(Microsoft Word - Relat\363rio Final - 20091118)

LEANDRO ALEXIS DE DONATO PAEZ

APLICABILIDADE DE MOLAS PNEUMTICAS NA INDSTRIA E PROJETO BSICO DE UM ACOPLADOR PNEUMTICOSo Paulo

2009

LEANDRO ALEXIS DE DONATO PAEZ

APLICABILIDADE DE MOLAS PNEUMTICAS NA INDSTRIA E PROJETO BSICO DE UM ACOPLADOR PNEUMTICOTrabalho de Formatura apresentado Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Graduado em Engenharia

rea de Concentrao: Engenharia Mecnica

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Augusto Leal

Alves

LEANDRO ALEXIS DE DONATO PAEZ

APLICABILIDADE DE MOLAS PNEUMTICAS NA INDSTRIA E PROJETO BSICO DE UM ACOPLADOR PNEUMTICOTrabalho de Formatura apresentado Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do ttulo de Graduado em Engenharia

rea de Concentrao: Engenharia Mecnica

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Augusto Leal

Alves

FICHA CATALOGRFICAPaez, Leandro Alxis de DonatoAplicabilidade de molas pneumticas na indstria e projeto bsico de um acoplador pneumtico / L.A.D. Paez. So Paulo,2009.83 p.Trabalho de Formatura - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecnica.1. Vlvulas de controle pneumtico 2. Molas 3. Acoplagem4. Vages de carga 5. Engenharia mecnica I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Mecnica II. t.RESUMOO objetivo deste estudo caracterizar a utilizao de molas pneumticas em aplicaes veiculares e industriais (como atuadores ou isoladores de vibrao) e ilustrar, com a apresentao de um projeto bsico de um acoplador pneumtico, os processos de projeto, fabricao e testes de um sistema que utiliza molas pneumticas. Alm de dissertar sobre a origem e evoluo das molas pneumticas, consideraes tericas de seu funcionamento e aplicaes atuais, o trabalho engloba etapas de otimizao de um sistema de acoplamento pneumtico. Os desenhos do projeto so tambm especificados. Ao longo do desenvolvimento deste trabalho, algumas modificaes foram feitas no projeto bsico (especialmente no que diz respeito ao mecanismo articulado do sistema). Um modelo didtico para apresentao foi construdo e uma demonstrao foi feita na apresentao final do trabalho.

Palavras-chave: Suspenso a ar. Mola pneumtica. Acoplador. Descarga de vages. Engenharia mecnica.

ABSTRACTThe aim of this study is to characterize the utilization of air springs in vehicles and in the industry (as actuators or vibration isolators), and also illustrate, based on an engineering project of a pneumatic coupler, all the processes of design, construction and tests of a system using air springs. Besides discoursing about air springs origins and evolution, theoretical considerations about their functioning and actual applications, the work comprehends the stages of optimization of a pneumatic coupler. During the development of the work, a few changes have been made in order to evolve the project (introducing a new type of linkage for the elevation of the system). A prototype was built and demonstrated in the last presentation of the project.

Keywords: Air suspension. Air spring. Coupler. Discharge of wagons. Mechanical engineering.

LISTA DE ILUSTRAESFigura 1 - Suspenso a ar - Plymouth (1934)..............................................................4

Figura 2 - Suspenso a ar - Cord (1937).....................................................................4

Figura 3 - Exemplo de teste Carro direita com mola pneumtica ..........................6

Figura 4 - Desenho de projeto - mola pneumtica ......................................................6

Figura 5 - Desenho: controle do transverso ................................................................7

Figura 6 - Suspenso a ar em caminho.....................................................................8

Figura 7 - Suspenso pneumtica em caminho ........................................................9

Figura 8 - Corte de Mola Pneumtica Firestone (modelo de convolutas)..................10

Figura 9 - Mola pneumtica de manga reversvel .....................................................10

Figura 10 - Camadas da Mola Pneumtica ...............................................................11

Figura 11 - Componentes da Mola Pneumtica ........................................................12

Figura 12 nibus eltrico com suspenso pneumtica traseira .............................14

Figura 13 - Suspenso pneumtica para caminhes e SUV .....................................15

Figura 14 - Substituio de pistes por molas pneumticas .....................................16

Figura 15 - Tensor de Mquina .................................................................................16

Figura 16 - Mesa de corte com atuador pneumtico .................................................17

Figura 17 - Frenagem por frico ..............................................................................17

Figura 18 - Prensa automtica ..................................................................................18

Figura 19 - Dimetro efetivo: esquerda, mola com convolutas, direita mola de manga reversvel .......................................................................................................20

Figura 20 - Grfico da deflexo da mola em funo da carga...................................23

Figura 21 - Deflexo efetiva ......................................................................................26

Figura 22 - Mola e roda em posies distintas ..........................................................27

Figura 23 - Presso de compresso .........................................................................33

Figura 24 - Desprendimento do anel .........................................................................34

Figura 25 Deformao da tampa ............................................................................35

Figura 26 Abraso ..................................................................................................36

Figura 27 - Cortes circunferenciais............................................................................37

Figura 28 - Super-extenso: deformao da tampa superior ....................................38

Figura 29 - Super-extenso: ruptura ao redor da porca-cega ...................................38

Figura 30 Vista isomtica do Boot Lift Dynamic Air ................................................40

Figura 31 - Vista lateral .............................................................................................41

Figura 32 Vista frontal ............................................................................................42

Figura 33 Mecanismo de Sarrus (Sarrus Linkage) .................................................42

Figura 34 - Vista Isomtrica do Acoplador.................................................................44

Figura 35 - Vista frontal e vista lateral .......................................................................45

Figura 36 - Tampa superior do Acoplador .................................................................46

Figura 37 - Vista inferior do acoplador.......................................................................47

Figura 38 Trs posies do sistema.......................................................................50

Figura 39 - Dobradeira hidrulica Amada..................................................................52

Figura 40 - Furadeira Kone KFF-50 ..........................................................................53

Figura 41 - Mquina de Corte Hyperjet Flow.............................................................54

Figura 42 - Detalhes do cabeote da Hyperjet ..........................................................55

Figura 43 - Vista do modelo construdo.....................................................................56

Figura 44 - Desenho de fabricao da placa inferior.................................................58

Figura 45 - Desenho de fabricao da placa superior...............................................59

Figura 46 - Desenho dos tubos e pino do Mecanismo de Sarrus..............................59

Figura 47 - Desenho da placa do Mecanismo de Sarrus ..........................................60

Figura 48 - Esquema de entrada/sada de ar ............................................................61

Figura 49 - Foto do prottipo .....................................................................................63

Figura 50 - Foto do prottipo com vista da mola .......................................................63

LISTA DE TABELASTabela 1 - Caractersticas da Dobradeira Hidrulica Amada.....................................51

Tabela 2 - Caractersticas Tcnicas da Furadeira .....................................................53

LISTA DE UNIDADES E TERMOS

N Newton, unidade de fora

m Metro, unidade de comprimento

Pa Pascal, unidade de presso, equivalente a 1 N/m2Bar Unidade de presso, equivalente a 100 000 N/m2Atm Unidade de presso equivalente a 101 325 N/m2Psi Unidade de presso, equivalente a 6895 N/m2k Constante do ar

Big Bag Reservatrio plstico utilizado para armazenar materiais

Tuning Termo empregado para designar personalizao extrema de automveis

SUMRIO1. Introduo ...........................................................................................................12. Histria das molas pneumticas .......................................................................32.1 Origem..................................................................................................................... 3

2.2 Indstria de veculos pesados.................................................................................. 7

3. Caractersticas das molas pneumticas...........................................................93.1 Descrio................................................................................................................. 9

2.2 Materiais ............................................................................................................... 10

2.3 Componentes ........................................................................................................ 12

4. Molas pneumticas: aplicaes na indstria .................................................134.1 Suspenso a ar...................................................................................................... 13

4.2 Atuadores e isoladores industriais ......................................................................... 15

4.3 Exemplos de aplicao .......................................................................................... 16

5. Princpios bsicos: conceitos envolvidos......................................................195.1 rea efetiva ........................................................................................................... 19

5.2 Processos termodinmicos .................................................................................... 20

5.3 Constante elstica da mola pneumtica................................................................. 23

5.3 Freqncia natural................................................................................................. 25

5.4 Sistema no centralizado....................................................................................... 27

6. Seleo de molas pneumticas .......................................................................297. Desgaste............................................................................................................348. Acoplador pneumtico .....................................................................................388.1 Necessidade de mercado ...................................................................................... 38

8.2 Projeto Dynamic Air ............................................................................................... 39

8.3 Otimizaes........................................................................................................... 40

9. Projeto ...............................................................................................................419.1 Seleo do modelo de mola pneumtica ............................................................... 43

9.2 O sistema .............................................................................................................. 44

9.3 Peso da estrutura .................................................................................................. 48

9.4 Mecanismo de Sarrus ............................................................................................ 50

10. Mquinas para fabricao................................................................................5110.1 Prensa dobradeira ................................................................................................. 51

10.2 Fresadora Kone ..................................................................................................... 52

10.3 Mquina de corte Hyperjet Flow ............................................................................ 54

11. Prottipo............................................................................................................5611.1 Caractersticas do modelo ..................................................................................... 56

11.2 Etapas de fabricao e montagem......................................................................... 57

11.3 Desenhos de fabricao ........................................................................................ 57

11.4 Sistema de vlvulas utilizado ................................................................................. 60

11.5 Teste, resultados e fotos do modelo ...................................................................... 61

12. Concluso .........................................................................................................6413. Cronograma fsico ............................................................................................6614. Bibliografia ........................................................................................................6815. Anexos...............................................................................................................6915.1 Isolamento de vibrao.......................................................................................... 69

15.2 Caractersticas da Mola selecionada ..................................................................... 70

15.3 Aplicaes como isoladora .................................................................................... 71

1. IntroduoO intuito deste projeto desenvolver uma atividade completa e de nvel profissional na rea de engenharia mecnica. Princpios e habilidades adquiridos ao longo destes anos na Escola Politcnica serviro de base para a realizao de um trabalho conceitual com implicaes prticas.

O tema do trabalho em questo foi levantado junto empresa Dynamic Air, que projeta, fabrica e instala sistemas de transporte pneumtico e tambm possui rea de desenvolvimento de equipamentos especiais que justamente de onde surgiu a idia para o trabalho.

Um dos equipamentos de estudo chamado Boot Lift, que , basicamente, um acoplador de acionamento pneumtico para facilitar a descarga de material de caminhes/vages em silos e transportadores. O sistema mecnico constitui-se de uma pequena plataforma articulada, que possui um bocal de borracha em sua parte superior (que realizar o acoplamento boca do caminho/vago) e utiliza molas pneumticas para sua elevao.

Ao discutir o tema com profissionais da empresa, percebeu-se oportunidade de aperfeioamento de acopladores pneumticos e tambm um interesse em analisar outras aplicaes relevantes para molas pneumticas.

Em sntese, o trabalho visa analisar a aplicabilidade atual de molas pneumticas (como suspenses no setor automotivo, acopladores, atuadores, entre outros), rever o atual projeto do Boot Lift Dynamic Air (visando mapear possveis melhorias e desenvolvimentos alternativos) e, por fim, realizar o projeto bsico de um sistema otimizado de acoplamento. Alm da documentao, em uma segunda etapa do projeto, um modelo didtico foi construdo, visando demonstrar o funcionamento de uma mola pneumtica e tambm a consistncia do sistema articulado desenvolvido.

Nos primeiros captulos, descreve-se a histria e evoluo das molas pneumticas, que surgiram inicialmente como um conceito para maximizar o conforto dos automveis (substituindo as molas mecnicas). Caractersticas bsicas das molas pneumticas Firestone so descritas, assim como aplicaes e sistemas

substitutos (em geral, molas mecnicas, pistes pneumticos e outros mecanismos). J em captulos posteriores, o projeto bsico do acoplador otimizado apresentado, descrevendo os subsistemas, suas funes e os clculos estruturais realizados (alm de desenhos de conjunto e outros detalhes). Uma comparao com o projeto atual Dynamic Air feita, especialmente no que consiste a mecanismos alternativos implementados.

2. Histria das molas pneumticas2.1 OrigemNo incio da dcada de 30, a fbrica Firestone de borracha e pneus iniciou a realizao de testes para desenvolver e analisar o potencial de molas pneumticas.

Entre 1935 e 1939, j existiam vrios modelos de veculos americanos que estavam equipados com molas pneumticas e eram intensamente testados para demonstrar os benefcios da utilizao destas molas. A grande dificuldade, na poca, era inserir as molas pneumticas como elemento constituinte dos veculos produzidos em massa, uma vez que os custos para utilizao de molas mecnicas eram consideravelmente menores. Alm disso, algumas melhorias nas molas mecnicas helicoidais elevaram drasticamente o conforto, o que tornava menos justificvel a utilizao de um substituto de muito maior custo (apesar de que as molas pneumticas ainda assim melhoravam substancialmente o conforto e estabilidade dos veculos).

Alm da relao custo/benefcio ainda baixa na utilizao de suspenses a ar em veculos de passeio, outro fator determinante para postergar sua evoluo foi o incio da 2 guerra mundial, que destinou muitos recursos indstria blica (seja em termos de pesquisa e desenvolvimento, como tambm matrias-primas e profissionais qualificados).

Figura 1 - Suspenso a ar - Plymouth (1934)Figura 2 - Suspenso a ar - Cord (1937)Em 1938, o maior fabricante de trailers dos Estados Unidos se interessou pela utilizao de molas pneumticas para novos modelos de nibus que estavam desenvolvendo. Trabalhando juntamente aos engenheiros da Firestone, os primeiros nibus foram testados em 1944 e a evidente superioridade das suspenses a ar foi documentada. No comeo da dcada de 50, aps anos de intenso desenvolvimento do modelo, o nibus com suspenso a ar finalmente teve sua produo iniciada. Este foi o marco para a posterior evoluo e ampliao das molas pneumticas.

A aplicao bem sucedida das suspenses a ar em nibus chamou a ateno para sua utilizao tambm em caminhes, trailers e outros veculos pesados. Alm disso, observou-se tambm que esses modelos poderiam ser utilizados para outros fins industriais, como isoladores de vibrao e choques.

Aps evoluo dos modelos e universalizao de sua utilizao, hoje no somente nos Estados Unidos as molas pneumticas so extensivamente aplicadas (caminhes, nibus, automveis, atuadores industriais, isoladores de vibrao), como tambm no Brasil sua presena ampla: veculos pesados (caminhes, nibus, metr), indstria (como isoladores de vibrao e atuadores) e tambm em veculos leves, sendo comum nos adeptos ao tuning de seus automveis.

Figura 3 - Exemplo de teste Carro direita com mola pneumtica

Figura 4 - Desenho de projeto - mola pneumtica

Figura 5 - Desenho: controle do transversoOs desenhos apresentados acima demonstram os esboos iniciais de projeto para as molas pneumticas. Com o desenvolvimento de materiais, tecnologias e processos, os testes se tornaram muito mais amplos, e a aplicao de cada modelo muito mais especfica.

2.2 Indstria de veculos pesadosNos dias de hoje, a indstria de caminhes altamente mais eficiente do que antigamente. Devido necessidade crescente de reduo de custos, ao aumento do preo dos combustveis e outras necessidades de mercado, uma questo de sobrevivncia para as transportadoras que sua frota seja eficiente.

Essa evoluo propiciou s molas pneumticas um ganho de escala significativo, medida que elas garantem maior vida ao veculo, menores custos operacionais e menos falhas de circuitos eletrnicos caros (devido minimizao das vibraes na cabine). Outro fator importante que veculos que utilizam

suspenso a ar implicam menos danos aos produtos transportados, garantindo um transporte de maior qualidade.

Ainda nas vantagens de sua utilizao, o conforto dos motoristas aumenta consideravelmente, elevando sua produtividade, satisfao e evitando acidentes por fadiga.

O investimento inicial para instalao de molas pneumticas em caminhes pode ser elevado, porm o retorno relativamente curto, uma vez que os custos de manuteno e perodos de inatividade so reduzidos consideravelmente.

Figura 6 - Suspenso a ar em caminhoA eficincia de transporte possui outra vantagem com molas a ar: a facilidade de ajuste permite que o caminho transporte diferentes cargas sem necessidade de ajuste especializado. Isso porque a rigidez de sua suspenso definida pelo ajuste simples da presso interna da mola. Com isso, evita-se que os caminhes percorram longos trechos sem transportar cargas. Devido ao balanceamento perfeito entre os eixos, a carga fica distribuda homogeneamente, evitando cargas pontuais elevadas.

Figura 7 - Suspenso pneumtica em caminho3. Caractersticas das molas pneumticas3.1 DescrioUma mola pneumtica um conjunto formado por um fole feito de camadas de borrachas reforadas por tecidos cordonel de alta tenacidade fechado por fixaes metlicas formando um reservatrio estanque. Esse conjunto projetado para operar com presso interna de ar comprimido, podendo tambm utilizar gua ou solues de gua-glicol como fludo interno.

A presso interna gera uma deformao da borracha, tanto axialmente (principal deslocamento) como no plano perpendicular. As fixaes metlicas (tanto inferior como superior) podem exercer uma fora dependente da presso interna (subtraindo-se a presso ambiente).

Alguns fatores construtivos e de operao tornam a utilizao dessa mola muito vantajosa (como alternativa s molas mecnicas, tanto em suspenses automotivas como atuadores / isoladores industriais). Suas principais vantagens e aplicaes tpicas so discutidas posteriormente neste relatrio.

Figura 8 - Corte de Mola Pneumtica Firestone (modelo de convolutas)

Figura 9 - Mola pneumtica de manga reversvel2.2 MateriaisA borracha utilizada na mola constituda de quatro camadas, como pode se observar na figura abaixo.

a) Invlucro externo

Figura 10 - Camadas da Mola PneumticaCapa externa de borracha calandrada.

b) Camada secundriaCamada de borracha reforada, com as fibras em direes com ngulos especficos em relao camada primria.

c) Camada primriaCamada de borracha reforada.

d) Delineador internoCamada interna de borracha calandrada.

Esta a composio padro de molas pneumticas Firestone para presses muito elevadas, quatro camadas de borracha reforada so utilizadas. importante ressaltar que o produto final deve ser completamente impermevel e resistir a presses de projeto a serem determinadas.

Como a utilizao prevista para tais molas em meu projeto um acoplador pneumtico (em que a mola substitui um atuador mecnico), o produto satisfaz com segurana as necessidades de projeto.

Em termos de desgaste do material, o principal fator para prolongamento da vida da mola o ambiente operacional, uma vez que o interior apenas exposto a ar comprimido. Para estimativa de vida til, o principal clculo a ser realizado baseia- se em analisar a fadiga provocada pela deformao tpica de acionamento.

Vale ressaltar que o objetivo do composto elastmero que forma a mola de suportar a presso interna de ar, e no aplicar a fora de acoplamento em si. O que ir aplicar essa fora a coluna de ar, atravs da placa superior (ou inferior) da mola.

2.3 ComponentesEntrada de Ar Porca-cega Placa superiorAnel

Borracha compostaPlaca inferiorFigura 11 - Componentes da Mola PneumticaA entrada de ar geralmente de 6,4 mm (1/4), e situa-se no centro da placa superior. Uma porca-cega utilizada como elemento de segurana, em caso de presses muito acima de projeto venham a surgir dentro da mola. A placa superior constituda de ao-carbono, e fabricada e testada de maneira a garantir total vedao. O anel intermedirio feito de alumnio e serve para restringir a deformao no plano perpendicular ao eixo axial. A borracha composta aquela formada por 4 camadas j apresentadas neste documento, e a placa inferior idntica superior, porm sem a porca-cega e a entrada de ar.

4. Molas pneumticas: aplicaes na indstriaAtualmente, h duas principais aplicaes das molas pneumticas: atuadores /

isoladores industriais e suspenso de veculos.

4.1 Suspenso a arAtualmente, a suspenso a ar muito utilizada em veculos pesados (nibus e caminhes) devido sua capacidade de minimizar as vibraes, proporcionando maior conforto aos passageiros (no caso de nibus) e maior proteo para cargas frgeis transportadas em caminhes / trens.

Outro fator importante na deciso de utilizao de suspenso a ar consiste na anlise de vida til, otimizada a partir de sua instalao, e tambm da reduo de manutenes peridicas. Em um sistema rodovirio mal conservado como o brasileiro, a intensificao de desgaste das suspenses tradicionais (com molas mecnicas) gera uma necessidade muito grande de manuteno.

Em relao a sua aplicao em veculos leves (de passeio), utilizada como auxiliar das molas de ao do eixo traseiro, para que a inclinao traseira devido s cargas no porta-malas ou reboque seja compensada. Algumas montadoras (BMW, Daimler-Chrysler e Land Rover, por exemplo) j possuem veculos com suspenso totalmente a ar, automatizadas e programveis.

A suspenso a ar tambm utilizada em trens modernos, como os trem-bala no Japo. O trem Shinkansen N700, da Japan Railways, por exemplo, utiliza suspenses a ar que permitem a realizao de curvas a velocidades mdias de 270 km/h. Novamente, a principal vantagem obtida a suavidade de operao, garantindo conforto aos passageiros atravs de minimizao da vibrao e de rudos.

Figura 12 nibus eltrico com suspenso pneumtica traseiraVantagens das molas pneumticas em suspenses Caractersticas suaves de dirigibilidade e conforto

Irregularidades da superfcie no so transmitidas s cargas nem aos passageiros

Estabilizao de altura, evitando reduo de contato dos pneus dianteiros com a superfcie (desgaste irregular)

Melhor proteo aos instrumentos do painel, ar condicionado, cd-player Ausncia de pontos de lubrificao

Distribuio uniforme de carga sobre a suspenso e pneus

Aumento da vida til dos pneus (reduo do desgaste irregular)

Baixo custo de manuteno

Minimizao considervel de rudos

Possibilidade de reduo do prmio do seguro da carga

Valorizao do veculo

Facilidade de instalao

Figura 13 - Suspenso pneumtica para caminhes e SUV4.2 Atuadores e isoladores industriaisOs atuadores e isoladores so uma evoluo das molas pneumticas em termos de aplicaes industriais apesar de serem basicamente os mesmos produtos.

Operando como atuador, a mola pneumtica substitui o cilindro hidrulico (ou pneumtico) na conexo de estruturas que forneam movimentos rotatrios ou lineares, principalmente no que tange manuteno, uma vez que o atuador no necessita de selos de vedao para vazamentos e tambm no possui problemas de desgaste comuns aos cilindros (devido ao movimento repetitivo da haste interna).

Como isoladores, as molas pneumticas reduzem a freqncia de vibrao do sistema substancialmente abaixo da freqncia de perturbao (podendo atingir ndices de isolamento da ordem de 90%).

Figura 14 - Substituio de pistes por molas pneumticas4.3 Exemplos de aplicao1- Regulador de tenso em correiasDevido presso controlada no interior da mola, possvel manter elementos como correias, elsticos e correntes com uma pr-tenso determinada. No exemplo, uma mquina que utiliza mola pneumtica para regular a tenso de papel.

Figura 15 - Tensor de Mquina2- Mesa de corteMolas pneumticas podem ser utilizadas para o controle da altura de mesa de corte e tambm acionamento do elemento de corte. Um exemplo apresentado abaixo.

Figura 16 - Mesa de corte com atuador pneumtico3- Acionamento de freio por fricoMolas pneumticas podem tambm ser utilizadas como elementos de acionamento de sapatas de freio, exercendo presses pr-determinadas em sistemas em movimento.

Figura 17 - Frenagem por frico4- Utilizao em prensasA facilidade de controle de atuao das molas pneumticas permite sua utilizao tambm em prensas, determinando-se o padro de prensagem e fora necessria. Abaixo um exemplo de sistema que possui atuao simtrica.

Figura 18 - Prensa automticaVantagens das molas pneumticas como substitutas dos pistes pneumticosBaixo custo: em geral, para operao de capacidade semelhante, o custo inicial metade ou menos em comparao aos sistemas tradicionais de pisto pneumtico ou hidrulico essa diferena se torna mais evidente em sistemas maiores

Variedade de tamanhos: de 56 mm at 940 mm de dimetro foras de at 445 kN

Longa vida til: baixo desgaste garante a elevada durabilidade destas molas

No necessita lubrificao ou manuteno

No possui haste interna ou pisto permite aplicao em locais diversos, mesmo com partculas de sujeira

No ocorre frico entre elementos

Flexibilidade de fludo base pode trabalhar tanto com lquidos como gases

Capacidade angular alta versatilidade: utilizao de um ngulo de at

30 possvel

Carga lateral tolerada molas pneumticas suportam, at certo nvel, cargas perpendiculares ao eixo axial

Altamente compactas quando no infladas, as molas se reduzem a uma altura bem reduzida (mnimo de aproximadamente 28 mm)

Segurana e confiabilidade todos os produtos so previamente testados, garantindo-se a vedao total

5. Princpios bsicos: conceitos envolvidosO conceito fundamental de uma mola pneumtica uma massa de ar sob presso exercendo determinada fora. A magnitude da fora esttica aplicada pela mola funo da presso interna e da rea e geometria do invlucro.

A fora dinmica resultado da variao de presso interna e mudana de rea efetiva da mola devido ao aumento ou reduo da altura. A variao total de presso em uma batida (fora externa aplicada) depende da variao de volume comparativamente ao volume total na posio de equilbrio. Para os modelos de convoluta (nfase do estudo), a variao de rea efetiva em um impulso depende de onde o deslocamento ocorreu.

A rea efetiva pode ser estimada ao determinar a fora esttica longitudinal aplicada (com uma altura especificada) e dividindo-a pela presso interna naquela altura. Esse mtodo utilizado para mapear as reas efetivas estticas utilizadas para clculo de freqncia e correo dinmica.

5.1 rea efetivarea efetiva a rea que suporta a carga em uma mola pneumtica. Seu dimetro estabelecido como a distncia entre os centros dos raios de curvatura da parede da mola. Esta sempre assume formato aproximadamente circular, pois a presso interna age uniformemente sobre sua superfcie portanto, apenas a rea dentro dos centros realmente utilizada para suportar a carga. Para uma mola de convolutas, a rea efetiva aumenta na compresso e diminui na extenso. Para uma mola de manga reversvel, a rea efetiva constante quando operando no sentido positivo do pisto, aumenta quando dilata o pisto em compresso e diminui em caso de a manga inferior ficar acima do pisto.

Em um veculo, por exemplo, quando este est em repouso e carga adicionada ou removida, a vlvula de controle de altura opera de forma a adicionar ou retirar ar suficiente para manter a altura geral do conjunto constante. Ou seja, isso aumenta ou diminui a presso interna de maneira a garantir que a fora aplicada internamente se equipare com a carga total externa, atingindo o equilbrio

novamente.Dimetro

DimetroEfetivo

EfetivoDimetroEfetivo

DimetroEfetivoFigura 19 - Dimetro efetivo: esquerda, mola com convolutas, direita mola de manga reversvel5.2 Processos termodinmicosNesta seo, algumas consideraes a respeito do estado do ar interno sero feitas. Para um processo em regime permanente, os calores especficos podem ser

assumidos constantes.Volume constante (isocrico):

= Esta uma considerao inatingvel, devido natureza flexvel da mola. Porm, em uma condio esttica, a mudana de presso pode ser calculada para

uma determinada mudana de temperatura.Presso constante (isobrico):

= Dinamicamente, o nico jeito de manter presso constante em um processo em uma situao de volume infinito, portanto no , em geral, aplicvel a este caso.

Temperatura constante (isotrmico): = Para assumir processo isotrmico, h a necessidade de que o processo seja muito lento, e, portanto, no uma boa hiptese para adotar no caso estudado.

Processo adiabtico reversvel (Isentrpico): . = . = Este processo definido como adiabtico (sem transferncia de calor para ou do fluido de trabalho). uma hiptese terica tambm que no acontece realmente dentro das molas pneumticas. Porm, para pequenas e rpidas deflexes, uma boa aproximao (adota-se k= 1,404 para o ar).

A entropia constante porque so desconsideradas as irreversibilidades do processo.

Processo Politrpico . = Este processo geralmente representa curvas de expanso e compresso para presses de at aproximadamente 10 bar. Especificando o valor de n, obtm os processos anteriormente avaliados:

n = 1, PV = constante (isotrmico)

n = k, . = constante (isoentrpico)

n = 0, P = constante (isobrico)

n = , V = Constante (Isocrico)

As principais frmulas para compresso de ar em presses de at cerca de 10 bar (com 1 < n < k) so:

. = . =

= Apesar das hipteses assumidas, durante a operao dinmica da mola, tanto a presso como o volume e temperatura variam instantaneamente. A estrutura da mola tambm varia, dependendo de sua configurao. Portanto, o valor de n varia entre 1 e k, mas adotado, para fins de anlise, como 1,38 (aproximado a partir do estudo de amplitudes e foras envolvidas na operao normal de um veculo).

5.3 Constante elstica da mola pneumticaExtenso CompressoDeflexoFigura 20 - Grfico da deflexo da mola em funo da cargaA constante elstica dada pela derivada da fora pela deflexo na posio de equilbrio da curva. Para pequenos incrementos ou deflexes, pode ser aproximada

pela variao total da carga pela deflexo:( ) = (

+ )Em que:

K = Constante elstica (Fora por deflexo)

= Fora na posio comprimida

= Fora na posio estendida

= Variao de altura na compresso

= Variao de altura na extenso = . ( ) = . ( )Em que e so as presses manomtricas na compresso total e extenso total, respectivamente. e so as reas efetivas tambm em compresso total e extenso total, respectivamente.

Substituindo-se nas equaes:

= = 0,5 " = 12,7 (( = . ( ) . ( )A relao entre as presses manomtricas e absolutas dada por (assumindo presso atmosfrica como 1,0 bar):

= ) 1,0 = ) 1,0Em que 1,0 bar a presso atmosfrica, ) a presso absoluta na compresso e ) a presso absoluta na extenso.

Utilizando agora a relao de gases politrpicos: ,*+ ) = ) .

,*+ ) = ) . Aonde:

) a presso absoluta na posio de equilbrio

o volume na posio de equilbrio

o volume na posio Lc o volume na posio LeSubstituindo: ,*+

,*+ = , ) .

1,0- . , ) .

1,0- . Reagrupando os termos, obtm-se a frmula geral para a constante elstica de

molas pneumticas: ,*+

,*+ = ) . , .

.

- 1,0. ( )5.3 Freqncia naturalComo a mola pneumtica aplicada tambm como isoladora de vibraes, prioritrio determinar como calcular sua freqncia natural, para evitar ressonncia e amplificar movimentos vibratrios (ou seja, atuar justamente de forma contrria a qual se deseja).

Considerando-se um sistema no amortecido de apenas um grau de liberdade, a definio clssica de freqncia dada por:

/. = 2. 0 / =(Sendo:

f a freqncia dada em Hz

a velocidade angular, em radianos por segundo

K a constante elstica, em N/m

m a massa, em kg

Portanto:1 . = (2. 0

1 = 2. 0 . 2E tambm: ( = 3Em que:

P o peso, em N

g a acelerao da gravidade, equivalente a 9,8 m/s2Substituindo-se as equaes:. (45() = 30. 2Uma vez que a deflexo efetiva dada por:

7 =Ento obtemos:30. (45() = 87 A deflexo efetiva no possui relevncia fsica, porm possui significado matemtico importante: definida como a carga dividida pela constante elstica. Um

grfico representativo mostrado abaixo:Mola com taxa varivelCurva de deflexoTangenteDeflexoFigura 21 - Deflexo efetiva5.4 Sistema no centralizadoNo caso anterior, a mola estava posicionada na linha de aplicao da fora isto ,no existia alavanca (brao de fora) pois a mola e o local de aplicao da fora possuam a mesma linha de centro. Neste item, sero analisados os comportamentos da taxa dinmica e da freqncia natural de uma mola cuja linha de centro no coincide com a linha de aplicao da fora.

Uma anlise realizada considerando uma distncia diferente do pivot (local de amplitude nula) at a roda da distncia do mesmo at a mola. Um esquema

representado abaixo:Roda MolaPivotFigura 22 - Mola e roda em posies distintasEm que a razo de alavanca (RA) dada por:9 = :Em que:

Ks e Kw: constante elstica da mola (spring) e da roda (wheel), respectivamente

Ls e Lw: carga na mola e na roda, respectivamente

s e w: deflexo na mola e na roda, respectivamente

Relao das constantes elsticas: ; . = < . :: < :

= 9 :?< = ?; . : < = < . ?< = < . @?; . AResolvendo para Kw:

= : < =

? . : = ; . :

= ; . 9 Relao das freqncias:. (45() = 30. ;;. (45() = 30.