Mecanismos: Conceitos, Definições e Estudo da Mecânica dos Corpos Rígidos

Mecanismos Conceitos e Definições Mecânica dos Corpos Rígidos Mecanismos 3 Ramo das ciências físicas aplicadas que trata dos estudos dos estados de repouso ou movimento de corpos sob a ação de forças Definições Conceituais Mecanismos 4 CINEMÁTICA Estudo do movimento sem considerar as forças que o causam CINÉTICA Estudo das forças em sistemas em movimento Esses dois conceitos não são fisicamente separáveis Nós os separamos arbitrariamente por razões didáticas no estudo da engenharia Também é válido na prática do projeto de engenharia primeiramente considerar o movimento desejado e suas consequências e só depois investigar as forças relacionadas a esse movimento A divisão entre cinemática e cinética é arbitrária e muito utilizada por conveniência não é possível modelar sistemas mecânicos em movimento sem levar os dois tópicos em consideração Definições Conceituais Mecanismos 5 Um dos objetivos principais da cinemática é criar projetar movimentos desejados de elementos mecânicos e então calcular as posições velocidades e acelerações que esses movimentos irão gerar nos respectivos componentes Uma vez que o projeto de engenharia deve propor sistemas que não falhem durante o tempo estimado de vida o objetivo é manter os esforços dentro de limites aceitáveis para os materiais escolhidos Muitas definições básicas e decisões iniciais no processo do projeto envolvendo princípios de cinemática podem ser cruciais Um projeto que tiver definições e estudos cinemáticos pobres e mal feitos poderá se mostrar problemático e apresentar desempenho inadequado ESTUDO DOS MECANISMOS CINEMÁTICA Definições Conceituais Mecanismos 6 MÁQUINA É todo sistema mecânico formado por diversos elementos cujo objetivo é transmitir ou transformar determinado movimento e produzir trabalho útil Uma máquina em geral contém mecanismos que são projetados para fornecer forças significativas e transmitir potências significativas Não há uma divisão correta do que é um mecanismo e do que é uma máquina Eles são diferenciados em grau e não em tipo Se as forças ou o nível de energia do aparelho são significativos ele é considerado uma máquina se não ele é considerado um mecanismo Uma definição útil de máquina é um sistema de elementos unidos e organizados para transmitir movimento e energia de determinada maneira Definições Conceituais Mecanismos 7 Exemplo de máquina motor de combustão interna de quatro tempos Definições Conceituais Mecanismos 8 MECANISMO Dispositivo que transforma um movimento qualquer em um padrão desejado e geralmente desenvolve forças de baixa intensidade e transmite pouca potência Pode ser definido como um meio de transmitir controlar ou limitar um movimento relativo Uma definição útil de mecanismo é um sistema de elementos unidos e organizados para transmitir movimento de determinada maneira Um mecanismo é um conjunto de elos e juntas devidamente projetado de forma a criar um movimento desejado Exemplos de mecanismos são o limpador de parabrisa o conjunto bielamanivela de um pistão de um MCI um alicate de pressão etc Definições Conceituais Mecanismos 10 Estudo dos Mecanismos Mecanismos 11 ESTUDO DOS MECANISMOS SÍNTESE CINEMÁTICA é o processo de projetar um mecanismo para determinada finalidade a partir de alguns requisitos para seu movimento Em síntese cinemática portanto o objetivo consiste na determinação das principais dimensões de um mecanismo ANÁLISE CINEMÁTICA dado determinado mecanismo baseandose em suas propriedades geométricas são determinados os valores das posições velocidades e acelerações de suas peças e de pontos de interesse convenientemente escolhidos sobre elas Nomenclaturas Mecanismos 14 Elos ou ligações componentes ou elementos capazes de transmitir força e movimento Elo motor elemento que recebe o movimento que se pretende transmitir Elo seguidor elemento que recebe o movimento que se pretende utilizar Elo fixo elo estático rigidamente ligado à estrutura Manivela elo que oscila em torno de um ponto fixo Biela elo que faz a ligação entre duas manivelas ou entre uma manivela e uma corrediça Juntas ou pares cinemáticos elementos que estabelecem contato entre diferentes elos de um mecanismo Nomenclaturas Mecanismos 15 Quais as nomenclaturas dos elos do Mec1 e do Mec2 Mecanismo 1 Mec1 Elo 1 Elo 2 Elo 3 Elo 4 Mecanismo 2 Mec2 Elo 1 Elo 2 Elo 3 Elo fixo Elo motor Elo intermediário Elo seguidor Manivela Manivela Biela Elo fixo Junta motora Elo seguidor Came Análise dos movimentos Principal diferença entre Mec1 e Mec2 Geometria do elemento motor Nomenclaturas Mecanismos 16 Quais as nomenclaturas dos elos do Mecanismo Elo 1 Elo 2 Elo 3 Elo 4 Elo fixo Elo motor Elo intermediário Elo seguidor Manivela Corrediça Biela É o mecanismo cinemático de funcionamento do pistão Graus de Liberdade GDL Mecanismos 17 A mobilidade M de um sistema mecânico pode ser classificada de acordo com o número de graus de liberdade GDL que possui Os GDL do sistema são iguais ao número de parâmetros independentes variáveis necessários para definir uma única posição no espaço em qualquer instante de tempo Note que GDL é definido com base em uma estrutura de referência Graus de Liberdade GDL Mecanismos 18 Se condicionarmos esse lápis a sempre ficar nesse plano da folha três parâmetros GDL são necessários para definir completamente a posição do lápis na folha duas coordenadas lineares x y para definir a posição de qualquer ponto do lápis e uma coordenada angular θ para definir o ângulo do lápis com relação aos eixos O número mínimo de medidas necessárias para definir a posição é mostrado na figura como x y e θ Esse sistema do lápis em um plano possui então 3 GDL Graus de Liberdade GDL Mecanismos 19 Os parâmetros particulares escolhidos para definir sua posição não são únicos Qualquer conjunto de três parâmetros alternativos a esse poderia ser utilizado Há uma infinidade de conjuntos de parâmetros possíveis mas nesse caso devem ser três parâmetros por conjunto como dois comprimentos e um ângulo para definir a posição do sistema porque um corpo rígido em um movimento plano tem três GDL Graus de Liberdade GDL Mecanismos 20 E no espaço 3D Precisamse de seis parâmetros para definir os seis GDL Um possível conjunto de parâmetros que poderia ser usado é três comprimentos x y z mais três ângulos θ φ ρ Um corpo rígido em 3D tem 6 GDL O lápis nestes exemplos representa um corpo rígido ou elo e para efeitos de análise cinemática consideraremos que ele é incapaz de sofrer deformações Tipos de Movimento Mecanismos 21 Um corpo rígido livre dentro de uma estrutura de referência tem em geral movimento complexo que é uma combinação de rotação e translação simultâneas Para simplificar limitase para um sistema cinemático plano 2D O corpo possui um ponto centro de rotação que não apresenta movimento com relação à estrutura estacionária de referência Todos os outros pontos do corpo descrevem arcos ao redor daquele centro Uma linha de referência desenhada no corpo através do centro altera somente a orientação angular ROTAÇÃO PURA Tipos de Movimento Mecanismos 22 Todos os pontos no corpo descrevem caminhos paralelos curvilíneos ou retilíneos A linha de referência desenhada no corpo muda a posição linear mas não se altera sua orientação angular TRANSLAÇÃO PURA Tipos de Movimento Mecanismos 23 TRANSLAÇÃO PURA TRANSLAÇÃO RETÍLINEA trajetórias retas e paralelas entre si TRANSLAÇÃO CURVÍLINEA trajetórias em curva e paralelas entre si Tipos de Movimento Mecanismos 24 MOVIMENTO COMPLEXO Uma combinação simultânea de rotação e translação Qualquer linha de referência desenhada no corpo mudará a posição linear e a orientação angular Pontos no corpo terão caminhos não paralelos e haverá a cada instante um centro de rotação que mudará de localização constantemente Tipos de Movimento Mecanismos 25 Qual é o tipo de movimento Movimento complexo onde os termos x e y representam os componentes de translação do movimento e o termo θ representa o componente de rotação Translação e rotação representam movimentos independentes do corpo Um pode existir sem o outro Tipos de Movimento Mecanismos 26 Seguidores de cunha de cames Controladores deslizantes duplos TRANSLAÇÃO PURA Tipos de Movimento Mecanismos 27 ROTAÇÃO PURA Engrenagem Engrenagem cônica Engrenagem helicoidal Rolos de fricção Sistemas bielamanivela Sistemas de polia e correia Sistemas coroa e corrente Engrenagem não circular Tipos de Movimento Mecanismos 28 MOVIMENTO COMPLEXO Referências Mecanismos 29 NORTON R Cinemática e dinâmica dos mecanismos Porto Alegre AMGH 2010 791 p Notas de aula do Prof Alexandre Maier Eurich Fateb Dom Bosco Notas de aula do Prof Jorge Luiz Erthal UFPR