Projeto Sem Fim Coroa -1

7/25/2019 Projeto Sem Fim Coroa -1

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UNIVERSIDADE CATLICA DE PETRPOLIS

CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAO

CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

PROJETO DE UMA CAIXA DE REDUO SEM FIM COROA

Arthur Vinagre

Fabrcio Tresse

Jlio Csar de O, G. Coutinho

Rafaela Vasconcellos

PETRPOLIS2016.1


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UNIVERSIDADE CATLICA DE PETRPOLIS

CENTRO DE ENGENHARIA E COMPUTAO

CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

PROJETO DE UMA CAIXA DE REDUO SEM FIM COROA

Arthur Vinagre - 11210511

Fabrcio Tresse - 09100477

Jlio Csar de O, G. Coutinho - 07100835

Rafaela Vasconcellos - 11320093

Trabalho apresentado a matria de Elementos de

Mquinas II do Curso de Engenharia Mecnica

da Universidade Catlica de Petrpolis, como

nota parcial da matria.

Professor: Jorge Fontanella.

PETRPOLIS

2016.1


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RESUMO

Este trabalho tem como objetivo realizar o dimensionamento dos componentesprincipais de uma reduo por sem-fim coroa, tais como: o prprio sistema sem-fimcoroa, rvores, rolamentos e parafusos, apresentando seus clculos e, respectivamente,sua devida referncia bibliogrfica. O dimensionamento foi feito de acordo com asinformaes sobre a dimenso dacaixa de reduo, velocidade angular e torque mnimo necessrio na rvore de sadadados. No final deste tem-se o desenho tcnico da caixa de reduo sem-fim coroa.

Palavras-chave: UCP. Sem-fim Coroa. caixa de reduo.


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Sumrio

1 Exi gncias do Projeto............................................................................................. 02

2

Nmero de Dentes do Pinho e da Engrenagem.................................................. 023 Determinao do Passo Ci rcular........................................................................... 034 Dimetro Primi tivo da Coroa e do Sem F im ......................................................... 045 D istncia Entre Centr os ......................................................................................... 056 ngulo de Avano e Hlice.................................................................................... 057 Passo Diametral Normal........................................................................................ 068 Passo Diametral ...................................................................................................... 069 Espessura da Coroa................................................................................................ 0610 Carga Dinmica na Coroa................................................................................... 0611 Carga de Desgaste................................................................................................. 0712 Resistncia do Dente............................................................................................. 08

13

Coef iciente de Atr ito............................................................................................. 1014 Ef icincia / Rendimento....................................................................................... 1115 Potnci a de Sada.................................................................................................. 1116 rea da Caixa....................................................................................................... 1217 Calor Di ssipado pela Caixa.................................................................................. 1318 Foras Atuantes.................................................................................................... 1519 rvore do Parafuso Sem F im............................................................................... 1820 rvore da Coroa .................................................................................................... 2221 Rolamentos............................................................................................................ 2522 Chaveta................................................................................................................. ..2623 Embreagem.............................................................................................................2824

Concluso...............................................................................................................3025 Anexos................................................................................................................... 3026 Referncias Bibl iogrficas................................................................................... 3927 Desenho Fi nal....................................................................................................... 40


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2

1.

Exi gncias do Projeto

O projeto consiste em desenvolver uma caixa de reduo para transmitir

rotao e torque na rvore de sada com os valores indicados adiante, conforme

os clculos preliminares mostraram ser necessrios. Alguns dados foram

fornecidos e precisam ser considerados:

1- A caixa dever ser movida por um motor de 6 polos.

2- A caixa dever ter embreagem.

3- A velocidade da arvore de sada dever ser de 150 rpm.

4- O tamanho da caixa no dever exceder a 300mm(C) x 200 mm (L) x 200

mm (A).


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2.Nmero de Dentes do Pinho e da Engr enagem

Visando a relao de transmisso e o rendimento, uma vez que se sabe que

quanto mais entradas melhor o rendimento, foi arbitrado o seguinte:

Zp= 3 entradas

Logo: Zg= Rvx Zp

Zg= 8 x 3 = 24 dentes

A caixa ser de ferro fundido cinzento de construo rgida e alta preciso

de usinagem em mquinas de ltima gerao (centro de usinagem). A elaborao

de projeto da caixa proporciona uma melhor dissipao do calor de dentro do

redutor com uma melhor lubrificao dos elementos internos.

3.Determinao do Passo Circular

Arbitrando a distncia entre centros:

C = 2 inarbitrado como um bom valor tendo em vista o espao disponvel no

escopo do projeto e sabendo que:

b = C0,875

Dp= 20,875

= 0,61 in3 3

Dp= C0,875 Dp= 2

0,875 = 0,83 in

2,2 2,2

Sendo que: 3Pc= Dp Obtemos Pc= 0,83 = 0,277 in

3


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4

Buscando um Pcpadronizado pelas tabelas utilizadas em sala de aula, temos o

seguinte:

Pc= 3/4 in = 0,75 in, segue abaixo a padronizao da engenagem com 3\4 in e 24

dentes:

4.Dimetro Primi tivo da Coroa e do Sem F im

Com o passo circular padronizado, deve-se recalcular o dimetro primitivo

da coroa e do sem fim, segue abaixo os novos clculos utilizados:

Dp= 3Pc Dp= 3 x 0,75 Dp= 2,25 in

Dg= Rvx Pcx Zp Dg= 8 x 0,75 x 3 Dg= 5,73 in

A rosca sem fim, ser confeccionada com ferramental apropriado para um maiordesempenho e rigorosamente controlada para um melhor rendimento doengrenamento.

As coroas so em liga de bronze centrifugadas, em formato globoidal, fresadasde maneira para obter-se o melhor contato com os filetes do sem-fim, proporcionando

um melhor rendimento do Redutor.


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5.Distncia Entre Centr os

Com o passo circular padronizado, deve-se recalcular a distncia entre

centros. Sabe-se que:

2C = Dp+ Dg C = 2,25 + 5,73 C = 3,99 in

2

6.ngulo de Avano

t a n =

t a n = , ,

Logo:

= = 11,98

: = devido as rvoes estarem perpendiculares no projeto.

7.Passo Diametral Normal

Pdn= Pdn= Pdn= 4,28

Pccos 0,75 cos 11,988.Passo Diametral


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a grandeza correspondente ao mdulo no sistema ingls. o nmero de dentes

por polegada.

Pd= Pdncos Pd= 4,28 cos 11,98 Pd= 4,189.Espessur a da Coroa

Obteremos tambm um novo valor para b:

b = C0,875 b = 3,99 0,875 b = 1,11 in3 3

10.Carga Dinmica na Coroa

A carga dinmica clculada da seguinte forma:

Fd= 1200 + Vg x Ft

1200

Onde temos: Vg= Dgn Ft= 33000 x HP Vp= Dpn

Vp

Vg= Dgn Vg= x 5,73 x 1200 Vg= 225 ft / min

12 8


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7

Vp= Dpn Vp= x 2.25x 1200 Vp= 706,86 ft / min

12

Ft= 33000 x HP Ft= 33000 x 4 Ft= 186,74 lb

Vp 706,86

Fd= 1200 + 225 x 186,74

1200

Fd= 221,75 lb

11.Carga de Desgaste

Buckingham d um relacionamento aproximado para a carga limite de desgasteem libras. Onde Dg o dimetro da roda, b a espessura e B um fator que dependedos materiais utilizados, do ngulo de presso e do ngulo de avano.

Se o servio contnuo, Fw deve ser maior ou igual que Fd.

Fw= Dgx b x B

Como arbitramos o material da coroa e parafuso sem fim, segue os dados para o

clculo: Material: RodaBronze / Parafuso Sem FimAo Endurecido.

B = 80 (Segundo a tabela 51, pg. 547, livro Faires vol. II). Alm disso, para

10 > < 25 deve-se aumentar o valor de B em 25%.Como =11,98 B = 80 + (0,25 x 80)

B = 100


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8

Fw= Dgx b x B Fw= 5,73 x 1,12 x 100 Fw= 641,76 lb

Verificando o desgaste para uso contnuo: Fw > Fd. Desta forma atende para o

funcionamento!

12.Resistncia do Dente

Os dentes da coroa so mais frgeis que os do parafuso sem fim. Para isto se

aplica a equao de Lewis:

=

Segundo o livro Faires vol II, pg. 546, se a soma dos dentes no sem fim e

na roda for maior que 40, admite-se para o ngulo de presso normal igual a 20,

Y = 0,392.

n = 14 , Y= 0.314

n= 20, Y = 0.392

n= 25, Y= 0.470

n= 30, Y= 0.550

Ento, usaremos Y = 0,392.


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Alm disso temos:

= 15000 PSI, valor do material arbitrado anteriormente.b = 1,12 in, valor clculado anteriormente.

Pcn= Pccos Pcn= 0,75 x cos 11,98 Pcn= 0,73 in

= 15.000 1,12 0,392 0,73 =1530,27

Verificando os valores:

> Atende os parmetros para o projeto!

13.

Coeficiente de Atr ito

Uma estimativa do valor do coeficiente de atrito (f) pode ser feita

utilizando-se a figura abaixo. A curva B deve ser usada quando os materiais

usados forem de excelente qualidade. Neste caso vamos utilizar a curva A da

figura a seguir de forma a ser mais restritivo no projeto:


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VR = Dpn12cosO coeficiente de atrito (f) em um par sem fim coroa depende da velocidade de

escorregamento e do parafuso sem fim. Sendo assim:

= , , =722,6ft / minDe acordo com a figura, ns temos o valor aproximado de:

= 0,042514.Eficincia / Rendimento

= + = , ,+ ,,


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= 0 , 8 2

= 82 %de eficncia.15.Potncia de Sada

= = =0,82 x 4 = 3,28

16.rea da Caixa

Espessura da Caixa:e = b + 2 x Folga

e = 1,12 + 2 x 0,2

e = 1,52 in


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rea da caixa = 833778.00 mm2 = 8,97 ft217.Calor Dissipado pela Caixa

Se a caixa de engranes esquenta com excesso, o filme lubrificante pode ser

modificado e aumenta o contato direto entre as superfcies. Quando isto ocorre, o

roamento aumenta, se gera mais calor e, finalmente, se produz um srio desgaste

na coroa e sem fim.

A quantidade de calor que dissipa na caixa por conveco e radiao

depende dos seguintes fatores: a rea da caixa, a diferena de temperatura entre a

caixa e o ambiente e o coeficiente de transmisso de calor, no qual est

relacionado com a troca de temperatura, da velocidade do ar que incide na caixa ede outras variveis. Como as temperaturas ambientes pouco variam dependendo

do local, ele varia com as dimenses da caixa e a velocidade do ar. A capacidade

de dissipao do calor da caixa, expressa-se por:


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=

Arbitrando o leo a ser usado na caixa e usando a temperatura do

lubrificante igual a 170vamos ter os seguintes clculos:

Nota:Segundo recomendaes, a temperatura de leo nopode exceder o

valor de 196F.

Temperatura do leo = 170F

Temperatura ambiente = 68F

= 102 FDevemos ter qc = q, onde q a quantidade de calor gerado calculado

conforme abaixo:

q = (1- e) HPE

q = (10,82) x 4

q = 0,72

q = 0,72 x 33.000

q = 23.760 lb.ft/min

Assim: = 23.760= 102

= 232,94


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Consultando o grfico da figura 350, pg. 548, livro Faires vol. II, temos:

Para: A = 9 ft2 = 0,46 lb.ft/min, desta forma: = 0,46 9 = 4,14ft2

= 4,14 144= 596,16 in2 596,16 > 232,94

Atende o projeto!

Sabendo que a rea da caixa maior que a rea utilizada nos clculos

acima, no haver problema quanto a dissipao de calor. Alguns ajustes foram

realizados na caixa, devido ao espao disponvel no escopo do prjeto, desta forma

no h necessidade de refrigerao complementar.

18. Foras Atuantes

Torque (T):

= = = 210 Fora Transmitida (FTP): = 33000 onde: = = 2,25 120012 =706,85


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= 33000 4706,85 =186,74

Foras axiais e transversais (FTR e FAP):

= = ( 1 tan costan cos

)Sendo: tan =tancos

tan =tan20cos11,98 =19,6

= = 186,74 (1 0,0425 tan11,98

cos19,6tan11,980,0425 cos11,98)

= = 728,83 Fora Radial (FRR):

= = [

cos cos ]

= = 186,74 [ 19,6cos19,6 11,980,0425 cos11,98 ] = = 264,18


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Conjunto:


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Parafuso Sem Fim:


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Coroa:


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20.rvore do Parafuso Sem F im

Pelo fato das engrenagens serem helicoidais e cnicas, existem as foras

radiais que no podem ser desprezadas pois, no caso de compresso, causam a

flambagem do eixo.

Segundo (HALL & etal, 1977), captulo 9, em projetos baseados na

resistncia e de materiais dcteis usa-se a seguinte frmula para determinar o

dimetro de rvores sujeitas a toro, flexo e esforos axiais, levando-se emconta efeitos de choque, fadiga e flambagem, de acordo com as normas da ASME:

= 16.

Ser adotado para carga gradualmente aplicada Kb = 1,5 e Kt = 1,0.

O material adotado ser o Ao SAE 1030 laminado a frio. Segundo

(CARVALHO, 1984), na tabela IV da pgina 338, temos:

r= 53 kg/mm2- r = 75,23 kPSI

e = 45 kg/mm2- e = 63,87 kPSI

HB = 199

Determinao do dimetro:

De acordo com a ASME para aos comerciais de rvores, temos (permissvel) = 6.000 psi (eixos ou rvores com rasgo de chaveta).


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= 16. = 1 Determinao da tenso de fadiga:

Segundo (CARVALHO, 1984), pgina 83, Tabela 2 Item 3-2, considera-se

n = 0,5 r. Portanto,

n = 0,5 x 75,23

n = 37,62 kPSI

Determinao dos fatores de concentrao de tenses:

Os fatores de concentrao de tenses so necessrios pois neste eixo

teremos um rasgo de chaveta. Os fatores a serem considerados foram extrados do(CARVALHO, 1984), pgina 125, item 4-5, letra C.

Para toro: Kf = 1,3

Para flexo: Kf = 1,6

Determinao da tenso devida ao momento de toro:

efet. = KfZ efet = 1,3 2100,2 1efet. = 1365 lb/in2


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21

Determinao da tenso devida ao momento fletor:

Segundo (CARVALHO, 1984), a atuao do momento fletor cclica,

logo, obtemos as seguintes frmulas:

m = 0

=M

, d

= , , = 245,33lb.in

A tenso fletora equivalente pode ser calculada pela expresso disponvel

no (CARVALHO, 1984) pgina 124, multiplicando-se ambos os membros por e.

O fator de segurana adotado foi FS = 2, conforme anexo F.

= = . = 0 63,87 100037,62 1000 1,6 245,33

= 666,42 lb/in2

Verificao da flecha:

= F L48 E I e I = D64


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= 3,7 x 10-4in

ngulo de deformao por toro admissvel ( adm) :

Segundo (CARVALHO, 1984) pg 239, a frmula para adm, com D

em mm, para rvores de transmisso :

adm = 1 / 20 D

adm = 1 / 20 x 25,4

adm = 1,96 x 10-3

Afastamento entre mancais

Segundo (CARVALHO, 1984) pg 240, calculamos a distncia mximaentre mancais pela frmula:

L = 0,7 (1 + )L = 0,7 (1 + 2,54)

L = 1,81 m

Onde L em m e D em cm

21.rvore da Coroa

Momento de toro em funo da potncia e do motor j reduzido:

T= 63000


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23

P = 4 HP

=63000 4150T= 1680 lb.pol

Determinao do dimetro:

De acordo com a ASME para aos comerciais de rvores, temos

(permissvel) = 6000 psi (eixos ou rvores com rasgo de chaveta):

= 16. = 1,07 Determinao da tenso de fadiga:

n = 0,5 r

n = 0,5 x 75,23

n = 37,62 kPSI

Determinao dos fatores de concentrao de tenses:

Para toro: Kt = 1,3

Para flexo: Kf = 1,6

Determinao da tenso devida ao momento de toro:


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24

efet. = Kf

Z

efet = 1,3 12990,2 1,07efet. = 6,89 x 103lb/in2

Determinao da tenso devida ao momento fletor:

m = 0

= M , d = ,, ,

= 2,98 x 103lb.inFator de segurana: FS = 2

eFS = = m en Kf . = 0 , , 1,6 x 2,98 x 103 = 8,09 x 103 lb/in2

Verificao da flecha:

= F L48 E I e I = D64 = 2,63 x 10-3in


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ngulo de deformao por toro admissvel ( adm):

adm = 1 / 20 D

adm = 1 / 20 x 27,2

adm = 1,84 x 10-3

Afastamento entre mancais, valor mximo:

L = 0,7 (1 + )L = 0,7 (1 + 2,72)

L = 4,35 m

22.

Rolamentos

Foram escolhidos rolamentos de esferas dupla carrera para o projeto,

graas a profundidade das pistas. Esse rolamento possui alta capacidade de carga e

ser de grande uso nesta caixa de reduo sem fim coroa.

Sua construo lhe permite suportar considerveis cargas, mesmo a

velocidades elevadas.

Foram utilizados 4 rolamentos ao todo nesse projeto conforme

especificaes do fabricante:

2 rolamentos para d = 1 in do tipo SKF 3202 ATN9

2 rolamentos para d = 1,07 in do tipo SKF 3308 DNRCBM


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23.Chaveta

De acordo com o dimetro da rvore em que sero montadas, escolhe-se a

chaveta plana pois so de utilizao mais comum. Estas so padronizadas em sua

seo (bxt),

Tabela 13Carvalhopg. 275

D (in) Seo b x t (in2)

15/16 1 1/41 5/16 1 3/8

1 7/16 1 3/4

1 13/16 2 1/4

1/4 x 3/165/16 x 1/4

3/8 x 1/4

1/2 x 3/8

O material empregado em chavetas planas um ao carbono com teor de

aproximadamente 0,2% de carbono, portanto foi escolhido o material Ao SAE

1020.

De acordo com a Tabela I (CARVALHO, 1984) - pg.331, temos os

seguintes dados:

r = 40 kg/mm2 e = 29,5 kg/mm2

r = 56,77 kPSI e = 41,87 kPSI

Segundo o livro (CARVALHO, 1984)pg. 331, o limite de escoamento

no cisalhamento (e=0,6 e), portanto a tenso de escoamento no cisalhamento

ser:

e = 0,6 x e

e = 25,12 kPSI


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Chaveta para rvore da Coroa:

Esmagamento Superficial:

adm =

FS = 2

adm =,

adm = 20935 lb/in2

efet =

20935 = ,

l = 0,19 in

Cisalhamento:

efet =

25,12 x 103=

l = 0,41 in


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Os comprimentos dos cubos das peas obedecem, em geral, s indicaes

(Carvalhopg. 274):

1,25 D L 2 D1,25 x 1,07 L 2 x 1,07

1,34 L 2,14Adotar L = 1,74 in

24. Embreagem

De acordo com o espao da caixa reduzido foi selecionado o modelo de

embreagem de mltiplos discos, devido ao seu tamanho compacto.

MATERIAL

De acordo com a tabela 14-1 (E. Shingley, 571), o material escolhido foi Ferro fundido

com tambor de ao devido ao custo baixo, coeficiente de atrito alto e atende ascondies de presso.

Coeficinte de atrito: f = 0,1

Presso mxima: pa ou p = 1035 KPa

Lembrando que esta frmula relativa para apenas um par de superfcie,

ou seja, este valor deve ser multiplicado pelo nmero de pares de superfcies em

contato.

Dados dimensionais dos discos:

D = 0,041275 m

d = 0,015875


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Clculo da fora atuante nos discos:

= 4 = 1179,99

Torque do motor de 2,16 Kgf.m, portanto a embreagem dever

suportar um torque mnimo de 2,16 Kgf.m:

R = Nmero de discos: 16

= 3

= 2,86

Portanto, o torque da embreagem satisfaz o torque necessrio para

o sistema.


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25.Concluso

Diante dos clculos apresentados e fundamentados em bibliografias ao

final citadas, pode-se concluir que a caixa de reduo projetada atender aos

requisitos constantes no escopo do projeto.

Vale ressaltar que esses clculos foram projetados para esta utilizao e

no so vlidos para utilizao adversa.


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26.Anexos

Anexo A Fator de Lewis (FAIRES, 1973)


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32

Anexo B Fator B para clculo de Carga-Limite


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33

Anexo D Fatores Kt e Kb para clculo do dimetro


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34

Anexo F Fatores de Segurana


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Anexo G Rolamento


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Anexo H Tabela de Propriedades Mecnicas (SHIGLEY, 2005)


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27.Referncia Bibliogrfica

FAIRES, V. M. (1973). Elementos Orgnicos de Mquinas(2 ed., Vol. II). Rio de Janeiro:Livros Tcnicos e Cientficos.

SHIGLEY, J. E. (2005). Projeto de Engenharia Mecnica(7 ed.). Porto Alegre: Bookman.

COLLINS, J. A., & etal. (2010). Mechanical Design of Machine Elements and Machines.UnitedStates of America: John Wiley & Sons.

CARVALHO, J. R. (1984). rgos de Mquinas: Dimensionamento(3 ed.). Rio de Janeiro:LTC - Livros Tcnicos e Cientficos S.A.

HALL, A. S., & etal. (1977). Elementos Orgnicos de Mquinas.So Paulo: McGraw-Hill doBrasil.


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28.Desenho F inal

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