projeto mecânico conceitual de um móvel modular intercambiável ...

PROJETO MECÂNICO CONCEITUAL DE UM MÓVEL MODULAR INTERCAMBIÁVEL PARA O USO DE CADEIRANTES

Pietro Majowka

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador: Vitor Ferreira Romano

Rio de Janeiro

Fevereiro 2014


Pietro Majowka

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Examinada por:

_______________________________________

Prof. Dott.Ric. Vitor Ferreira Romano

_______________________________________

DSc. Fernando Pereira Duda

_______________________________________

Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr.Ing.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

Fevereiro de 2014

i

Majowka, Pietro

Projeto Mecânico Conceitual de um Móvel Modular Intercambiável para o Uso de Cadeirantes/ Pietro Majowka. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.

vi, 41 p.:il; 29.7 cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Mecânica, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 38.

1. Móvel Modular 2. Cadeirantes I.Romano,

VitorFerreira. II. Universidade Federal do Rio de janeiro,

UFRJ, Engenharia Mecânica III. Projeto Mecânico Conceitual de um Móvel Modular Intercambiável para o Uso de Cadeirantes

ii

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.


Pietro Majowka

Janeiro/2014


Curso: Engenharia Mecânica O presente trabalho consiste no projeto mecânico conceitual de um móvel modular intercambiável para o uso de cadeirantes. A parte introdutória tem como objetivo mostrar um breve olhar sobre os conceitos da Domótica e dos problemas e soluções para a comunidade de cadeirantes. Os segundo e terceiro capítulos tratam da concepção do modelo, suas dimensões e dispositivos, bem como sua lógica de funcionamento. Nos quarto e quinto capítulos deste trabalho são apresentados os cálculos para seleção, dimensionamento e análises numéricas do equipamento. Por fim, na conclusão tem-se a descrição do que foi desenvolvido e propostas de continuidade do projeto. Palavras-chave: Móvel modular intercambiável, Domótica, Acessibilidade.

iii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

CONCEPTUAL PROJECT OF AN INTERCHANGEABLE MODULAR FURNITURE TO BE USED BY PEOPLE WITH MOTOR DISABILITIES.

PietroMajowka

January/2014

Advisor:Vitor Ferreira Romano

Course:: Mechanical Engineering The present work is concerned to a conceptual mechanical project of an interchangeable modular to be used by people with motor disabilities. The introductory part aims to show a brief look at the concepts of Domotic and the problems and solutions to the community of wheelchair users. The second and third chapters deal with the design of the model, its dimensions and devices as well their operating logic. On fourth and fifth chapters of this work the calculations for selection, sizing and numerical analysis of the machine are shown. Finally, on the conclusion is the description of what has been developed and proposals for continuity of the project. Keywords: interchangeable modular furniture, Domotic, Accessibility.

iv

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1

1.1. A Domótica ............................................................................................................ 1

1.2. Móveis Inteligentes ................................................................................................ 2

1.3. Móveis para Portadores de Deficiências ................................................................ 3

1.4. Acessibilidade ........................................................................................................ 4

2. CENÁRIO DE APLICAÇÃO ................................................................................... 5

2.1. Medidas e Dimensões ............................................................................................ 5

3. CONCEPÇÃO DO MODELO .................................................................................. 6

3.1. Características Principais ................................................................................... 6

3.2. Módulos ................................................................................................................. 8

3.3. Estrutura ................................................................................................................. 9

3.3.1. Dimensões ....................................................................................................... 9

3.3.2. Material ........................................................................................................... 9

3.3.3. Fixação ............................................................................................................ 9

3.4. Combinações dos Módulos .................................................................................. 10

3.5. Sistema de Movimentação ................................................................................... 13

3.5.1. Dispositivos ................................................................................................... 13

3.5.2 Elo de fixação da corrente .............................................................................. 14

3.5.3. Transdutores de fim de curso ........................................................................ 15

3.5.4. Botões ............................................................................................................ 15

3.6. Unidade de Comando ........................................................................................... 16

3.6.1. Esquema básico ............................................................................................. 16

. ................................................................................................................................ 16

3.6.2. Conceitos básicos de um CLP ....................................................................... 16

3.6.3. Programação / Fluxograma ........................................................................... 17

4. DESENVOLVIMENTO ......................................................................................... 19

4.1. Seleção de Componentes ..................................................................................... 19

4.1.1. Motorredutores ............................................................................................. 19

4.1.2. Correntes de transmissão mecânica: ............................................................. 22

4.1.3. Projetando árvores: ........................................................................................ 24

5. ANÁLISE DE ESFORÇOS .................................................................................... 28

5.1. Deformações ........................................................................................................ 28

v

5.2. Tensões ................................................................................................................ 31

6. ANÁLISE CINEMÁTICA ...................................................................................... 34

7. CONCLUSÃO E PROPOSTAS ............................................................................. 37

8. BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 38

ANEXO A - DESENHOS...............................................................................................39

vi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Exemplo de ambiente residencial com tecnologia domótica[2] .................................. 1 Figura 1.2 Exemplo de móvel inteligente [3] ................................................................................ 2 Figura 1.3 Exemplo de móvel inteligente[4] ................................................................................. 3 Figura 1.4 Figura 1.4. Medidas em metros recomendadas pela NBR 9050[5](a) Alcance de altura lateral, (b) Alcance Lateral, (c) alcance frontal. .................................................................. 4 Figura 3.1 Armário completo, sem carenagem, com seus componentes principais. ..................... 6 Figura 3.2 Configuração dos armário com cinco módulos............................................................ 8 Figura 3.3 Diferentes composições dos módulos ........................................................................ 10 Figura 3.4 Movimentos a partir da configuraçãoP0 para P1. ...................................................... 10 Figura 3.5 Movimentos a partir da configuraçãoP0 para P2. ...................................................... 11 Figura 3.6 Movimentos a partir da configuraçãoP1 diretamente para P2. .................................. 12 Figura 3.7 Guias para elevação dos módulos. ............................................................................. 13 Figura 3.8 Elos especiais de fixação. .......................................................................................... 14 Figura 3.9 Funcionamento dos sensores de presença. ................................................................. 15 Figura 3.10 Botão de acionamento dos movimentos. ................................................................. 15 Figura 3.11 Esquema de funcionamento da Unidade de Controle CLP. ..................................... 16 Figura 3.12 Exemplo de Unidade de CLP. .................................................................................. 16 Figura 3.13 Fluxograma de programação do CLP. ..................................................................... 18 Figura 4.1 Forças e aceleraçõesatuando no sistema .................................................................... 20 Figura 4.2 Parâmetros de funcionamento motor Bosch EFP 24V/67W VI[9] ............................ 20 Figura 4.3 Parâmetros de funcionamento motor Bosch CDP 24V/50W VI [9]. ......................... 21 Figura 4.4 Grau de Impulsividade(K1) em correntes para diferentes motores e maquinários[10]. ..................................................................................................................................................... 22 Figura 4.5 Gráfico para seleção de correntes DID ...................................................................... 23 Figura 4.6 Tabela DID para correntes modelo 40. ...................................................................... 24 Figura 4.7 Dimensões que limitam o diâmetro do eixo. ............................................................. 24 Figura 4.8 Esquema de força e torque atuante no eixo, exercidas pela engrenagem em na condição de maior esforço. .......................................................................................................... 25 Figura 4.9 DCL do eixo. ............................................................................................................. 25 Figura 4.10 Gráfico de cortante ao longo do eixo. ...................................................................... 26 Figura 4.11 Gráfico de momentos ao longo do eixo. .................................................................. 26 Figura 4.12 Árvore superior responsável pela transmissão de movimento aos módulos de deslocamento vertical. ................................................................................................................. 27 Figura 5.1 Deformações nas barras das guias do Módulo vertical. ............................................. 28 Figura 5.2 Deformações nas barras das guias do Módulo horizontal. ......................................... 29 Figura 5.3 Deformações na Bandeja de suporte do Módulo Vertical ......................................... 30 Figura 5.4 Tensões nas barras das guias do Módulo vertical. ..................................................... 31 Figura 5.5 Tensões nas barras das guias do Módulo horizontal. ................................................. 32 Figura 5.6 Tensões na Bandeja de suporte do Módulo Vertical .................................................. 33 Figura 6.1 Gráfico de velocidades durante o percurso vertical dos módulos 1,3 e 5. ................. 34 Figura 6.2 Gráfico distância x Tempo durante o percurso vertical dos módulos 1,3 e 5. ........... 34 Figura 6.3 Gráfico de velocidades durante o percurso horizontal dos módulos 2 e 4. ................ 35 Figura 6.4 Gráfico distância x Tempo durante o percurso hotizontal dos módulos 2 e 4. .......... 36

1

1. INTRODUÇÃO

1.1. A Domótica

A Domótica é uma tecnologia recente que permite a gestão de todos os recursos habitacionais. O termo “Domótica” resulta da junção da palavra latina “Domus” (casa) com “Robótica”. A Domótica automatiza sistemas e facilita processos dentro do ambiente doméstico, simplificando a vida diária das pessoas, satisfazendo as suas necessidades de comunicação, conforto, segurança e acessibilidade. Quando a Domótica surgiu (com os primeiros edifícios, nos anos 80) pretendia-se controlar a iluminação, climatização, a segurança e a interligação entre estes 3 elementos[1].

Desta forma a Domótica permite o uso de dispositivos para automatizar as rotinas e tarefas de uma casa. Normalmente são feitos controles de temperatura ambiente, iluminação e som, distinguindo dos controles normais por ter uma central que comanda tudo, que às vezes é acoplada a um computador e/ou internet.

Figura 1.1 Exemplo de ambiente residencial com tecnologia Domótica[2]

2

1.2. Móveis Inteligentes

Os móveis cada vez mais visam trazer ao usuário soluções de ergonomia e praticidade, inovando em ocupação mínima de espaço, segurança de uso, durabilidade e acessibilidade.

Foi pensando assim que algumas empresas foram pioneiras no uso da ciência dos mecanismos e dos materiais agregada aos móveis e permitiram que sistemas pneumáticos, rolamentos e guias poliméricas e amortecedores chegassem até a mobília de casa[3].

Hoje a maioria dos produtos de primeira linha no mercado já possuem as soluções mais simples como amortecimento no fechamento de gavetas e portas com sistemas pneumáticos, porém soluções que unem eletrônica e mecânica, ainda são escassas no mercado.

Ou seja, o móvel inteligente é um móvel pensado e criado para dar maior praticidade, menor ocupação de espaço e maior conforto.

Figura 1.2 Exemplo de móvel inteligente [3]

3

1.3. Móveis para Portadores de Deficiências Os móveis para pessoas que possuem deficiência motora (paraplegia) e necessitam do uso de cadeira de rodas, geralmente são construídos com um limite de altura menor do que o usual para permitir o alcance do braço a todas as partes móvel, impedindo assim a otimização do uso de espaço total do pé direito.

Também há no mercado algumas soluções práticas com braços e alavancas que estendem e retraem mecanismos especiais para pendurar roupas, conforme mostrado na figura 1.3.

Figura 1.3 Exemplo de móvel inteligente[4]

O grande problema destas soluções, é que requerem um grande espaço livre na frente do armário para que haja lugar para a armação e o cadeirante ocuparem ao mesmo tempo.

Este projeto visa agregar mais uma solução para este problema com um armário que possa permitir ao cadeirante utilizar sim, o pé direito de sua casa por completo.

4

1.4. Acessibilidade As normas técnicas da “ABNT 9050:2004 Acessibilidade a edificações, mobiliário, espaços e equipamentos urbanos”, determinam as alturas e distância que o mobiliário precisa ter para que o portador de paraplegia possa acessá-los com o devido conforto e posicionamento.

Estes dados e recomendações são fundamentais para o dimensionamento e adequação do projeto as normas e regras em vigor.

(a) (b)

(c)

Figura 1.4 Medidas em metros recomendadas pela NBR 9050[5] (a) Alcance de altura lateral, (b) Alcance Lateral, (c) alcance frontal.

5

2. CENÁRIO DE APLICAÇÃO

2.1. Medidas e Dimensões Para a construção de armários, a altura é limitada pela altura mínima da

alvenaria de 2700 mm, ou seja sem rebaixos e sancas de gesso. Já para a sua largura e profundidade, não há normas que regulamentem e nem regras a serem seguidas. Porém após uma pesquisa feita nos grandes fabricantes foi encontrado um padrão de profundidade que varia de 550 mm a 650 mm e de largura de portas de 450 mm[6][7].

O peso de um armário pode variar muito dependendo de seu tipo de utilização. Um gaveteiro com roupas pesa muito menos do que um armário para guardar ferramentas.

Foi considerado como premissa de projeto que a utilização do armário será essencialmente relacionada a armazenar roupas, documentos e objetos leves. Portanto, a massa máxima de objetos a serem inseridos em cada módulo foi estabelecida como 65 kg. A massa total do conjunto (objetos e módulo) não deverá ultrapassar o valor de 80 kg.

O uso do armário modular requer que o cadeirante realize ações como acionar botões de comando e abrir portas. Para que o projeto se adeque às normas de acessibilidade da ABNT, a região a ser acessada pelos usuários será limitada a 1350 mm de alcance frontal, 1400 mm de altura lateral e 430mm de alcance lateral.

6

3. CONCEPÇÃO DO MODELO

3.1. Características Principais

Figura 3.1 Armário completo, sem carenagem, com seus componentes principais.

7

O armário é composto de uma estrutura metálica com seis espaços, cinco módulos para armazenar objetos e sistemas de transmissão de movimento acionados por motorredutores elétricos.

Os módulos são intercambiáveis podendo serem realocados ou ainda personalizar o armário de acordo com a necessidade.

A estrutura Metálica é feita em alumínio com perfis tipo cantoneira de abas iguais de 11/2” e de 3.17 mm de espessura[8], fixados por parafusos de cabeça sextavada M6.

O sistema de movimentação é feito por motorredutores elétricos que acionam correntes, e essas presas por elos de fixação às bandejas de suporte que transmitem potência mecânica para a movimentação dos módulos.

8

3.2. Módulos Na estrutura metálica do armário serão inseridos determinados módulos pré-

fabricados, cujos modelos estarão de acordo com a necessidade do usuário. Cada módulo possui as dimensões padrões para o devido encaixe na estrutura metálica e para permitir a intercambiabilidade entre os módulos e os espaços.

A princípio, os módulos serão dos seguintes tipos:

a) Gaveteiros: com gavetas instaladas dentro do módulo em um sistema interno de guias.

b) Cabideiros: com uma barra interna instalada na parte superior do módulo para pendurar roupas em cabides.

c) Estantes: dotados de prateleiras internas.

No armário há 6 espaços e cinco módulos e cada módulo do armário, possui uma numeração para fins de programação como são mostrados na figura 3.2.

Figura 3.2 Configuração dos armário com cinco módulos.

9

3.3. Estrutura

3.3.1. Dimensões As dimensões para o armário e para cada módulo foram definidas de acordo com consenso comum de fabricação de móveis, Estes números foram levantados com a consulta a fábricas de móveis [6][7].

O armário tem medidas totais de 1430 mm x2700 mm x670mm.

Cada módulos têm medidas totais de 450 mm x1100 mm x566.5mm.

Como os módulos possuem uma altura de 1100 mm e os limites de altura lateral para alcance são de 1400 mm, os módulos não podem estar a uma altura superior a 300mm do piso. Para que o cadeirante possa acessar tanto frontalmente como lateralmente, foi considerando também o alcance de altura frontal de 1350 mm limitando ainda mais a altura do módulo em relação ao piso em 250 mm.

3.3.2. Material As estruturas de armários pré-fabricados industriais em geral são feitas

utilizando MDF(Medium Density Fiberboard) ou madeira tipo compensado. Como neste projeto é priorizada a resistência da estrutura e tolerâncias geométricas, foi escolhida a construção de uma estrutura externa feita com perfis de alumínio tipo cantoneira de abas iguais de 11/2’’ de espessura 3.17mm após uma consultoria de um marceneiro especializado em armários[6][7], já os módulos serão de compensado de 15mm de espessura com massa específica de 0,637 g /cm3.

3.3.3. Fixação A fixação das partes da estrutura de alumínio é realizada com parafusos cabeça sextavada M6 com diferentes comprimentos de 8,12 e 20 mm, pois em pontos da estrutura dois ou mais elementos serão fixados conjuntamente.

A fixação das partes da estrutura de madeira dos módulos é realizada com cola especial para madeira já que esse não sofre esforços.

A escolha de materiais para a carenagem e o acabamento não são abordado neste projeto, pois não possui fins acadêmicos e pode ser realizado de várias formas diferentes.

10

3.4. Combinações dos MódulosO cadeirante deve ter acesso aos módulos somente quando os mesmos se encontram na parte inferior do armário. Por exemplo, considerando a configuração P0, para que os módulos 1 e 5 possam ser acessados, as configurações de posicionamentos P1 e P2 apresentadas na Fig. 3.3são necessárias.

Figura 3.3 Diferentes composições dos módulos

Para que estas configurações possam ocorrer com o mínimo de movimentos possíveis a partir de qualquer uma das configuraçõesP0, P1 e P2, as seguintes sequências de movimentos são necessárias.

Figura 3.4 Movimentos a partir da configuração P0 para P1.

11

Figura 3.5 Movimentos a partir da configuração P0 para P2.

12

Figura 3.6 Movimentos a partir da configuração P1 diretamente para P2.

13

3.5. Sistema de Movimentação

3.5.1. Dispositivos O sistema de movimentação dos módulos foi desenvolvido em separado para as

partes de movimentação vertical e de movimentação horizontal.

Primeiramente foi abordada uma solução para a movimentação vertical dos módulos 1, 3 e 5 nos moldes de movimentação de um elevador de passageiros, porem as guias deste movimento foram um empecilho para que os módulos 2 e 4 se movimentassem livremente na horizontal. Portanto a solução foi projetar o sistema de elevação por guias deslizantes mostrado na figura 3.7.

Figura 3.7 Guias para elevação dos módulos.

14

O dispositivo elevatório onde os módulos são fixados, é elevado através de uma corrente fixada a este dispositivo por um elo especial, que é acionada por uma engrenagem acoplada a um motor elétrico.

Para o sistema de movimentação horizontal, também foi projetado um sistema de bandeja que é movimentado sobre guias através de correntes acionadas por engrenagens acopladas aos motorredutores elétricos.

3.5.2 Elo de fixação da corrente

Dois elos especiais de fixação na corrente garantem a transmissão de forças e velocidade para a bandeja de suporte.

Figura 3.8 Elos especiais de fixação.

15

3.5.3. Transdutores de fim de curso Para que o sistema reconheça que o módulo está no início ou no fim do

deslocamento, em cada início e fim de curso de cada módulo é fixado um transdutor de presença binário com haste metálica cujo o acionamento e realizado pelo próprio modulo a haste e avisa ao sistema que este chegou ao local desejado. O transdutor é fixado na parede lateral, portanto, antes que o módulo alcance o final ele cessa o movimento, evitando assim o choque com o teto e com o próprio transdutor.

Figura 3.9 Funcionamento dos sensores de presença.

3.5.4. Botões Quatro botões compõe a interface com o usuário, sendo um switch de comando para ligar a energia e outros três para acionar as três diferentes configurações: acesso ao módulo 1, acesso ao módulo 3 e acesso ao módulo 5(ver figura 3.2).

Figura 3.10 Botão de acionamento dos movimentos.

16

3.6. Unidade de Comando

3.6.1. Esquema básico A unidade de comando pode ser gerenciada por um CLP (Controlador Lógico Programável) que recebe como inputs os sinais dos 5 sensores espalhados pelo armário e como outputs ela fornece sinais elétricos para o acionamento dos 5 motores de corrente contínua.

Figura 3.11 Esquema de funcionamento da Unidade de Controle CLP.

.

3.6.2. Conceitos básicos de um CLP Controlador Lógico Programável segundo a ABNT (Associação Brasileira de

Normas Técnicas), é um equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais.

Figura 3.12 Exemplo de Unidade de CLP.

17

Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável em LADDER para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.

3.6.3. Programação / Fluxograma A lógica de programação simplificada em pseudocódigo leva em consideração somente as ações principais do fluxograma. Os códigos de detecção de posições são sequência de condicionais aplicadas aos sensores espalhados pelo equipamento.

Inicia Programa

Define movimentos

Verifica se todos os módulos estão em inicio/fim de curso

Se sim, próximo, Se não, vá posição P0 e segue. A partir da Configuração0(P0):

Movimento 1(M1): P0 → P1


A partir da Posição 1(P1):



A partir da Posição 2(P2):



Lógica de programação dos movimentos:

Para acessar módulo 1(ir à P1):

Se posição atual = P0; realizar movimento M1. Se não; se posição atual = P2; realizar movimento M6. Se não, não realiza movimento. Espera novo comando.

18

Para acessar módulo 5(ir à P2):

Se posição atual = P0; realizar movimento M2. Se não; se posição atual = P1; realizar movimento M4. Se não, não realiza movimento. Espera novo comando. Para acessar módulo 3(ir à P0):

Se posição atual = P1; realizar movimento M3. Se não; se posição atual = P2; realizar movimento M5. Se não, não realiza movimento. Espera novo comando. Fluxograma:

Figura 3.13 Fluxograma de programação do CLP.

19

4. DESENVOLVIMENTO

4.1. Seleção de Componentes

4.1.1. Motorredutores Para a seleção dos motores superiores que irão realizar os movimentos verticais,

foi calculada a potência necessária analisando o ponto mais crítico da analise cinemática (Figura 6.1) que é o ponto final de aceleração.

Definindo o torque:

Para uma engrenagem de 53.07 mm de diâmetro primitivo acoplada ao motor, arredondando para cima a aceleração da gravidade para 10m/s2 visando à segurança, para a massa do conjunto módulo/sistema elevatório em 80 kg (capitulo 2.1), e desprezando as forças de atrito das guias e nos mancais, o torque máximo no eixo de saída do motorredutor, será estimada em:

T F r Iα m a g r Iα (4.1)

Para a aceleração (a) calculada no capitulo 6: a = 0,01467 m/s2

A aceleração angular (α) será:

α .

. . / (4.2)

Momento de inercia na secção circular(I):

I m .

. (4.3)

Da eq.(4.1):

T 80 0,01467 10 0.026535 3.89x10 7x 0.553 ,

Para a velocidade(v1) no ponto final da aceleração (ver cap. 6) = 0,07335 m/s

n , / , (4.4)

A potência necessária será:

P Tω , , , (4.5)

20

Figura 4.1 Forças e acelerações atuando no sistema

O motor selecionado foi o modelo EFP bosch 24V/67W VI

Figura 4.2 Parâmetros de funcionamento motor Bosch EFP 24V/67W VI[9].

21

Para o caso dos módulos de movimentação horizontal, utilizadas as mesmas condições anteriores, o torque máximo no eixo de saída do motorredutor, será estimada em:

T F r Iα mxaxr Iα (4.6)

Para a aceleração (a) calculada no capitulo: a = 0,006 m/s2

A aceleração angular (α) será:

α .

. . / (4.7)

Momento de inércia na secção circular da eq.(4.3): I = .

Para a velocidade(v1) no ponto final da aceleração (ver cap. 6) = 0,03 m/s

n , / , (4.8)

Da eq.(4.6):

T 80 0,006 0.026535 3.89x10 x 0.226 ,

A potência necessária será:

P Tω , , , (4.9)

Para este caso o motor selecionado foi o modelo CHPbosch 24V/50W VII

Figura 4.3 Parâmetros de funcionamento motor Bosch CDP 24V/50W VI [9].

22

4.1.2. Correntes de transmissão mecânica:

Para a seleção da corrente do sistema de elevação foi, utilizado o catálogo do fabricante DAIDO [10]: Os parâmetros de seleção dependem de condições operacionais do equipamento. Neste projeto foram adotados: - Motor elétrico, maquinário bastante impulsivo (equipamento de elevação de carga). - Corrente de formação simples (fileira única). Pot de trabalho corrigida (Pottc): Pottc= Pott x K1 = 58,8W x 1,5 = 88,2W (4.10)

Figura 4.4 Grau de Impulsividade(K1) em correntes para diferentes motores e maquinários[10].

Para a seleção do número de corrente e suas dimensões foram determinados como parâmetros de entrada no gráfico (ver figura 4.5) do catálogo de correntes Daido 2012 os seguintes valores:

Pot = 88,2W

n(rpm da roda dentada menor) = 26,4 rpm

Como o gráfico não apresenta valores para potencias abaixo d 0,1 kW, foi selecionado então a corrente DID40 que atende a esta potência que será suficiente pois segue pelo lado da segurança.

23

Figura 4.5 Gráfico para seleção de correntes DID

Para a roda dentada os dados principais retirados da tabela do catálogo são:

N(Número de dentes): 13

Dp(Diâmetro Primitivo): 53,07 mm ou 0,053m

De(Diâmetro externo): 59 mm

Para os dados da corrente selecionada DID 40: 08 A-1, sendo o critério de escolha entre os modelos DID40 a carga máxima admissível de 320kgf ou ainda 3136 N que é suficiente para o projeto.

24

Figura 4.6 Tabela DID para correntes modelo 40.

4.1.3. Projetando árvores:

Uma das dimensões que limitam o diâmetro do eixo é a altura da chaveta que está relacionada ao diâmetro do eixo por meio de tabelas padronizadas e não deve, somada ao raio do próprio eixo ser maior ou muito próximo do raio da engrenagem.

Figura 4.7 Dimensões que limitam o diâmetro do eixo.

Por outro lado, o raio da árvore não deve ser muito pequeno a ponto de comprometer a resistência as forças ao qual é submetido. Portanto, para se calcular o raio mínimo da árvore para que este resista ás cargas de flexão e torção máximas aplicadas pelo conjunto corrente e engrenagem, a tensão no ponto crítico não deve ultrapassar a tensão de escoamento dividida pelo fator de segurança.

25

Para o dimensionamento do diâmetro mínimo das árvores, foram analisados os esforços da árvore que sofre maiores esforços em um caso de maior criticidade e este diâmetro replicado para as demais que sofrem esforços muito menores.

As árvores analisadas no caso, foram as superiores que estão acopladas cada uma diretamente ao motorredutor responsável pelo movimento vertical dos módulos 1,3 e 5.

Para um caso mais crítico em que a roda dentada está situada no meio da árvore os seguintes parâmetros são demonstrados nas figuras 4.8, 4.9, 4.10 e 4.11:

Figura 4.8 Esquema de força e torque atuante no eixo, exercidas pela engrenagem em na condição de maior esforço.

Figura 4.9 DCL do eixo.

26

Figura 4.10 Gráfico de cortante ao longo do eixo.

Figura 4.11 Gráfico de momentos ao longo do eixo.

No corte do eixo na engrenagem temos torção provocada pela força Ft, e a própria força Ft.

Calculando então:

Para a distância x = 0,1m

O momento de inércia da secção circular( I) = πd4/64 m4

O momento no ponto critico(M) = PL/4 = 20 Nm (4.11)

27

A distância da linha neutra até o ponto de máxima tração(y) = d/2

Pelo critério de máxima tensão σmax>σx

σx = = =

(4.12)

σmax= σescoam. / FS = 41/1,5 = 27,3 Mpa (4.13)

O material escolhido para a fabricação do eixo foi o aço 1045 trefilado com as características como a tensão limite de escoamento retirados do Protec – manual do projetista.

640/(π d3)<27,3 Mpa (4.14)

Logo,

d >22,3mm

No caso do projeto, a roda dentada ainda foi deslocada para a ponta da arvore e como as condições criticas foram diminuídas. O diâmetro final escolhido para as árvores foi 26 mm e ainda sim, suficiente.

Figura 4.12 Árvore superior responsável pela transmissão de movimento aos módulos de deslocamento vertical.

28

5. ANÁLISE DE ESFORÇOS

5.1. Deformações

As simulações de deformações para os casos críticos foram realizados através do programa SolidWorks. A situação é a bandeja de suporte em seu carregamento mais critico(800N) transmitindo um momento para a barra no ponto médio de 113,2 Nm.

Nas barras das guias de deslizamento verticais, as deformações não ultrapassam 0,045 mm, não causando travamento do movimento.

Figura 5.1 Deformações nas barras das guias do Módulo vertical.

29

Nas barras das guias de deslizamento horizontais, a situação crítica analisada, foi um dos módulos de movimento horizontal ocupando o espaço do meio e o outro ocupando o espaço da ponta, ambos em carregamento crítico. Os quatro apoios transmitem uma força peso de 200N cada.

Flechas máximas de deslocamento no caso crítico de utilização, não ultrapassam 1.42 mm, portanto, para que as guias do movimento horizontal não travem nas barras, elas não são fechadas em todo o seu contorno.

Figura 5.2 Deformações nas barras das guias do Módulo horizontal.

30

A deformação máxima da bandeja de suporte durante a carga crítica de 800N será de 2,236 mm que respeita as folgas e não impedem movimentos.

Figura 5.3 Deformações na Bandeja de suporte do Módulo Vertical

31

5.2.Tensões

O simulações de tensões para os casos críticos foram realizados através do programa SolidWorks pelo critério de Von Mises para saber se o material não irá fratura devido a um esforço que ultrapasse a tensão limite de escoamento.

No caso da Barra vertical, a tensão de Mises máxima foi 1.868 x 103 N/m2

O limite de escoamento do material escolhido (Aço 1045 trefilado) é de 53000 x 103 N/m2

Neste caso as tensões não ultrapassaram o limite de escoamento.

Figura 5.4Tensões nas barras das guias do Módulo vertical.

32

No caso da Barra horizontal, a tensão de Mises máxima foi 74.698 x 103 N/m2



Figura 5.5 Tensões nas barras das guias do Módulo horizontal.

33

No caso da Barra horizontal, a tensão de Mises máxima foi 32.535 x 103 N/m2



Figura 5.6 Tensões na Bandeja de suporte do Módulo Vertical

34

6. ANÁLISE CINEMÁTICA

Para o movimento vertical dos módulos 1,3 e 5 foi selecionado um deslocamento do tipo parabólico-linear, cujo tempo de aceleração e desaceleração de 5 segundos que será controlado pelo CLP. O tempo total de percurso vertical ou horizontal de um módulo é estimado é de 20 s.

Figura 6.1 Gráfico de velocidades durante o percurso vertical dos módulos 1,3 e 5.

Figura 6.2 Gráfico distância x Tempo durante o percurso vertical dos módulos 1,3 e 5.

35

Para o percurso de 1100 mm, a aceleração calculada é:

Período de aceleração:

Δx1 = V T = 12.5 a (5.1)

Período de Velocidade constante:

Δx2 = V1T = 10V1 ; V1 = V0 + aT = 5 a ; Δx2 = 50 a (5.2)

Período de desaceleração:

Δx3 = V T = 25 a - = 12.5 a (5.3)

Somando(5.1),(5.2) e (5.3):

Δx1 + Δx2 + Δx3 = 1100 mm = (12.5 + 50+ 12.5) a = 75 a (5.4)

Logo,

a = 1.1/75 = 0.01467 m/s2 (5.5)

Para o movimento horizontal dos módulos 2 e4 também foi selecionado um tempo de aceleração e desaceleração de 5 segundos que será controlado pelo CLP.

Figura 6.3 Gráfico de velocidades durante o percurso horizontal dos módulos 2 e 4.

36

Figura 6.4 Gráfico Distância x Tempo durante o percurso horizontal dos módulos 2 e 4.

Para o percurso de 450 mm, a aceleração calculada é:

Período de aceleração:

Δx1 = V T = 12.5 a (5.6)

Período de Velocidade constante:

Δx2 = V1T = 10V1 ; V1 = V0 + aT = 5 a ; Δx2 = 50 a (5.7)

Período de desaceleração:

Δx3 =V T = 25 a - = 12.5 a (5.8)

Somando(5.6),(5.7) e (5.9):

Δx1 + Δx2 + Δx3 = 1100 mm = (12.5 + 50+ 12.5) a = 75 a (5.9)

Logo,

a = 0.45/75 = 0.006 m/s2 (5.10)

37

7. CONCLUSÃO E PROPOSTAS

Neste trabalho foi realizado o projeto conceitual de um armário modular intercambiável para o uso de cadeirantes dentro dos fins acadêmicos. O projeto consistiu em um móvel que permite ao cadeirante alcançar sem ajuda a todos os pontos de um armário que utiliza a altura completa do pé direito.

Algumas soluções no mercado já apontaram para esta tendência como mostrado no capitulo 1 deste trabalho, porém a união de mecânica e eletrônica para este fim, ainda não foi explorada de forma comercial.

Uma das melhorias no projeto seria no sentido de ajudar ao cadeirante na abertura de portas que corressem ao invés da abertura clássica, que permitiria o acesso sem muitos deslocamentos da cadeira, tomando o devido cuidado para que os deslizamentos e engrenamentos não sejam afetados de forma a impossibilitá-los.

Outra solução seria agregar ao controle um receptor sem fio para que o móvel possa se comunicar com o cadeirante através de protocolos de comunicação da Domótica, ou seja, o cadeirante poderia enviar através de um dispositivo móvel o comando para reposicionar o armário.

Portanto, o projeto mostra que há capacidade de ser realizada uma solução viável para o problema de organização espacial da casa de um cadeirante de forma simples e com estudos mais profundos com melhorias funcionais e de custos.

38

8. BIBLIOGRAFIA

[1]<http://pt.wikipedia.org/wiki/Domotica>, acesso em:novembro de 2013. [2]<http://www.nantech.com.br/domotica-automacao-residencial/>, acesso em:novembro de 2013. [3]Hafele –Nagold, Alemanha - <http://www.hafele.com.br>. [4]<http://casa.abril.com.br/materia/ambientes-adaptados-para-idosos-obesos-e-pessoas-com-deficiencia> ,acesso em:novembro de 2013. [5]NBR 9050Acessibilidade a edificações, mobiliário, espaços e equipamentos urbanos, Segunda edição - 31.05.2004 [6]Consultoria TOK&STOK [7]Consultoria Leo Madeiras [8] <http://www.shockmetais.com.br/detalhe/aluminio/perfil_u>, acesso em:janeiro de 2014 [9] Catálogo Bosch 2004/2005 <http://www.bosch.com.br/br/negociosindustriais/produtos/motorventilador/12v/pdf/ca

talogomt.pdf>acesso em:Novembro de 2013 [10]Catálogo de correntes DAIDO 2012 <http://www.daido.com.br/downloads/catalogo_did.zip> acesso em:Novembro de 2013

projeto mecânico conceitual de um móvel modular intercambiável ...

Documents

Transcript of projeto mecânico conceitual de um móvel modular intercambiável ...