Aula Tema 10

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FACULDADE DO CENTRO LESTE

1Prof. Julio Rezende juliorezende@ucl.br18/05/2015

MECANISMOS

18 de maio de 2 15

Tema nº 1

Freios e

Embreagens

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EMBREAGENS E FREIOS POR ATRITO

As embreagens e freios dependem de um alto coeficiente de atrito, quedeverá ser mantido uniforme para uma ampla faixa de operação, para o seubom funcionamento. A função da embreagem é permitir, de forma suave e gradual, o acoplamentoe o desacoplamento de dois componentes com um eixo de rotação comum.O freio funciona de maneira análoga, sendo que um dos componentes é fixo.Os diversos tipos de freios e embreagens que funcionam por atrito, devemser projetados para satisfazer os seguintes requisitos básicos:

O torque de atrito requerido deve ser produzido por uma forçaatuante admissível;

A energia convertida em calor devido ao atrito (durante a frenagem oudurante o acionamento da embreagem) deve ser dissipada semproduzir altas temperaturas;

As características de desgaste das superfícies em atrito devemproporcionar uma vida útil aceitável.

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EMBREAGENS A DISCO

A figura abaixo mostra uma embreagem a disco esquemática com assuperfícies motriz e movida. O atrito de acionamento entre as duassuperfícies se desenvolve quando elas são forçadas uma contra a outra.

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EMBREAGENS A DISCO

02 interfaces de atrito

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EMBREAGENS DE MÚLTIPLOS DISCOS

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06 interfaces de atrito

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EMBREAGENS A DISCO

p )dr r ( dF 2

1 – Distribuição uniforme da pressão na interface das superfícies:Hipótese válida para uma embreagem nova, com discos externos rígidos.

p = pressão uniforme na interface.

F = força normal atuante

T = torque gerado pelo atrito

n = Quantidade de interfaces

(sempre será um número par)

f = coeficiente de atrito

)r r ( pdr r p F io

r f p )dr r ( dT

2 )r r ( f pdr r f pT io

n )r r ( f pT io

)r r (

)r r ( f F T

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EMBREAGENS A DISCO

imax r pC r p

2 – Taxa de desgaste uniforme na interface das superfícies:Considerando o coeficiente de atrito constante, a taxa de desgaste éproporcional ao produto da pressão pela velocidade de deslizamento.

p = pressão uniforme na interface.

F = força normal atuante

T = torque gerado pelo atrito

n = Quantidade de interfaces

(sempre será um número par)

)r r ( r pdr r p F ioimáx

r imáx

n )r r ( f r pndr r f r pT ioimáx

r imáx

nr r Ff T i

oi r ) ,a ,( r 800450

Normalmente:

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EXEMPLO:

Uma embreagem de múltiplos discos deve ser projetada para transmitir um torquede 85 N.m. As restrições de espaço limitam o diâmetro externo em 100 mm. Ocoeficiente de atrito entre os discos é de 0,06 (a banho de óleo) e a pressãomáxima admissível é de 1400 kPa. Determine os valores do diâmetro interno dodisco, número total de discos e a força de acoplamento.

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EMBREAGENS A DISCO CÔNICO

)dr r ( dA

dr r p f r f dN dT

)r r ( f r p

ioimáx22

)r r ( f pT io

p )dr r ( sendN dF 2

p )dr r ( dN

r r f F

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ACOPLAMENTOS HIDRÁULICOSOs espaços entre as pás são preenchidos com óleo, que circula nas pás

quando a árvore motora gira.

A roda na árvore motora atua como uma bomba, e a roda na árvore movida

atua como uma turbina, de forma que a potência é transmitida, havendo

sempre uma perda de velocidade devido ao escorregamento.

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ACOPLAMENTOS HIDRÁULICOS

Elementos de máquinas

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Diagramade transmissão depotência

Exemplo:

Velocidade de entrada: 1500 min -1

Potência motora: 55 kW

Tamanho do acoplamento: 422

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O acoplamento hidráulico funciona como um sistema de bomba-turbina.Olado motor bombeia o fluido hidráulico contra o lado turbina,

impulsionando-o. O motor parte sem carga atingindo rapidamente 85% de

sua velocidade nominal.

Neste momento,o lado acionado começa a acelerar suavemente,sem

sobrecarregar o motor.

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Sem câmara de retardamento-Utilizado para grandes ciclos de

partida e com limitação de torque

de partida máximo de até 180% do

torque nominal.

Com câmara de retardamentosimples - Utilizado para sistemas

de grande inércia e com limitação

de torque de partida máximo de

até 160% do torque nominal.

Com câmara de retardamentoalongada - Utilizado para sistemas

de grande inércia e com limitação

de torque de partida máximo de

até 140% do torque nominal.

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FREIOS COM SAPATAS EXTERNAS A força F aplicada a uma distância c do ponto de

articulação A, gera uma força normal N na sapata,que está a uma distância b do ponto A. verificamoso aparecimento da força de atrito fN . Fazendo-se osomatório dos momentos em relação ao ponto A ,

temos:0b N a fN c F

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FREIOS COM SAPATAS EXTERNAS

r fN T

O torque de frenagem será:

cr F f T

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FREIOS DE CINTAConsiste basicamente de uma correia plana

enrolada em torno de um tambor, e que impede omovimento deste, quando acionada.

d P 2dN

dN f dP

d P f dP

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FREIOS DE CINTAO efeito da força F pode ser

amplificado pelo deslocamento doponto de pivotamento. Quanto maiorfor a medida s, menor será a forçanecessária para acionar omecanismo.

s P a P F 12

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FREIOS - VEÍCULOS

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FREIOS A TAMBOR

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FREIOS A TAMBOR

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FREIOS - APLICAÇÕES

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FREIOS A DISCO

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FREIOS ABS

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TIPOS MAIS COMUNS DE FREIOS INDUSTRIAIS

FREIO ELETROMAGNÉTICO DE SAPATAS EXTERNAS:É composto de duas sapatas dispostas diametralmenteopostas em torno do tambor (ou polia) de freio, que estáconectado à carga a ser frenada. Seu funcionamentoconsiste na frenagem por ação de molas e a liberação porforça eletromagnética. Quando o freio é acionado, um

conjunto de alavancas atua no sentido de aplicar pressãoentre as sapatas, que são revestidas com material deatrito substituível, e o tambor.São de construção robusta e podem ser utilizados emambientes com alto grau de elementos contaminantes, emregimes severos de trabalho.

Apresentam as seguintes desvantagens: Grande inércia do tambor de freio devidoà sua grande massa, riscos de travamento do tambor devido à dilatação térmica eprecisa de regulagens frequentes para compensar o desgaste do material de atritodas sapatas.

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FREIO INDUSTRIAL DE SAPATA

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FREIO INDUSTRIAL DE SAPATA – TAMBOR DE FREIO

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FREIOS DE DUPLA SAPATA - DEFINIÇÕES

FORÇA NORMAL (Fn):É a força que pressiona a sapata de freio,perpendicularmente, contra o tambor.

FORÇA DE FRENAGEM (Ff):É a força tangencial produzida pelo atrito

entre o elemento de fricção da sapata sobreo tambor, sob ação da força normal.

n f F F 2

MOMENTO DE FRENAGEM (Mf):É o produto da força de frenagem pelo raiodo tambor de freio.

nm f F R M

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TIPOS MAIS COMUNS DE FREIOS INDUSTRIAIS

FREIO ELETROMAGNÉTICO A DISCO:É composto de um disco, acoplado à carga a serfrenada e uma pinça de freio presa a uma estruturafixa. A pinça é o componente que atua sobre odisco transmitindo-lhe a força de frenagem. O discoé o componente girante que transmitirá a força de

frenagem aplicada pelo freio ao equipamento,parando-o. A pastilha de freio é o elemento deatrito, parte do freio que entra em contato com odisco para frená-lo. O processo de frenagem geraenergia que deverá ser dissipada para o meioambiente.

Apresentam as seguintes vantagens em comparação com o freios de sapatas:Menor valor inércia do disco devido à sua pequena massa, menor risco detravamento devido à dilatação térmica devido à pequena espessura do disco epodem ser fornecidos com sistema de regulagem automática para compensar odesgaste do material de atrito das pastilhas.

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FREIO INDUSTRIAL A DISCO – DISCO DE FREIO

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FREIOS A DISCO - DEFINIÇÕES

FORÇA NORMAL (Fn):É a força que pressiona cada pastilha defreio, perpendicularmente, contra o disco.

FORÇA DE FRENAGEM (Ff):É a força tangencial produzida pelo atrito

entre as pastilhas e o disco, sob ação daforça normal.

n f F F 2

MOMENTO DE FRENAGEM (Mf):É o produto da força de frenagem pelo raiomédio (Rm), medido entre o baricentro daspastilhas e o centro do disco de freio.

nm f F R M

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FREIOS - DEFINIÇÕES

FREIOS DE SERVIÇO:São utilizados, normalmente, no eixo de alta rotação, onde o torque de frenagem ébaixo, o que permite o uso de um freio de menor capacidade e de menor custo, epermitem um alto número de manobras por hora.

FREIOS DE ESTACIONAMENTO:

São freios para atuação após a parada do equipamento, fornecendo ao sistemamaior segurança para eventuais operações e manutenção.

FREIOS DE EMERGÊNCIA:Devem ser instalados no eixo de baixa rotação ou o mais próximo possível dacarga. São projetados para um baixo número de manobras, atuando em casos de

sobrevelocidade ou falhas elétricas, com a carga em movimento.

FREIOS TENSORES:São utilizados em aplicações que exigem que o freio forneça torque contínuo paratensionar o material que passa pela máquina (enroladeiras, desenroladeiras,bobinadeiras, etc.). Deverão ter alta capacidade de dissipação térmica.

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FREIOS - DEFINIÇÕES

OS FREIOS PODEM SER ATUADOS (AÇÃO DE FRENAR) POR:• Ação de molas•Força pneumática•Força hidráulica•Força mecânica

OS FREIOS PODEM SER LIBERADOS (AÇÃO DE DESFRENAR) POR:•Força eletromagnética•Força pneumática•Força hidráulica•Força mecânica

Os freios de segurança devem frenar pela ação de molas, pois na falta de energiaeles atuaram de forma automática.Os freios de controle podem ser atuados através de aplicação de força.Os freios de liberação rápida requerem frenagem por molas e liberação porsistema de alavancas.

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FREIOS – APLICAÇÕES - MÁQUINAS PARA ELEVAÇÃO DE CARGAS

Em equipamentos para elevação de cargas, normalmente utiliza-se “freios

dinâmicos” auxiliares (freios de Foucault ) que atuam no sentido de reduzir avelocidade do movimento para depois o freio de serviço atuar, parando o sistema.

Os freios dinâmicos, também conhecidos por freios deFoucault , que são máquinas rotativas geradoras decorrentes parasitas, as quais produzem momentos de

frenagem enquanto giram. As correntes parasitárias são geradas na superfície lisado rotor, o qual gira dentro de um campo magnético,produzido pela bobina de excitação estacionária e aspeças polares. A interação do campo fixo das peçaspolares, produz uma ação de frenagem sobre o rotor.O torque que varia com a corrente da bobina de excitação

e a velocidade do rotor pode ser infinitamente reguladopelo sistema de controle.Como o torque é produzido através de campo magnético,entre componentes sem contacto, não existem peçasgeradoras de atrito (disco, lonas, etc), para ajustar ousubstituir.

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FREIOS ELETROHIDRÁULICOS

Neste mecanismo de elevação eletro-hidráulico, um motor elétrico a

move o rotor b de uma bomba centrífuga através do eixo c . A caixa dabomba é formada por êmbolo d cuja disposição na carcaça e éfacilmente deslocável. Ao se ligar o motor, o rotor b comprime o óleo,que se encontra sobre o êmbolo, enviando-o através das câmarasabaixo do êmbolo, que assim é levantado rapidamente. O movimento ea força do êmbolo são transmitidos por meio de duas hastes f para o

suporteh

e olhali

, que está conectado ao sistema de alavancas dofreio.

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Os freios de serviço normalmente são montados nos eixos de alta rotação, nas trêsposições mostradas.

O freios montados no eixo de altarotação serão freios de menor tamanhopois o torque a ser frenado é o menor. A posição 1 é a menos segura para o

equipamento, pois o sistema ficará semfreio se houver uma quebra de algumacomponente antes do freio. A posição 3é a mais segura, uma vez que, quantomais próximo da carga o freio estiverinstalado maior a segurança do sistema.

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MÉTODOS DE SELEÇÃO DE FREIOS

Os freios devem atender basicamente a duas condições:

a) Fornecimento dos momentos de frenagem estático e dinâmico,suficientes para frenar o movimento;

b) Absorção e dissipação da energia térmica gerada no processo defrenagem, para o ambiente.

MÉTODO RÁPIDO

O torque de frenagem calculado pelo método rápido será sempre emrelação ao eixo de alta rotação, ou seja, o eixo do motor de acionamento.Este método pode ser aplicado aos movimento de elevação e translação.

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MOVIMENTO DE ELEVAÇÃO

Cálculo do torque de frenagem a partir do torque do motor:

P k T k M m f

955011

P = Potencia (kW)n = rotação (rpm)

MOVIMENTO DE TRANSLAÇÃO

P k T k M m f

955022

P = Potencia (kW)n = rotação (rpm)

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ENERGIA TÉRMICA

J T M E f

1Mf = Momento de frenagem (N.m)= velocidade angular do disco (rad/s)T = tempo de frenagem (s)

Para o tempo de frenagem T :

a) Movimento de elevação: T 1s;b) Movimento de translação, conforme tabela abaixo:

ENERGIA TÉRMICA MÉDIA ABSORVIDA POR HORA

E = Energia gerada em uma frenagem (J)FH = número de frenagens por hora

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FREIOS DE SERVIÇO

D E f M M M ME = Momento Estático devido à cargaMD = Momento Dinâmico devido à inércia dos componentes em

movimento.

Para calcular um freio de serviço a ser instalado no eixo do motor, deve-sesempre levar em consideração os valores dos momentos estático e dinâmico:

R g m M E

I I M D

P = peso da carga a ser elevada (N)R = Raio do tambor (m)

I = momento de inércia de massa dos componentes doacionamento em relação ao eixo do motor (kg m2) = velocidade angular do eixo do motor (rad/s)T = tempo de parada (s)i = relação de transmissão do redutor

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ENERGIA TÉRMICA

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FREIOS DE EMERGÊNCIA

D E f M M M ME = Momento Estático devido à cargaMD = Momento Dinâmico devido à inércia dos componentes em

movimento.

Para calcular um freio de emergência a ser instalado no eixo do tambor, deve-sesempre levar em consideração os valores dos momentos estático e dinâmico:

R P R g m M E

T I I M s

P = peso da carga a ser elevada (N)R = Raio do tambor (m)Is = momento de inércia de massa dos componentes do

acionamento em relação ao eixo do tambor (kg m2

)Ie = momento de inércia dos componentes móveis antes doredutor (kg m2)= velocidade angular do tambor (rad/s)T = tempo de parada (s)i = relação de transmissão

2i I I e s

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Momento de inércia de massa:

O momento de inércia de massa é a medida da resistência de um corpo à aceleração

angular.

Considere um corpo de massa m girando em torno de um eixo O-O,

com aceleração angular . Sobre um elemento de massa dm age

uma componente da aceleração tangencial at = r . Conforme a

segunda lei de Newton, a força tangencial é igual a r dm. O

momento dessa força em relação ao eixo

O-O é r 2 dm, e o somatório dos momentos dessas forças para

todos os elementos é:

Se o eixo para análise passa pelo centro de massa do corpo G, o momento de inércia em

relação a este eixo será I G. Visto que r está elevado ao quadrado, o momento de inércia de

massa é sempre uma quantidade positiva. A unidade para o momento de inércia de massa

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EXEMPLO:Selecionar freios de serviço e deemergência para o sistema deelevação principal de uma ponterolante :

Peso da carga = 100 t = 981000 N

Peso do moitão = 1t = 9810 NNumero de cabos de aço = 22Rendimento do moitão = 0,93Diâmetro do tambor = 1500 mmMomento de inércia do motor:Im = 3,1 kg.m2

Momento de inércia dos acoplamentos:

Ia = 2 x 2,6 = 5,2 kg.m2

Momento de inércia do eixo flutuante:Ia = 1,64 kg.m2

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REDUTOR

i = 116,3

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REDUTOR

Engrenagem 1Dp = 247 mmm = 20,5 kg

Engrenagem 2

Dp = 346 mmm = 57 kg

Engrenagem 3Dp = 478 mmm = 150 kg

Engrenagem 4Dp = 670 mmm = 440 kg

1º estágio => i = 32º estágio => i = 33º estágio => i = 3,64º estágio => i = 3,6

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EXEMPLO:

Selecionar freios de serviço e deemergência para o sistema deelevação principal de uma ponterolante :

m = 100 t = 100.000 kgf Momento de inércia do motor:Im = 3,1 kg.m2

Momento de inércia dos acoplamentos:Ia = 2 x 2,6 = 5,2 kg.m2

Momento de inércia do redutor (engrenagens):

IR = 0,88 kg.m2

Momento de inércia do tambor + cabo de aço:ID = 2885 kg.m2

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FREIO DESERVIÇO

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FREIO DE SERVIÇO

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FREIO DEEMERGÊNCIA

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FREIO DE EMERGÊNCIA

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FREIO SH – 14-1

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EMBREAGEM UNIDIRECIONAL

ALTAS ROTAÇÕES

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Contra-recuo

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