável de silício em duas posições Lubrificação hidrodinâmica em um mancal deslizante e movimentos exagerados Caixas de rolamento e caixas de rolamento flangeadas Cortesia da Emerson Power Transmission Ithaca Nova York Parafuso com cabeça Cortesia da Cordova Bolt Inc Buena Park CA Razão de mancal Os mecanismos de barra têm a desvantagem de serem relativamente grandes se comparados ao deslocamento de saída do componente de trabalho assim eles apresentam alguma dificuldade para localizálos Cames tendem a ser compactos em tamanho comparados com o deslocamento de seguidor Mecanismos são relativamente difíceis de sintetizar e cames são relativamente fáceis de projetar desde que um programa computacional como o DYNAMECH ver Apêndice A esteja disponível Nos mecanismos de barras são muito baratos e fáceis de se produzir com alta precisão do que os cames Pontos de parada são fáceis de se conseguir com cames e difíceis com mecanismos Estes podem sobreviver a ambientes muito hostis com pouca lubrificação onde cames não conseguem a não ser isolados de contaminação do ambiente Eles têm melhor comportamento dinâmico de alta velocidade em comparação com os cames são menos sensíveis a erros de produção e podem suportar cargas muito elevadas porém cames podem combinar movimentos especiais de maneira nelhor Portanto a resposta está longe de ser definitiva É outra situação de intercâmbio de projeção na qual se deve considerar todos os fatores e fazer a melhor escolha Por causa das vantagens potenciais do eixo puro é importante considerar o projeto do mecanismo antes de escolher um projeto potencialmente mais fácil mas uma solução definitivamente mais cara 219 MOTORES E ACIONADORES A não ser quando operado manualmente um mecanismo necessitará de um tipo de dispositivo acionador para fornecer a movimentação e energia iniciais Há muitas possibilidades Se o motor for um movimento contínuo de entrada rotativo como um mecanismo Grashof ele será binário de um comando seguidor então o motor elétrico atuador ou o motor do combustível será uma das escolhas lógicas Motores existem em uma extensa variedade de tipos de motorização desde motores de combustão externa vapor ou Stirling e combustão interna gasolina ou diesel Portanto um desenvolvimento combina motor a gasolina ou diesel porém é movido por um motor a gasolina ou diesel porém é limpo o motor de parbrisa e vírgulas de portas também são acionados por motores elétricos Os veículos híbridos modernos têm um ou mais atuadores elétricos para acionar rodas além de um motor para gerar energia auxiliar diretamente para as rodas As locomotivas elétricas a diesel são híbridas também assim como atuadores elétricos para acionamento por exemplo e usualmente que não requerem lubrificação constante do combustível interno que não perderá no bloqueio de carga reduzida O torque do motor e combustível interno em vez de diminuir com o aumento da velocidade angular A figura 240 mostra uma família de linhas de carregamento sobrepostas na curva de torquevelocidade de um motor IP Essas linhas de carregamento representam uma carga de variação no tempo aplicando ao comando de comando O problema provindo de saída contínua Motores CC São produzidos em diferentes configurações elétricas como ímã permanente IP paralelo série composto Os nomes referemse à maneira como as bobinas da armadura rotativa estão conectadas eletricamente às bobinas do campo estacionário em paralelo desvio em série ou combinadas em sérieparalela combinação Ímãs permanentes substituem os bobinas de campo em um motor IP Cada configuração possui características torquevelocidade diferentes A curva torquevelocidade de um motor descreve como ele irá responder a uma carga aplicada e é de grande interesse para o projetista mecânico pois prevê como o sistema elétricomecânico se comportará quando a carga variar dinamicamente com o tempo MOTORES CC DE ÍMÃ PERMANENTE Figura 240a mostra uma curva de torquevelocidade para um motor de ímã permanente IP Note que o torque varia expressivamente com a velocidade variando de torque máximo bloqueio com velocidade nula a torque zero com velocidade máxima sem carga Essa relação devese ao fato de que potência torque x velocidade angular Desde que a potência disponível para o motor é limitada por um valor finito um aumento no torque requer um decréscimo na velocidade angular e viceversa O torque é máximo no bloqueio velocidade nula o que é típico de todos os motores elétricos Isso é uma vantagem quando se inicia com uma carga elevada por exemplo um veículo elétrico não requer necessidade de fornecer um partida suave quando aciona a carga reduzida O torque de um motor ou combustão interna em vez de diminuir com o aumento da velocidade angular A figura 240 mostra uma família de linhas de carregamento sobrepostas na curva de torquevelocidade de um motor elétrico IP Essas linhas de carregamento representam uma carga de variação no tempo aplicada ao comando de comando MotoreseMOTORES CC EM PARALELO Têm uma curva de torquevelocidade como mostrada na Figura 241a Note o declive mais plano em volta do ponto de torque avaliado em 100 comparado a Figura 240 O motor paralelo é menos sensível a velocidade para variações de carga em sua faixa de operação mas bloqueia muito rapidamente quando a carga excede a capacidade máxima de sobrecarga de cerca de 250 de torque de regime Motores em paralelo são tipicamente utilizados em ventiladores ou sopradores MOTORES CC EM SÉRIE Possuem uma característica torquevelocidade como mostrada na Figura 241b Esse tipo é mais sensível à velocidade por configurações IP Entretanto o torque inicial pode ser tão elevado quanto 800 do torque de regime Ele também não tem nenhum limite teórico de velocidade máxima sem carga o que provoca a tendência de disparar a carga por removida Na verdade perdas de até 2000 a 3000 revoluções por minuto rpm Detectores de excesso de velocidade são comumente usados para velocidade sem carga Motores em série são utilizados em máquina de costura e emersores portáteis pois não fazem a variação de velocidade pode ser controlada em graus com a variação da voltagem Eles também são utilizados em aplicações industriais como motores de veículos de tração nos quais o desenvolvimento de partida é uma vantagem A sensibilidade à velocidade longe de ciclo também é vantagem em aplicações de grande carga por possibilidade de diminuir a velocidade quando a carga e ação de impacto seria sentido se um grande passo no torque fosse acionado rapidamente aos elementos mecânicos Figura 241 Curvas de torquevelocidade de três tipos de motores CC da velocidade nominal 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 do torque nominal a Ligado em paralelo da velocidade nominal 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 do torque nominal b Ligado em série da velocidade nominal 100 80 60 40 20 0 0 100 200 300 400 do torque nominal c Híbrido ou composto MOTORESDORES São velocidades de saída diferentes em vez de variáveis das velocidades padrão da Tabela 26 são necessárias um redutor de velocidades de engrenagens pode ser acoplado ao eixo de saída do motor ou um motor de engrenagens que possua uma caixa integral de engrenagens pode ser necessários Motoredutores são disponíveis comercialmente em uma grande variedade de velocidades de saída e potências A cinemática dos projetos de motores de engrenagens está no Capítulo 9 MOTORES HÍDRICOS E PNEUMÁTICOS Possuem aplicações mais limitadas que os motores elétricos simplesmente porque requerem a disponibilidade de ar comprimido ou uma fonte hidráulica Ambos os dispositivos são menos eficientes na conversão de energia quando comparados aos motores elétricos por causa das perdas associadas à conversão de energia principalmente de química ou elétrica para pressão de fluido e então para a forma mecânica Toda conversão de energia envolve algumas perdas Motores pneumáticos encontram muitas aplicações em fábricas e oficinas onde a alta pressão é considerada e proporcionada por outras razões Um exemplo comum é a parafusa de pneumática de impacto utilizada em oficinas de reparos automotivos Embora motores pneumáticos e elétricos e cilindros de ar sejam relativamente baratos esses sistemas são caros quando o custo de todos os equipamentos agregados é incluído Motores hidráulicos também são normalmente encontrados em máquinas ou sistemas como equipamentos de construção guindastes empilhadeiras etc e navios nos quais o fluido hidráulico de alta pressão é provido por muitas razões Sistemas hidráulicos são muito caros quando o custo de todos os equipamentos agregados é incluído de pressão constante típico de muitos compressores responderá com aceleração constante mais próxima o que significa que sua velocidade aumentará linearmente com o tempo Isso pode resultar em cargas de impacto severo no mecanismo dirigido quando o atuador chega ao fim do curso com velocidade máxima O uso de servoválvulas que controlam o fluxo de fluido para reduzir a velocidade do atuador em seu fim de curso é possível porém bastante caro A aplicação mais comum para cilindros movidos a fluido está no campo e em máquinas de construção como tratores e escavadoras nos quais cilindros hidráulicos em malha aberta não servo atuam na caçamba ou na lâmina por meio de mecanismos de barras O cilindro e seu pistão tornamse dois dos elos bloco e trila em um mecanismo bielamanivela Ver Figura 11b Solenoides Eles são atuadores lineares eletromecânicos CA ou CC que compartilharam algumas das limitações do cilindro pneumático e possuem mais algumas limitações próprias Eles são energeticamente ineficientes são limitados a deslocamentos muito pequenos cerca de 2 cm a 3 cm desenvolvem uma força que varia exponencialmente sobre o deslocamento e aplicam cargas de alto impacto São contudo baratos seguros e possuem tempos de resposta muito rápidos Não suportam muita potência e são tipicamente utilizados como controle ou dispositivos interruptores em vez de dispositivos que executam uma grande quantidade de trabalho no sistema Uma aplicação comum de solenoides é em obturadores de câmera onde um pequeno solenoide é utilizado para puxar o trinco e desbloquear ou ativar alguém você apertou para tirar uma foto A resposta que instantaneamente é um recurso dessa aplicação e o trabalho muito pequeno é feito ao se deslocar o trinco Outra aplicação é com eixos elétricos ou sistemas de portamalas em automóveis nos quais o estalo do impacto pode ser ouvido claramente quando você gira a chave ou aperta o botão para travar ou destravar o mecanismo 220 REFERÊNCIAS 1 Reuleaux F 1963 The Kinematics of Machinery A B W Kennedy translator Dover Publications New York pp 2955 2 Gruebler M 1917 Grueblerlehre SpringerVerlag Berlin 3 Fang W E and F Freudenstein 1990 The Stratified Representation of Mechanisms Journal of Mechanical Design 1124 p 514 4 Kim J T and B M Kwak 1992 An Algorithm of Topological Ordering for Unique Representation of Graphs Journal of Mechanical Design 1141 p 103 5 Tang C S and T Liu 1993 The Degree CodeA New Mechanism Identifier Journal of Mechanical Design 1153 p 627 6 Dharapirpagada V R et al 1994 A More Direct Method for Structural Synthesis of SimpleJointed Planar Kinematic Chains Proc of 23rd Biennial Mechanisms Conference Minneapolis MN p 507 7 Yadav J N et al 1995 Detection of Isomorphism Among Kinematic Chains Using the Distance Concept Journal of Mechanical Design 1174 p 470 8 Grashof F 1883 Theoretische Maschinenlehre Vol 2 Vos Hamburg 9 Paul B 1979 A Reassessment of Grashofs Criterion Journal of Mechanical Design 1013 pp 515518 10 Barker C 1985 A Complete Classification of Planar Fourbar Linkages Mechanism and Machine Theory 206 pp 535554