Fundamentos de Máquinas Simples e Mecanismos

Na Mesopotâmia, no ano 3500 a.C., os filósofos antigos já conheciam as cinco máquinas simples: cunha, plano inclinado, roda e alavanca. Todas as máquinas usadas foram feitas a partir destes elementos ou de uma combinação dos mesmos. A lei das máquinas simples estabelece que: a força motriz de seu braço é igual à força de resistência a ele.

Quando uma força age sobre um objeto, este tende a deformar-se. A deformação depende da direção, do sentido e do ponto de aplicação onde a força está ajustada. Os elementos das máquinas estão sujeitos a uma série de esforços:

• Tração: (alongamento).
• Compressão: (redução) atua perpendicularmente à superfície do material.
• Flexão: (encurvamento).
• Torção: (rotação) atua paralelamente à superfície.
• Corte ou Cisalhamento: age paralelamente à superfície, rompendo-a.

O momento de uma força em relação a um ponto é o produto da força pela distância: M = F × R ou P = M × ω. O momento de uma força provoca uma rotação ou torção. Onde: P é potência (W), M é torque (Nm) e ω é velocidade angular.

Classificação Funcional de Hachette (1811)

Hachette realizou uma classificação funcional de todos os mecanismos conhecidos, ordenados pela tarefa executada na máquina:

• Receptores: recebem o movimento de um motor principal.
• Comunicadores: transmitem o movimento.
• Transformadores (Switches): transformam o tipo de movimento.
• Controladores: regulam ou controlam o movimento.
• Apoios: organizam e suportam os elementos de rotação.
• Operadores: produzem o efeito final.

Definição de Máquina e Motores

Máquina: é um conjunto misto de mecanismos para produzir um efeito final.

1. Máquinas Motoras (Drive)

Fornecem a energia necessária para produzir o movimento:

• Primários: motores que não fornecem energia diretamente à máquina, normalmente transformando-a em energia elétrica para uso posterior.
• Motores Secundários: a potência de saída aciona o aparelho diretamente.
  • Energia muscular: de animais e pessoas, utilizada em atividades de transporte.
  • Energia térmica: motores de combustão externa (locomotiva a vapor, baseada na pressão do vapor que move um pistão) e motores de combustão interna (a combustão ocorre dentro de um cilindro; classificados em ciclos de 4 tempos, diesel, turbinas a gás e motores a jato).
  • Energia elétrica: os mais conhecidos são o motor elétrico e o eletroímã.

2. Máquinas Operadoras

Aproveitam o poder para produzir um efeito, como transportadores (esteiras), modificadores (fresadoras e tornos) e outras classes (calculadoras e computadores).

Eixos e Árvores de Transmissão

Eixo (Axis): elemento de uma máquina, geralmente cilíndrico, que apoia a rotação (sujeito a flexão, cisalhamento e fricção), mas não transmite potência.

• Eixos fixos: não rotacionam, mas permitem a rotação das peças que suportam.
• Eixos giratórios: giram solidários a algumas peças. Podem ser maciços (deformam-se gradualmente sob flexão) ou ocos (suportam melhor as tensões de inclinação).

Árvore (Tree/Shaft): elemento cilíndrico onde partes são montadas para transmitir energia e momento tensor (torção e flexão).

Acoplamentos entre Árvores:

1. Rígidos (Alinhados):
   • Flanges: baseiam-se em colocar dois flanges nas extremidades das árvores, unindo-os com parafusos para impedir o deslocamento relativo.
   • Por compressão (Cozinha): duas peças cônicas são pressionadas contra as árvores para que a rotação de uma arraste a outra.
2. Móveis (Não-alinhados):
   • Elásticos: acoplamentos de borracha ou neoprene que absorvem irregularidades e permitem desalinhamento de até 15º.
   • Juntas Cardan (Universais): transmitem movimento entre árvores com ângulos de até 45º. Utilizam rolamentos para permitir a rotação entre a cruzeta e o garfo. Devido às oscilações, usam-se duas na mesma árvore.
   • Juntas Homocinéticas (CV): transmitem movimento sem oscilações, usadas em transmissões automotivas.
   • Juntas de Oldham: discos de solidariedade nas extremidades com um disco intermediário, para árvores paralelas com pequena distância.
   • Eixo Estriado (Spline): permite que a árvore altere seu comprimento durante a transmissão.

Transmissão por Fricção

Nas rodas de fricção, o movimento é transmitido pelo atrito. Deve haver uma força axial para evitar o deslizamento. A roda condutora (menor) é o pinhão. A fórmula de potência é: P = Fx × (2πnrμ) / 60.

• Rodas de fricção externas: dois discos em contato externo, girando em sentidos opostos. Distância entre eixos: E = R + r.
• Rodas de fricção internas: dois discos em contato interno, girando na mesma direção. Distância entre eixos: E = R - r.
• Relação de transmissão (i): razão entre as velocidades angulares i = N / n = r / R. Se i > 1 é multiplicador; se i < 1 é redutor.
• Engrenagens Cônicas (Tocos): transmitem movimento entre eixos cujas extensões se cruzam.

Polias e Correias

Polia: roda sulcada usada em transmissões via correia. A correia é uma fita flexível que transmite o movimento de rotação. Oferecem maior atrito superficial que as rodas de fricção pura.

• Seção Trapezoidal: feita de borracha, para alta velocidade industrial.
• Seção Plana ou Retangular: feita de couro, para grandes potências ou eixos não paralelos.
• Seção Redonda ou Circular: para pequenas forças (ex: máquinas de costura antigas).

Engrenagens (Gears)

Utilizadas para transmitir grandes potências e torques. Tipos de dentes:

• Retos: paralelos ao eixo. São ruidosos e geram vibração, mas são econômicos.
• Helicoidais: inclinados em relação ao eixo. São silenciosos e suportam altas rotações.
• Em V (Espinha de peixe): compensam forças axiais usando ângulos complementares.

Parâmetros da engrenagem: Diâmetro Primitivo (dp), Diâmetro Externo (de), Diâmetro Interno (di), Módulo (m = dp / z) e Passo Circular (p). Para engrenarem, devem ter o mesmo módulo.

Desempenho e Eficiência

Nem toda energia do motor atinge o eixo final devido ao atrito e design. O rendimento (η) é calculado considerando o torque de atrito (Mr). Em engrenagens, a força é exercida em um ângulo de pressão de 20°, resultando em uma eficiência média de 94% por par.

Transformadores Mecânicos de Movimento

1. Pinhão e Cremalheira (Piñon-Zipper): transforma movimento circular em retilíneo. Usado em tornos, furadeiras e direções de automóveis.
2. Parafuso e Porca: o parafuso gira e a porca se desloca. Usado em macacos de carro e morsas. O momento necessário é M = Q × p / (2π).
3. Excêntrica: disco que gira fora do seu centro geométrico, produzindo movimento harmônico simples em um seguidor.
4. Cama (Leva): peça de forma irregular que transforma movimento circular em retilíneo alternativo.

Mecanismo Biela-Manivela

Transforma movimento circular em linear ou vice-versa. No motor de combustão interna, divide-se em 4 etapas:

1. Admissão: a válvula abre, o pistão desce do PMS para o PMI, aspirando ar/mistura.
2. Compressão: o pistão sobe e comprime o fluido.
3. Expansão (Explosão): a centelha ocorre, a combustão empurra o pistão para baixo (fase de trabalho).
4. Escape: a válvula de escape abre e os gases são expelidos enquanto o pistão sobe.

Trinquete (Ratchet) e Roda Livre

O Trinquete consiste em uma roda dentada e uma lingueta (cinzel) que permite a rotação em apenas um sentido. Pode ser reversível ou não reversível.

A Roda Livre permite que o eixo motor mova o eixo de resistência, mas não o contrário (ex: rodas traseiras de bicicletas e motores de arranque).