Upload
putamerda987
View
25
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
fisica geometria maquina de torção utfpr 2015 engenharia mecanica materiais quimica
Citation preview
20
Capítulo 2
2. Máquina de torção: princípio de funcionamento e projeto
2.1. Introdução
As máquinas utilizadas para o ensaio de torção são compostas de quatro sistemas
principais: o sistema de acionamento que é o responsável pela aplicação do torque no corpo
de prova; o de fixação do corpo de prova; o de medição do ângulo de torção; e o de medição
do torque. Cada um deles será descrito neste trabalho.
2.2. Alguns equipamentos comerciais
Não é difícil encontrar diversos modelos comerciais para esse tipo de equipamento. A
figura 2.1 mostra um aparelho com acionamento manual e capacidade máxima de 30 Nm.
Figura 2.1 – Modelo WP 500 do fabricante Gunt Hamburg
A figura 2.2 apresenta os principais componentes do equipamento. Como já dito, o
acionamento dessa máquina é manual, e o sistema de medição do ângulo está acoplado ao
eixo do acionamento manual do redutor de velocidade. A medição do ângulo é realizada com
emprego de um potenciômetro de precisão multivoltas, e o sistema de fixação do corpo de
prova é composto por dois soquetes hexagonais. A medição do ângulo também pode ser feita
visualmente através da escala angular ( goniômetro) fixada no eixo de entrada
velocidade.
Figura 2.2 – Principais componentes da máquina
Outros dois equipamentos de teste também disponíveis no mercado podem ser vistos
nas figuras 2.3 e 2.4. O princípio de funcionamento de ambos é o mesmo descrito para a
máquina da figura 2.1, e diferenças são encontradas
torção e do torque.
Figura 2.3 – Equipamento de pequeno porte
emprego de um potenciômetro de precisão multivoltas, e o sistema de fixação do corpo de
prova é composto por dois soquetes hexagonais. A medição do ângulo também pode ser feita
visualmente através da escala angular ( goniômetro) fixada no eixo de entrada
1) Estrutura de base2) Unidade coroa sem3) Potenciômetro multivoltas4) Escala angular 5) Volante 6) Corpo de prova 7) Célula de torque 8) Sistema de visualização do torque
Principais componentes da máquina de torção com acionamento manual.
Outros dois equipamentos de teste também disponíveis no mercado podem ser vistos
nas figuras 2.3 e 2.4. O princípio de funcionamento de ambos é o mesmo descrito para a
máquina da figura 2.1, e diferenças são encontradas no sistema de medição do ângulo de
Equipamento de pequeno porte do fabricante TeqQ
21
emprego de um potenciômetro de precisão multivoltas, e o sistema de fixação do corpo de
prova é composto por dois soquetes hexagonais. A medição do ângulo também pode ser feita
visualmente através da escala angular ( goniômetro) fixada no eixo de entrada do redutor de
de base sem-fim multivoltas
de visualização do torque
de torção com acionamento manual.
Outros dois equipamentos de teste também disponíveis no mercado podem ser vistos
nas figuras 2.3 e 2.4. O princípio de funcionamento de ambos é o mesmo descrito para a
no sistema de medição do ângulo de
Quipment
22
Figura 2.4 – Equipamento de pequeno porte, modelo SM1001, da TecQuipment
Equipamentos com capacidade de torque elevado e acionamento motorizado também
podem facilmente ser encontrados no mercado (figuras 2.5 a 2.7). As diferenças principais
destes equipamentos com relação aos aparelhos com acionamento manual são a capacidade de
torque e a possibilidade de variação da velocidade de aplicação da carga por intermédio do
controle do motor de acionamento.
Figura 2.5 – Máquina com capacidade para 200 Nm do fabricante TecQuipment
23
Figura 2.6 – Detalhe do sistema de aplicação do torque
Observa-se na máquina da figura 2.5 e no seu detalhe mostrado na figura 2.6 que os
corpos de prova são fixados com soquetes hexagonais e que, em uma das extremidades, o
corpo de prova está ligado a um eixo passante fixado no redutor por intermédio de uma
chaveta deslizante que não resiste aos esforços axiais que aparecem no corpo de prova durante
o ensaio. Este sistema de chaveta deslizante é construído com o objetivo de acomodar corpos
de prova com tamanho variável e menor do que 400 mm de comprimento.
No lado direito do detalhe da figura 2.6 mostra-se uma haste (em vermelho) onde é
fixado um peso na extremidade com o objetivo de medir o torque (sistema de pêndulo morto).
Nesta máquina o redutor é do tipo coroa sem-fim com redução de 1:1200 e a potencia de
acionamento (187 W) é fornecida por um motor elétrico de corrente alternada que funciona a
3000 rpm. Entre o motor elétrico e a entrada do redutor existe uma redução de velocidade de
4,8:1 realizada por meio de correias trapezoidais.
A capacidade de torque do equipamento mostrado na figura 2.7 é de 200 Nm; suas principais
dimensões são 1.100 mm × 550 mm × 450 mm e seu peso é aproximadamente 110 kg. O
limite máximo do comprimento do corpo de prova é de 300 mm e o ângulo de torção é
medido com um encoder com resolução de 0,1º. O motor de acionamento do sem-fim×coroa
possui potencia de 120W e é controlado por meio de um inversor de frequencia. Os ensaios
são realizados com quatro opções de velocidade de aplicação de carga: 50, 100, 200, 500 rpm;
figura 2.7b. Na figura 2.7c estão ilustrados os principais componentes do fluxo de potencia e
na figura 2.7c estão mostrados os principais componentes mecânicos do equipamento.
(a)
Figura 2.7 – Modelo WP 510, do fabricante Gunt Hamburg: A) foto da máquina; B) imagem da tela do software; C) fluxograma da máquina
(b)
1) Corpo de prova 2) Motor 3) Conversor de frequência 4) Eixo de medição do binário5) Sensor de ângulo rotativo 6) Amplificador do extensômetro7) Computador
(c)
1) Unidade de acionamento com motor2) Corpo de prova 3) Fixador do corpo de prova4) Dispositivo de medição da tensão5) Base 6) Tampa de proteção
(d)
Modelo WP 510, do fabricante Gunt Hamburg: A) foto da máquina; B) imagem da tela fluxograma da máquina; D) esquema dos elementos da máquina
24
de medição do binário
metro
de acionamento com motor
do corpo de prova de medição da tensão
Modelo WP 510, do fabricante Gunt Hamburg: A) foto da máquina; B) imagem da tela ; D) esquema dos elementos da máquina.
2.3. Protótipo construído
O protótipo construído
figura 2.8 e o seu croqui com os principais componentes estão expostos nas figuras 2.9 e 2.10
Esse equipamento foi projetado para atender às seguintes diretrizes:
• Realizar o ensaio de torção com boa precisão;
• Melhorar o sistema de alinhamento do corpo de prova, pois os sistemas de soquetes
vistos nos equipamentos descritos anteriormente apresentam um desalinhament
e que pode influenciar nos resultados do ensaio;
• Executar o ensaio nas duas direções (carga e descarga);
• Dominar a tecnologia da construção de torsiômetros e torquímetros.
uído
Figura 2.8 – Protótipo Construído.
protótipo construído durante o desenvolvimento deste trabalho
o seu croqui com os principais componentes estão expostos nas figuras 2.9 e 2.10
foi projetado para atender às seguintes diretrizes:
Realizar o ensaio de torção com boa precisão;
Melhorar o sistema de alinhamento do corpo de prova, pois os sistemas de soquetes
vistos nos equipamentos descritos anteriormente apresentam um desalinhament
e que pode influenciar nos resultados do ensaio;
o ensaio nas duas direções (carga e descarga);
Dominar a tecnologia da construção de torsiômetros e torquímetros.
25
durante o desenvolvimento deste trabalho pode ser visto na
o seu croqui com os principais componentes estão expostos nas figuras 2.9 e 2.10.
Melhorar o sistema de alinhamento do corpo de prova, pois os sistemas de soquetes
vistos nos equipamentos descritos anteriormente apresentam um desalinhamento residual
Dominar a tecnologia da construção de torsiômetros e torquímetros.
26
Figura 2.9 – Protótipo com acionamento motorizado.
Figura 2.10 – Protótipo com acionamento manual.
O princípio de funcionamento do protótipo é semelhante ao das máquinas comerciais,
Mancal 1
Torquímetro
Suporte do torquimetro
Caixa redutora
Acoplamento
Manivela
Pinças
Potenciômetro multivolta
Suporte do motor
Motor
Base rígida
Mancal 2
Goniômetro
Correia sincronizada
Suporte do multivoltas
27
e as suas características mais importantes são descritas na seqüência.
2.3.1. A fixação do corpo de prova
As extremidades do corpo de prova são acomodadas entre duas pontas de eixo
especialmente usinadas e montadas para garantir o alinhamento dele durante o ensaio. Tal
procedimento é necessário para evitar o surgimento de carregamentos diferentes de torção ao
longo do ensaio. Essas pontas de eixo são muito mais rígidas do que o corpo de prova e foram
construídas com aço 1045 estirado a frio. Os detalhes de seu projeto podem ser vistos na
figura 2.11.
Figura 2.11 – Esquema da extremidade do eixo onde é fixado o corpo de prova.
Nas extremidades do corpo de prova são usinados rebaixos para a sua perfeita
acomodação e fixação nas pontas de eixos, de modo a transmitir sem deslizamento o torque
disponível na saída do redutor de velocidade, conforme se verifica na figura 2.12.
Acoplado no eixo de saída da caixa redutora
Acoplado ao mancal 1 Extremidade para fixação
do corpo de prova
28
(a) (b)
(c)
Figura 2.12 – Sistema de fixação do corpo de prova: a) esquema de fixação do corpo de prova; b) sistema de fixação do corpo de prova; c) detalhe da usinagem da extremidade do corpo de prova e de sua fixação
2.3.2. Acionamento
O acionamento pode ser manual, por meio de uma manivela (figura 2.10), ou elétrico,
realizado com um pequeno motorredutor com controle de rotação (figura 2.9).
O motorredutor empregado no acionamento elétrico é da marca Bosch (tipo F 006
WM0 310), com corrente contínua e alimentação em 24V/5A, rotação nominal de saída 45
rpm, potência nominal de 46 W e torque nominal de saída de 10 Nm. As curvas características
desse motor são mostradas no anexo 5. A sua especificação foi feita tendo como base 3
fatores: baixo custo (aproximadamente R$ 250,00), facilidade no controle da velocidade e
reversão da rotação (descarga do carregamento).
2.3.3. Redutor
O redutor do conjunto motorredutor autoblocante é do tipo coroa sem-fim com
Aparato para fixação do corpo de prova.
Extremidade da ponta do eixo.
Corpo de prova.
29
redução de 40:1. O efeito autoblocante é desejável, porque evita o uso de freios nas paradas
intermediárias do ensaio. Trata-se de um protótipo da Udesc, pois veio do reaproveitamento
de componentes de outros laboratórios da instituição.
2.3.4. Medições do ângulo de torção
Uma das maneiras empregadas para medir o ângulo de torção é com o uso de
potenciômetros multivoltas. Neste projeto o potenciômetro foi acoplado diretamente no eixo
de entrada do redutor e, portanto, no eixo de saída o ângulo será igual ao ângulo de entrada
dividido por 40 (razão de redução do redutor). O ângulo registrado corresponde ao ângulo de
torção de todos os componentes acoplados ao eixo de saída do redutor. No capítulo 4 é feito o
equacionamento matemático do ângulo de torção destes componentes em função do torque de
acionamento e também a análise dos erros oriundos de tal tipo de medição.
A posição onde foi instalado o potenciômetro pode ser vista nas figuras 2.9 e 2.10, e a
sua curva de calibração está no anexo 1. O potenciômetro é do tipo multivoltas (10 voltas) e é
encontrado comercialmente pelo nome ZR 1320 MXL – 80 165, ao custo aproximado de R$
40,00.
A outra maneira empregada para medir o ângulo de torção é por meio do uso de um
torsiômetro. O projeto e a curva de calibração desse acessório são descritos no capítulo 3, e a
principal vantagem do seu emprego consiste em medições mais precisas do ângulo de torção
entre duas posições do corpo de prova.
2.3.5. Medições do torque
As medições do torque foram realizadas com torquímetro fabricado em alumínio com
formato cilíndrico e extensômetros em ponte completa montados em seu corpo. O desenho
ilustrativo desse torquímetro, que é uma célula de torque, pode ser visto na figura 2.13 e no
anexo 2.
30
a) Perspectiva b) Principais medidas Figura 2.13 – Dimensões principais do torquímetro.
O torquímetro foi construído com alumínio 6061 T6, tensão de escoamento igual a 276
MPa (276 N/mm2) e coeficiente de Poisson equivalente a 0,34 (NORTON, 2004).
Sabe-se que a tensão de cisalhamento máxima desenvolve-se na superfície externa de
um cilindro e é diretamente proporcional ao torque aplicado e é dada por:
τár =á
(2.1)
sendo que á é a tensão do cisalhamento máximo (em MPa); á, o momento de torção
máximo do torquímetro (em Nmm); r, o raio externo do torquímetro (em mm); J, o momento
polar de inércia (em mm4) e vale π∗
; D é o diâmetro externo do torquímetro (em mm),
e d, o diâmetro interno do torquímetro (também em mm).
Para essa célula de torque (D = 28 mm e d = 26 mm), conseqüentemente J vale 1.548,2
mm4. Empregando o critério da máxima tensão de cisalhamento, estima-se que o torque
máximo desse componente seja de 152,6 Nm.
Os extensômetros foram montados em ponte completa com resistências de 120 Ω e
alimentados com 5,0 Vcc (figura 2.14). Eles são do tipo HBM 6/120LY13, gauge factor, Kf
igual a 2,10, sensibilidade transversal de - 0,1%, compensação de temperatura α =
23 [10/], e o coeficiente de temperatura de gauge factor é 126 ± 10[10-6/ºC].
Figura 2.14
2.3.6. Placa de aquisição de dados
A placa de aquisição de dados é do modelo Dataq
Instruments, e sua comunicação com a CPU
quatro canais analógicos diferenciais e
conforme a figura 2.15. As
amostras/segundo. O custo des
2.3.7. Mancais
Os mancais têm como função
Na figura 2.10 vê-se o mancal
Alimentação (+)
Figura 2.14 – Fotografia da célula de torque (ponte completa)
Placa de aquisição de dados
A placa de aquisição de dados é do modelo Dataq DI-158U, do
e sua comunicação com a CPU ocorre por meio da porta
canais analógicos diferenciais e quatro canais digitais com saída variando de 0 a 10 V,
medida são feitas com 12 bits, e a taxa de aquisição vai até
custo desse componente fica em torno de US$ 50,00
Figura 2.15 – Croqui da placa
Fonte: Dataq
têm como função reduzir o atrito entre partes rotativas do equipamento.
se o mancal 1, fabricado em aço 1045 e composto
Alimentação (-)Alimentação (+)
Saída (-)
Saída (+) R1 R2
R4 R3
31
torque (ponte completa).
U, do fabricante Dataq
porta USB. A placa possui
canais digitais com saída variando de 0 a 10 V,
aquisição vai até 14.400
,00.
rotativas do equipamento.
de dois rolamentos de
)
32
esferas rígidas (6807 ZZ). O mancal 2 é também construído em aço 1045 e possui um
rolamento de esferas rígidas (6007 ZZ) que não permite o deslocamento axial do eixo onde
está fixada uma das extremidades do corpo de prova. Portanto, todos os ensaios foram
realizados limitando o deslocamento do corpo de prova na direção axial. Este tipo de
montagem tem por finalidade manter o alinhamento dos componentes que ficam submetidos
ao carregamento de torção: o eixo de saída do redutor, o corpo de prova e a célula de torque.
2.4. Custo aproximado do equipamento
A tabela 2.1 mostra o custo do protótipo utilizado nesta dissertação.
Tabela 2.1 – Custo do protótipo (não incluindo a mão de obra de montagem). Descrições Valor (R$)
Material e usinagem da estrutura da máquina e dos componentes 952,00 Motor elétrico 138,00 Correia sincronizada 38,00 Polias sincronizadoras (duas unidades) 140,00 Rolamento 6807 ZZ (duas unidades) 70,00 Rolamento 6007 ZZ 11,00 Cola para extensômetros 20,00 Potenciômetro multivoltas 27,00 Extensômetros (quatro unidades) 120,00 Amplificador de sinal (duas unidades) 400,00 Sistema de aquisição de dados (US$ 50,00 × 1,7) 85,00 Redutor (1:40, 1 hp) 808,00 Valor total 2.809,00