A engenharia mecânica tornou-se extremamente complexa com o tempo. Um carro comum hoje tem cerca de 30.000 elementos de máquina quando contamos cada um até o menor parafuso. Esses elementos da máquina trabalham em conjunto para operar o carro conforme pretendido pelo projeto da máquina.
Algumas dessas peças mecânicas são elementos mecânicos elementares, enquanto outras estão em conjunto com outras peças e desempenham uma função específica no carro. O alternador, motor e carburador são exemplos de tais peças.
Aprender sobre elementos de máquina é o primeiro passo para criar máquinas eficientes que resolvam problemas urgentes. Eles reduzem o esforço humano e superam significativamente suas capacidades. Neste post, vamos aprender sobre elementos de máquina e seus tipos.
O que são elementos de máquina?
Na engenharia mecânica, um elemento de máquina é a menor peça mecânica ou conjunto de peças em uma máquina. Eles geralmente executam uma única função e não podem ser substituídos por várias peças. Por exemplo, um rolamento pode ser feito de peças menores, como esferas, anéis e vedações, mas não pode desempenhar sua função se for dividido em suas partes mecânicas constituintes.
Assim, um elemento de máquina pode ser definido como um componente de peça (como um fixador) ou uma peça distinta (por exemplo, embreagem) em máquinas. Em termos gerais, os elementos da máquina podem ser divididos em dois tipos principais.
- Elementos de máquinas de uso geral
- Elementos de máquinas para fins especiais
Elementos de máquinas de uso geral
Esses elementos são os blocos de construção básicos em muitos tipos de máquinas. Peças como fixadores (porcas e parafusos, rebites, etc.), correntes, eixos, pinos, rolamentos e correias são exemplos de elementos de máquinas de uso geral. Eles geralmente executam a mesma função em todas as máquinas.
Na maioria dos casos, os elementos de máquinas de uso geral vêm em tamanhos e formas definidos por padrões internacionais.
Por exemplo, os parafusos sextavados podem ser fabricados de acordo com 18 padrões diferentes, sendo os mais populares DIN 931 e DIN 933. Na maioria desses padrões, eles estão disponíveis em tamanhos de M3 a M48. Isso aumenta sua usabilidade em uma variedade de máquinas diferentes, pois as substituições são facilmente disponíveis.
Elementos de máquinas para fins especiais
Estes são elementos mecânicos que encontram uso específico no projeto de máquinas. Exemplos de tais peças são a turbina em um motor a jato, pás em um ventilador, pistões, virabrequim, etc. O projeto mecânico dessas peças é customizado de acordo com os requisitos.
Consideremos o exemplo dos motores de navios. Eles vêm em diferentes designs, com o número de cilindros variando de 6 a 14.
Para cada tipo de motor, o tamanho de cada componente é redesenhado. A válvula de escape, cabeçote, camisa, pistão, anéis de pistão, biela e virabrequim vêm em tamanhos diferentes para dois tipos diferentes de motores.
Tipos de elementos de máquina
Ambos os elementos de máquina de uso geral e especial são componentes mecânicos elementares que funcionam juntos para fazer uma máquina funcionar. Vamos ver os vários tipos de elementos de máquinas comuns e seus usos.
Rolamentos
Os rolamentos são um dos elementos de máquinas mais comuns no projeto de máquinas. Seu trabalho é eliminar o atrito entre duas partes móveis. O projeto mecânico de máquinas rotativas é incompleto sem ele. O objetivo principal dos rolamentos é evitar o contato direto de metal com metal das duas peças e permitir um movimento relativo suave entre elas.
Eles vêm em várias formas e tamanhos. A abundância de designs de rolamentos disponíveis permite que os projetistas selecionem o rolamento mais adequado para diferentes aplicações, garantindo a máxima confiabilidade, eficiência, desempenho e durabilidade.
Os rolamentos encontram uso em uma variedade de movimentos diferentes, como linear (transportadores), rotacional (virabrequins), dobradiça (portas, janelas) e esférico (junta esférica). Eles transmitem cargas radiais, cargas axiais (mancais axiais) ou uma combinação de ambas do elemento rotativo para a caixa do mancal.
Algumas aplicações dos rolamentos são:
- Portas/janelas/gavetas de correr
- Virabrequim do motor
- Polias e polias transportadoras
- Turbinas eólicas
- Motores
Eixos
Os eixos são geralmente projetados para a aplicação exclusiva e usinados em CNC.
Os eixos são componentes longos e cilíndricos usados para a transferência de torque e potência mecânica entre dois componentes. Os projetistas os usam quando a distância entre os componentes do trem de força é muito grande para uma conexão direta ou se eles operam em ambientes diferentes.
Por exemplo, no caso de uma hélice de navio, a distância é muito grande entre o motor e a hélice, o que justifica o uso de um eixo longo com vários rolamentos ao longo do caminho.
Da mesma forma, as turbinas a vapor que acionam as bombas de óleo de carga em petroleiros são isoladas das bombas por uma antepara para eliminar as chances de ignição (aplicação em diferentes ambientes). Somente o eixo passa pela antepara da sala de máquinas para a sala de bombas.
As turbinas a vapor na sala de máquinas ficam extremamente quentes durante a operação. Mesmo no caso improvável de a atmosfera na sala de bombas se tornar combustível (se houver vazamento de óleo de carga), o projeto mecânico é tal que as turbinas não atuarão como fontes de ignição.
Um eixo pode ser sólido ou oco, dependendo da necessidade. Os sólidos são mais compactos, mas os ocos têm maior capacidade de carga para o mesmo peso. Para eixos sob cargas pesadas durante a operação, os projetistas preferem um eixo oco, pois possui maior rigidez e capacidade resistênte para momentos de flexão.
Algumas aplicações dos eixos são:
- Virabrequins/árvores de cames de motores de combustão interna
- Eixos do veículo
- Relógios
- Motores
- Bombas Centrífugas
Pinos e chavetas
No projeto da máquina, os pinos e chavetas são pequenos componentes mecânicos que conectam os eixos aos elementos rotativos. Em alguns casos, eles podem ser os únicos responsáveis pela transferência de torque entre os dois elementos.
Os pinos e chavetas são colocados entre o eixo e o elemento rotativo que possuem furos em ambos para fixar o pino ou chaveta no lugar. Este recorde é conhecido como rasgo de chaveta ou pino.
Uma junta chavetada não permite nenhum movimento rotacional relativo, mas pode permitir um movimento axial em pequena extensão, pois as chavetas são inseridas na direção axial. Devido a tal função, as chavetas devem suportar altas tensões de compressão e cisalhamento. Assim, a falha por esmagamento e a falha por cisalhamento são considerações importantes no projeto mecânico de uma chaveta.
Os vários tipos de chavetas no projeto da máquina vêm em muitas formas padrão. Os cinco principais tipos de chaves são quadrada, redonda, cabeça de quilha e Woodruff (meia-lua).
Algumas aplicações das chavetas são:
- Motores
- Hélices marítimas
- Engrenagens
- Pulleys
- Rodas dentadas
Acoplamentos
Os acoplamentos são componentes mecânicos que conectam dois eixos rotativos em linha, com o objetivo principal de transmitir potência no projeto mecânico. Todo o conjunto gira na mesma velocidade. Um acoplamento pode ser rígido ou flexível, dependendo da necessidade.
Um acoplamento flexível pode absorver quaisquer erros de montagem, bem como pequenos desalinhamentos entre os eixos que possam se desenvolver ao longo do tempo. Eles também absorvem choques e vibrações, aumentando a vida útil das máquinas no processo. Ao contrário das embreagens, os acoplamentos não engatam e desengatam.
Esses elementos da máquina também isolam a transferência de calor entre as duas extremidades em algumas aplicações. Por exemplo, um motor pode aquecer consideravelmente durante a operação. Um acoplamento impede essa transferência de calor do motor para a máquina emparelhada.
Alguns acoplamentos funcionam como fusíveis. Se o torque exceder um certo limite, eles quebram e cortam a conexão entre os componentes acionadores e acionados para proteger máquinas sensíveis. Tal acoplamento é conhecido como Acoplamento Mecânico de Segurança de Sobrecarga (Overload Safety Mechanical Coupling) e é normalmente utilizado para proteção de motores e sistemas de acionamento em transmissões de potência.
Algumas aplicações dos acoplamentos são:
- Geradores
- Controle de movimento em robótica
- Articulações de direção automotiva
- Diferenciais do automóveis
Fixadores
Em aplicações de engenharia mecânica, diferentes tipos de fixadores são usados para unir dois ou mais componentes de máquinas. Eles criam juntas temporárias que podem ser desmontadas quando necessário. Algumas máquinas funcionam em condições extremas. O objetivo principal dos fixadores é proteger essas máquinas contra altas pressões, forças excessivas e vibração.
No projeto de máquinas, é importante ser o mais específico possível sobre o projeto ou a seleção de fixadores nas aplicações. Isso é para garantir que esses elementos da máquina possam gerenciar as forças a que o produto estará sujeito em serviço e que as máquinas possam funcionar sem falhas. Os fixadores são geralmente feitos de aço carbono, aço inoxidável ou aço liga.
Alguns exemplos de fixadores são porcas/parafusos, chumbadores, pinos bipartidos, rebites e anéis de retenção. E eles são usados em todos os lugares, independentemente da indústria. A única pergunta a fazer é se o conjunto precisará ser desmontado para manutenção ou não, como na escolha de rebites versus parafusos e porcas.
Engrenagens
Engrenagens são elementos de máquinas elementares com rodas dentadas para transferir potência e rotação entre dois eixos. Elas podem aumentar ou diminuir a velocidade angular enquanto simultaneamente diminuem ou aumentam o torque, seguindo as leis de conservação de energia. Em essência, elas atuam como alavancas em um sistema mecânico rotativo.
Os dentes de duas engrenagens engrenam entre si e transferem potência do eixo motor para o eixo movido. Normalmente, os eixos são paralelos, mas engrenagens especiais são capazes de transferir potência entre eixos de interseção, bem como não paralelos e sem interseção.
A capacidade de trabalhar eficientemente em qualquer orientação significa que eles também vêm em uma variedade de formas. A maioria das engrenagens são de forma cilíndrica com dentes ao longo da circunferência. Outras vêm em formas que lembram um eixo (engrenagem sem-fim) ou uma haste (cremalheira e pinhão). Ainda outras têm dentes na face em vez da circunferência (engrenagens de face).
Embora seja importante selecionar o tipo de engrenagem, a devida atenção também deve ser dada a fatores como padrão de grau de precisão (DIN, AGMA, ISO), necessidade de dentes retificados ou tratados termicamente, dimensões (largura do dente, ângulo da hélice, módulo, número de dentes, etc.) e muito mais.
Algumas aplicações das engrenagens são:
- Relógios
- Caixa de transmissão de veículos
- Misturadores e liquidificadores
- Máquinas de lavar e secar
Conclusão
Apresentamos aqui um resumo dos tipos de elementos de máquina. Existem outros que são igualmente importantes e que não foram abordados, como por exemplo polias, molas, freios, volantes, correntes de transmissão etc. Para os interessados em se aprofundar no conceito de projeto de elementos de máquinas, recomendamos os seguintes livros:
- Elementos de Máquinas de Shigley, Richard G. Budynas e J. Keith Nisbett.
- Projeto de Máquinas, Uma abordagem Integrada, Robert L. Norton.
Gostou do Post? Achou que faltou alguma informação? Possui alguma sugestão de melhoria? Possui alguma dúvida ou questionamento? Comente abaixo!
