Projeto de Elementos de Maquina II - Dimensionamento e Selecao de Redutor de Velocidade

Curso Engenharia Mecânica DESCRIÇÃO Disciplina Elementos de Máquina II Professor Luiz Fernando Frezzatti Santiago PROJETO PROJETO VISANDO O DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DAS PARTES QUE COMPÕEM UM REDUTOR DE VELOCIDADE DESCRIÇÃO DO PROJETO O projeto visa realizar o dimensionamento e seleção dos elementos de um redutor de velocidade Figura 1 para diferentes equipamentos industriais O grupo deverá selecionar um equipamento industrial por exemplo correia transportadora para transporte de material a granel e atrás das características do equipamento parâmetros físicos determinar a potência de saída e como consequência a potência de entrada levando em consideração as dissipações de potência estimadas O tipo de equipamento e nome dos integrantes máximo 6 participantes devem ser preenchidos na planilha online ver link Moodle da disciplina Para o projeto desejase que as engrenagens e mancais do redutor tenham uma vida maior que 12000 horas e o eixo seja dimensionado para uma vida infinita de ciclos Na proposta do trabalho se necessário realizar um estágio de redução por elemento flexível anterior a aplicação do redutor O projeto será divido em três etapas sendo a nota atribuída por etapa conforme descrição ETAPA 01 Equipamento selecionado e tipo de redutor necessário Selecionar tipo de elemento flexível para transmissão de potência mais adequado para aplicação caso seja necessário Definir fator de serviço para o redutor em função da aplicação do equipamento pesquisar em catálogos redutores Propor um esquema layout 2D do arranjo motor polias redutor e equipamento identificando cada elementos necessário Estimativa do rendimento global do sistema de transmissão ETAPA 02 Definir uma estimativa do valor que o eixo de entrada e saída do redutor balanço que ficará fora do redutor irá se estender para fora da caixa de engrenagem Definir quantos estágios de redução serão necessários para o redutor em função das características do equipamento e motor proposto Através disso propor as taxas de reduções em cada estágio Realizar a especificação das engrenagens do redutor Tipo de engrenagens módulo número de dentes largura material etc e dimensionamento em função das normas da AGMA Seleção e especificação do tipo de lubrificante que será aplicado na caixa de engrenagem função dos parâmetros das engrenagens ver capítulo do livro de elementos de máquina na parte de engrenagens Seleção dos acoplamentos para ligar saídaentrada do redutor ao equipamento proposto tipo de acoplamento que será adotado e suas dimensões etc Estimar a flecha admissível a ser adotada para o deslocamento vertical do eixo que será aplicado no trabalho pesquisar nos livros de elementos de máquina parte referente a eixo Em função das larguras das engrenagens calculadas e pesquisas em catálogos de fabricantes de redutores adotar as dimensões prévias da caixa de redução largura altura e comprimento e através dessas estimativas propor o posicionamento das engrenagens nos eixos adotar posições Com isso obter os diagramas de momento fletor cortante momento torsor e esforço normal para estimativas das tensões ETAPA 03 Dimensionamento dos eixos do redutor por tensão apresentar tipo de material selecionado os diâmetros escalonados adotados posicionamento das engrenagens posições de chavetas elementos de vedação rebaixos e posicionamento de anel elástico etc Verificar se os diâmetros calculados passam para flecha admissível selecionada na etapa 02 usar software Ftools para o cálculo do deslocamento Verificar as velocidades críticas de rotação dos eixos para os diâmetros selecionados Dimensionamento e especificação das chavetas de entrada e saída do redutor assim como as chavetas das engrenagens dimensões material a ser adotado tipo de chaveta modo de falha proposto etc Seleção dos mancais de rolamentodeslizamento para apoio dos eixos em função da vida necessária etc Seleção dos elementos de vedação catálogo de fabricante Estimar as dimensões necessárias da caixa de redução em função da troca de calor entre o óleo e meio ambiente para que a temperatura do óleo se mantenha estável sem haver necessidade de uma troca de calor forçada no sistema pesquisar em livros de elementos de máquina Confrontar os valores obtidos com as dimensões adotadas para caixa anteriormente Obs O grupo deverá entregar o projeto final na etapa 3 no formato de um memorial de cálculo contendo as informações levantadas na etapa 1 e 2 e 3 memorial sucinto com informações relevantes O trabalho deverá seguir as formatações propostas pela NBR 14724 Pesquisar exemplos de memorial de cálculo O memorial deverá ser objetivo com informações claras dos cálculos e critérios adotados para o dimensionamento do guincho pelo grupo O professor irá verificar o que foi realizado dentro de cada etapa e dar um feedback para melhorias nas etapas subsequentes caso seja necessário Para cada etapa o professor irá atribuir uma nota para que no final se realize uma média aritmética das etapas APRESENTAÇÃO DO PROJETO PELO GRUPO Os grupos irão apresentar o projeto proposto com tempo limitado de 30 min por grupo tolerância 10 min Na apresentação presencial o professor irá avaliar a participação de cada integrante A forma como o projeto será apresentado ficará a cargo do grupo Figura 01 Redutor de engrenagem helicoidal de eixos paralelos Fonte httpwwwesacombrredutorengrenagenshelicoidaisphp REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica 8 ed Porto Alegre AMGH 2011 1084 p MELCONIAN Sarkis Elementos de máquinas9 ed rev São Paulo Livros Érica 2008 376 p ISBN 9788571947030 COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Rio de Janeiro LTC c2006 xx 740 p ISBN 9788521614753 MOTT Robert L Elementos de máquina em projetos mecânicos 5 ed São Paulo Pearson 2015 PETER Childs R N Mechanical Design 2 ed ButterworthHeinemann 372 p ISBN13 9780750657716 1 INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO CAMPUS ITAPETININGA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROJETO DE UM REDUTOR DE VELOCIDADE DE ENGRENAGEM HELICOIDAL DE EIXOS PARALELOS UTILIZADO EM UM TRANSPORTADOR EM Z ITAPETININGA 2022 2 INSTITUTO FEDERAL DE SÃO PAULO CAMPUS ITAPETININGA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ALUNO 01 ALUNO 02 ALUNO 03 ALUNO 04 PROJETO DE UM REDUTOR DE VELOCIDADE DE ENGRENAGEM HELICOIDAL DE EIXOS PARALELOS UTILIZADO EM UM TRANSPORTADOR EM Z TRABALHO APRESENTADO PARA A DISCIPLINA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS II DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA PARA AVALIAÇÃO REGIMENTAL PROF MS LUIZ FERNANDO FREZZATTI SANTIAGO ITAPETININGA 2022 3 RESUMO O presento trabalho visa dimensionar visa realizar o dimensionamento e seleção dos elementos de um redutor de velocidade para um transportador em Z Como condição já especificada de projeto as engrenagens e mancais do redutor devem ter uma vida maior de 12000 horas e o eixo dimensionado para uma vida infinita de ciclos 4 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO5 11 Transportador em Z5 12 Redutor de velocidade6 13 Engrenagem helicoidal7 14 Manutenção7 15 Estrutura de um redutor8 2 DIMENSIONAMENTO9 21 Correia trapezoidal9 22 Número de reduções necessárias e fator de serviço19 23 Estimativa do rendimento global do sistema de transmissão21 24 Esquema 2D dos componentes do redutor22 3 CONCLUSÃO23 4 REFERÊNCIAS24 5 1 INTRODUÇÃO 11 Transportador em Z Um transportador em Z também conhecido como transportador vertical ou transportador de elevação em Z é um tipo de equipamento utilizado para mover materiais produtos ou cargas de um nível para outro em uma direção vertical Ele é chamado em Z devido a forma que os perfis podem fazer lembrando a letra Z Ele é útil quando há a necessidade de transportar materiais entre diferentes andares níveis ou alturas dentro de uma instalação industrial armazém ou qualquer ambiente que requer movimentação vertical eficiente Os transportadores podem utilizar diferentes mecanismos para elevar ou abaixar as cargas Alguns exemplos incluem Correia transportadora em Z Nesse tipo de transportador uma correia contínua é utilizada para transportar os materiais verticalmente Ela é apoiada por roletes e pode ser equipada com guia laterais para manter os materiais alinhados durante o movimento Elevador de canecas Um sistema de elevador de canecas consiste em uma série de canecas ou conchas presas a uma correia ou corrente Essas canecas movemse em um circuito fechado carregando os materiais para cima e depois despejandoos na saída desejada Rosca transportadora vertical Uma rosca transportadora em Z é uma hélice que gira dentro de um tubo ou calha vertical A medida que a rosca gira ela empurra os materiais para cima Plataformas elevatórias Essas plataformas são usadas para mover cargas paletizadas ou materiais pesados verticalmente Elas podem ser operadas hidraulicamente pneumática ou mecanicamente Os transportadores em Z são empregados em diversos setores como na indústria de alimentos na indústria farmacêutica na logística de armazéns e em operações de manufatura onde é necessário transferir materiais entre diferentes níveis de uma maneira eficaz e organizada Eles podem ser 6 projetados para atender a requisitos específicos de carga velocidade capacidade e ambiente de operação 12 Redutor de velocidade Um redutor de velocidade também conhecido como caixa de redução ou redutor de engrenagens é um dispositivo mecânico utilizado para diminuir a velocidade de rotação de um motor ou de uma fonte de energia transmitindo um maior torque para um sistema mecânico Ele é amplamente utilizado em máquinas e sistemas onde é necessário reduzir a velocidade de rotação de um motor para que o equipamento funcione de maneira eficiente e adequada Os redutores de velocidade são compostos principalmente por conjuntos de engrenagens interconectadas que formam uma sequência de relações de transmissão Essas engrenagens têm tamanhos diferentes e estão dispostas de maneira a reduzir a rotação de entrada para uma rotação menor de saída enquanto aumentam o torque disponível A função principal de um redutor de velocidade é 1 Redução de velocidade O redutor diminui a velocidade de rotação de entrada proveniente de um motor ou de outra fonte de energia Isso é essencial quando se deseja acionar sistemas que requerem movimento mais lento e mais controlado ou quando é necessário adequar a velocidade a uma aplicação específica 2 Aumento de torque Enquanto a velocidade é reduzida o torque de saída é aumentado proporcionalmente Isso é vantajoso em situações onde é necessário aplicar força maior ou vencer resistências como no caso de transportadores guindastes e sistemas de elevação 3 Distribuição de carga O redutor de velocidade distribui a carga entre as engrenagens ajudando a reduzir o desgaste das peças e aumentar a vida útil do equipamento 4 Isolamento do motor Em muitos casos o motor principal opera em velocidades mais altas do que as necessárias para o funcionamento do 7 sistema O redutor de velocidade permite que o motor funcione em sua faixa de eficiência enquanto fornece a saída de velocidade adequada Os redutores de velocidade são encontrados em uma ampla variedade de aplicações desde máquinas industriais transportadores máquinas ferramenta equipamentos agrícolas até sistemas de automação A escolha do tipo de redutor engrenagens helicoidais cônicas planetárias entre outros depende das necessidades especificas da aplicação e das características do sistema onde ele será utilizado 13 Engrenagem helicoidal As caixas de engrenagens helicoidais têm como vantagem a geração de menos ruídos e vibrações sua transmissão de potência é realizada de forma mais homogênea são considerados os mais eficientes do mercado e por consequência os mais utilizados Além disso são elementos mecânicos que suportam maiores cargas do que as engrenagens cilíndricas de dentes retos 14 Manutenção A manutenção pode ser executada ao avaliar indicadores como vazamentos de óleo aumento de ruído desalinhamento e desgaste principais causas de falha Na indústria a utilização de sensores é uma prática amplamente empregada para esse fim No que diz respeito a lubrificação esta é efetuada por meio da imersão completa do equipamento no óleo Além disso práticas adicionais incluem a substituição de componentes como eixos engrenagens retentores e rolamentos A análise de vibração é outra abordagem valiosa juntamente com o monitoramento da temperatura de operação e a análise do óleo lubrificante Esses métodos combinados contribuem para a execução eficiente da manutenção preventiva 8 15 Estrutura de um redutor A composição exata de um redutor de engrenagem pode variar com base no tipo e design específicos do redutor mas em geral os principais componentes incluem 1 Caixa ou carcaça A estrutura externa que envolve e protege os componentes internos do redutor Geralmente feita em material resistente como metal fundido ou alumínio 2 Engrenagens As engrenagens são os elementos centrais do redutor e são responsáveis pela transmissão de torque e redução de velocidade Existem vários tipos de engrenagens como engrenagens helicoidais cônicas retas e planetárias que podem ser combinadas para atingir as relações de transmissão desejadas 3 Eixos Os eixos são os elementos que suportam e giram as engrenagens Eles transferem o torque das engrenagens de uma parte do redutor para outra 4 Rolamentos Os rolamentos são usados para reduzir o atrito e suportar os eixos permitindo que eles girem suavemente Rolamentos de diferentes tipos são instalados em pontos estratégicos do redutor para garantir uma operação eficiente 5 Retentores e vedações Esses componentes ajudam a manter o óleo lubrificante dentro do redutor e evitam a entrada de contaminantes Eles são vitais para manter a lubrificação adequada e prevenir danos aos componentes internos 6 Óleo lubrificante O óleo lubrificante é utilizado para reduzir o atrito entre as engrenagens e rolamentos ajudando a dissipar o calor gerado durante a operação e prolongando a vida útil do redutor 7 Sistemas de lubrificação Alguns redutores possuem sistemas de lubrificação como bombas de óleo para garantir uma distribuição adequada do lubrificante em todos os componentes internos 8 Seles e Gaxetas São usados para evitar vazamentos de óleo e manter o ambiente interno isolado do ambiente externo 9 Conjunto de entrada Inclui elementos como eixos acoplamentos e conexões que permitem que o redutor seja acionado pelo motor ou pela fonte de energia 10Conjunto de saída Composto por eixos engrenagens e conexões que transmitem o torque reduzido e a velocidade reduzida para o sistema ou equipamento de destino Diferentes tipos de redutores podem ter componentes específicos ou designação adicionais dependendo de sua configuração e aplicação A combinação desses componentes é cuidadosamente projetada para atender aos requisitos de torque velocidade e eficiência da aplicação 9 Figura 1 Redutor de engrenagem helicoidal de eixos paralelos Fonte httpwwwesacombrredutorengrenagenshelicoidaisphp 2 DIMENSIONAMENTO O redutor será dimensionado será um redutor de eixos paralelos com engrenagens de dentes helicoidais Onde o mesmo vai ser utilizado em um transportador da rosca transportadora vertical onde vai ser utilizado um motor WEG W22 4 polos de 5cv e com uma rotação de 1800 rpm para 250 rpm O projeto também especifica que se deve dimensionar um elemento flexível que fara a redução antes do redutor 21 Correia trapezoidal Para conseguirmos definir o primeiro estágio da redução é necessário dimensionarmos a correia trapezoidal com isso primeira etapa é definir o fator de serviço dela para conseguir definir é necessário levarmos em conta a atividade e o tempo Então 10 Figura 2 Fator de serviço Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Como o motor tem 5CV ele é classificado como alto torque carga horária utilizada é de 810 horas Com isso obtemos um valor de serviço de 13 Com isso vamos definir a potência de projeto PprojetoPmotorFs Pprojeto5089613 Pprojeto5824 HP Encontrando o perfil da correia baseado na rotação e potência de projeto 11 Figura 3 Perfil de correia trapezoidal Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual De acordo com o catálogo o perfil mais indicado seria o A 12 Figura 4 Seção da correia A Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Conforme a figura 4 o diâmetro da polia motora será de 762mm diâmetro Datum Nesta etapa essa primeira redução i será de 15 sendo assim a rotação será de n1800 15 n1200rpm Através dessa relação estabelecida podemos calcular o valor da polia maior 13 Ø poliamaiorØ poliamenor i Ø poliamaior76 215 Ø poliamaior114 5mm Com o valor das polias definido deve ser estabelecido uma distância de centro entre elas uma vez que o projeto não possui delimitações de tamanho inicialmente a distância de centro será de 500mm A partir desse valor é possível encontrarmos o comprimento total da correia através da fórmula l2C π 2 Dd Dd 2 4C Onde l Comprimento mm C Distância de centro mm D Diâmetro da polia maior mm d Diâmetro da polia menor mm l2500 π 2 1145762114 5762 2 4500 l1301mm Consultando o catálogo GATES o valor mais próximo a esse comprimento é dado a seguir Figura 5 Perfil de correia A 14 Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Com essa tabela é possível definirmos um comprimento efetivo de 1323mm Devido a esse novo comprimento é necessário ajustarmos LajusteLc157Dd Onde Lajuste Comprimento ajustadomm Lc Comprimento sem ajuste mm Lajuste1301157114 5762 Lajuste1038mm Com esse novo comprimento é necessário ajustarmos a distância entre centro CajLajh Dd 2 Onde Caj Distância entre centro ajustadamm h Fator tabelado O fabricante Gates disponibiliza uma tabela para encontrar este valor ele é dado pela seguinte expressão 15 Dd Laj 114567 1038 0046 Através da tabela abaixo encontramos o valor h Figura 6 Fator h Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Então h0023 Com o fator h é possível então corrigirmos a distância de centro CajLajh Dd 2 Caj10380023114 5762 2 Caj51856mm 16 Estabelecido os valores de comprimento distância entre centros agora é válido definirmos o número de correias necessárias Figura 7 Potência básica Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Figura 8 Potência adicional Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual É possível encontrarmos um valor de potência básica a partir do valor do diâmetro da polia menos em polegadas e a rotação do motor 1800 rpm no caso da polia dimensionada o Ø é de 3 Nesse caso será necessário interpolar os resultados Pb216 A figura 8 permite encontrar o valor de Pa Potência adicional que agora é baseado na taxa de transmissão e a rotação do motor Também necessário interpolar Pa036 17 Outro fator necessário é o arco de contato veja a seguir Figura 9 Fator de arco de contato Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Encontrando o valor de Dd C Dd Caj 18 D Diâmetro da polia maiormm d Diâmetro da polia menor mm Caj Distância de centro ajustada mm 1145762 51856 0074 Utilizando o valor encontrado na tabela encontramos um valor de arco de contato de f ac099 Após isso é necessário calcular o valor fcc da correia A na tabela a seguir Figura 10 Fator de correção fcc Fonte GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Como nossa correia utilizada é um perfil A50 então f cc092 Obtido esses valores é possível determinarmos a potência por correia através da equação PpcPbPaf acf cc Ppc Potência por correia Pb Potência básica Pa Potência adicional 19 f ac Fator de arco de contato f c c Fator de correção comprimento da correia Ppc2160 36099092 Ppc2160 36099092 Ppc229 HP Para temos a potência de projeto de 5824 HP e a potência que a correia aguenta podemos encontrar quantas correias são necessárias para o projeto Ncorreias5824 229 Ncorreias3 correias Tabela 1 Especificações da correia selecionada Correia selecionada Perfil A50 Comprimento 1323 Ø Polia menor 762mm Ø Polia maior 274mm N de correias 3 Fonte Autoria própria 22 Número de reduções necessárias e fator de serviço Como o valor de rotação ainda não está no valor de rotação de saída indicado pelo projeto será necessário um redutor ele terá como função reduzir de 1200 rpm para 250 O fator de redução é de inentrada nsaida i1200 250 i1200 250 20 i5 Consultando o catálogo Helimax para um fator de redução 5 o número de estágio de redução recomendado é 2 Figura 11 Estágios de redução Fonte Helimax Redutores de engrenagens helicoidais e eixos paralelos Ainda de acordo com o catálogo Helimax para um transportador de correia o fator de serviço é definido de acordo com as seguintes características Figura 12 Tipo de carga 21 Fonte Helimax Redutores de engrenagens helicoidais e eixos paralelos No nosso caso a aplicação será em um transportador de correia classificação M Figura 12 Tipo de carga Fonte Helimax Redutores de engrenagens helicoidais e eixos paralelos Fator de serviço é de 125 23 Estimativa do rendimento global do sistema de transmissão O rendimento global é tido pelo rendimento do redutor e o rendimento da correia O rendimento do redutor é dado pelo par de engrenagens que em condições normais de fabricação e uso uma transmissão por engrenagens tem um rendimento na ordem de 97 então 22 ne097 Após o conhecimento dos rendimentos das engrenagens podemos obter o valor do rendimento total do redutor netne nne 1 n Onde ne Rendimento global do sistema de transmissão n numero de pares de engrenagem net0 97 2097 12 net08587 ou8587 Já as correias apresentam um rendimento de 95 então nc095 Assim com esses valores é possível obtermos o rendimento global ntnet nc nt09508587 nt08157 ou8157 24 Esquema 2D dos componentes do redutor 23 3 CONCLUSÃO Mesmo o projeto não sendo terminado ainda na primeira parte os resultados obtidos estão sendo satisfatórios onde foi possível escolhermos o equipamento que vai ser utilizado o redutor selecionarmos o elemento flexível para a transmissão de potência conseguimos também definir o fator de serviço para o redutor em função da aplicação os rendimentos globais do sistema e finalizamos com um layout 2D do arranjo do motor polias redutor e o equipamento 24 4 REFERÊNCIAS COLLINS Jack A Projeto mecânico de elementos de máquinas uma perspectiva de prevenção da falha Rio de Janeiro LTC c2006 xx 740 p ISBN 9788521614753 MELCONIAN Sarkis Elementos de máquinas engrenagens correias rolamentos chavetas molas cabos de aço arvores 9 ed rev São Paulo Livros Érica 2008 376 p ISBN 9788571947030 BUDYNAS Richard G Elementos de máquina de Shigley Projeto de engenharia mecânica 8 ed Porto Alegre AMGH 2011 1084 p MOTT Robert L Elementos de máquina em projetos mecânicos 5 ed São Paulo Pearson 2015 GATES Heavy Duty VBelt Design Manual Disponível em httpsedisciplinasuspbrpluginfilephp4654857modresourcecontent0 GatesHeavyDutyvbeltdesignPDF Acesso em 21 de agosto de 2023 AMERICAN CHAIN ASSOCIATION Standard Handbook of Chains Chains for Power Transmission and Material Handling CRC Press 2005 Segundo Edição 432 páginas WEG Seleção de motores elétricos Disponível em httpstsubakiindbrwpcontentuploadscatalogosCatalogosemPortugues CorrentesdeTransmissaoPortuguespdf Acesso em 21 de agosto de 2023 HELIMAX Redutores de engrenagens helicoidais e eixos paralelos Disponível em httpwwwvtrindbrcatalogoswegcestariredutoresCatalogoHelimaxpdf Acesso em 21 de agosto de 2023 25