Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas

Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas Carlos Manuel Castillo de Castro Dissertação do MIEM Orientador na FEUP: Prof. Lucas F.M. da Silva Coorientadores: Inv. Carlos Moreira da Silva Prof. António Mendes Lopes Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Agosto 2014 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas i Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas ii “Quando um homem tem a perceção que o seu pai estava certo, geralmente tem um filho que pensa que ele está errado” Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas iii Agradecimentos Começo por agradecer aos meus orientadores, Engenheiro Carlos Moreira da Silva, Engenheiro Lucas F. M. da Silva e Engenheiro António Mendes Lopes, que contribuíram para o desenvolvimento e concretização deste trabalho, mostrando-se sempre disponíveis para ajudar caso algum problema ocorresse. Ao Engenheiro Carlos Moreira, queria deixar uma especial menção, foi dos que mais me apoiou na realização deste projeto, tendo sido extremamente gratificante aprender com uma pessoa de bastante conhecimento. Gostava de agradecer também ao Engenheiro Miguel Figueiredo, devido a disponibilidade que teve sempre que precisava de observar a máquina de impacto existente na faculdade. Um muito obrigado aos meus amigos de curta e longa data, que estiveram comigo durante este percurso académico e fizeram parte da minha formação. Queria agradecer especialmente à minha família que sempre me apoiou, à minha mãe, ao meu irmão e em especial ao meu pai que infelizmente não pode estar presente nesta etapa da minha vida. Como não poderia faltar queria agradecer à Unidade de Derretidos, pelos bons momentos que passamos juntos durantes estes anos e que seguramente continuarão. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas iv Resumo É do interesse do Grupo de Adesivos da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (ADFEUP) dispor de uma máquina de impacto para ligações adesivas com uma gama de energias para teste superior a máquina existente na faculdade, de modo a ser possível realizar testes de impacto que não se conseguem de momento. Este trabalho, visa o estudo e projeto de uma máquina de impacto para ligações adesivas. Foi especificado que a energia potencial máxima que a máquina deveria ter para cada teste, era de 700 J e a velocidade de impacto seria de 5 m/s. Devido a complexidade do projeto, este foi dividido por dois grupos, um trata da realização e validação do projeto mecânico e o outro do acionamento e programação. Para o projeto da máquina foram utilizados os softwares Solidworks 2014®, programa utilizado para modelação CAD e consequente validação dos componentes modelados através de simulações e Kissoft 2013®, programa que ajuda no desenvolvimento de rodas dentadas. Depois de concebida a estrutura, utilizou-se o Solidworks Simulation para realizar as simulações de carácter estático e dinâmico necessárias para se perceber, se a estrutura proposta era segura estruturalmente, assim como os componentes principais que a integram. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas v Mechanical development of an experimental dispositive to measure the impact resistance of adhesive joints Abstract It is an interest of the Group of Adhesives of the Faculty (ADFEUP), to have an impact machine for adhesive joints with an array of energy for testing superior than the impact machine that already exists in the faculty, so that it´s possible to conduct tests that aren´t possible in the moment. This work aims to study and project an impact machine to be used in adhesive joints. It was specified that the maximum potential energy that the machine could test was 700 J, and the impact velocity would be of 5 m/s. Given the complexity of the project, it was divided by two groups, one takes care of the mechanical project and validation and the other the actuation and programming. For the project of the machine, the softwares used were Solidworks 2014®, a program used for CAD modeling and validation of modelated components by means of simulations and Kissoft 2013®, a software that helps with the development of gears. After the core structure was conceived, Solidworks Simulation was used for simulating the components statically and dynamically, to understand if the proposed structure was structurally safe, as well as the key components of the machine. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas vi Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas vii Índice de conteúdos 1 Introdução ................................................................................................................ 1 1.1 Motivação .................................................................................................. 1 1.2 Contextualização ........................................................................................ 1 1.3 Definição do problema e especificações .................................................... 2 1.4 Estrutura da dissertação ............................................................................. 3 2. Pesquisa bibliográfica ............................................................................................. 4 2.1 Ensaios de impacto de ligações adesivas ................................................... 4 2.2 Tipos de testes mais importantes realizados com uma máquina de impacto ................................................................................................................... 5 2.2.1 Ensaio Charpy .................................................................................. 5 2.2.2 Ensaio Izod ....................................................................................... 6 2.2.3 Wedge Peel (ISO 11343) [2] ............................................................ 7 2.2.4 Lap Shear (Resistência ao corte) ..................................................... 8 2.3 Máquinas de impacto comerciais ............................................................... 9 2.3.1 Historial na FEUP .......................................................................... 10 2.3.2 Comparação entre diferentes máquinas de ensaio de impacto ....... 11 3.Princípio de funcionamento mecânico .................................................................. 12 3.1 Estrutura ................................................................................................... 13 3.1.1 Base ................................................................................................ 13 3.1.2 Perfis Bosch ................................................................................... 14 3.2 Mecanismo de elevação da carga ............................................................. 18 3.2.1 Tambor ........................................................................................... 20 3.2.2 Moto redutor .................................................................................. 25 3.2.3 Veios .............................................................................................. 26 3.2.4 Casquilho ....................................................................................... 32 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas viii 3.2.5 Engrenagem ................................................................................... 33 2.3.6 Suportes e fixação do motor .......................................................... 35 3.2.7 Rolamentos ................................................................................... 37 3.3 Sistema de guiamento da carga ................................................................ 40 3.3.1 Fixação das guias ........................................................................... 40 3.3.1.1 Casquilhos ............................................................................ 42 3.3.1.2 Elementos de fixação dos casquilhos ................................... 42 3.3.2 Mecanismo de transporte ............................................................... 43 3.3.2.1 Carro ..................................................................................... 44 3.3.2.2 Rolamentos lineares de esferas ............................................. 44 3.3.2.3 Tampa de fixação.................................................................. 45 3.3.2.4 Solenoide .............................................................................. 46 3.3.2.5 Elementos de fixação do solenoide e cabo ........................... 47 3.4 Sistema de libertação da carga ................................................................. 48 3.4.1 Varão exterior ................................................................................ 50 3.4.2 Mangas de guiamento .................................................................... 50 3.4.3 Peça intermédia .............................................................................. 50 3.4.4 Anel das esferas ............................................................................. 50 3.4.5 Mola ............................................................................................... 51 3.4.6 Tampas ........................................................................................... 52 3.4.7 Anéis elásticos ............................................................................... 53 3.5 Sistemas de impacto ................................................................................. 53 3.5.1 Veio da carga ................................................................................. 55 3.5.2 Limitador de posição ...................................................................... 55 3.5.3 Bigorna ........................................................................................... 56 3.5.4 Acoplamento ao transdutor ............................................................ 56 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas xv Figura 65 – Distribuição de tensões de Von Mises (MPa) no conjunto do impactador. a) Vista frontal, b) Vista de baixo......................................................... 72 Figura 66 – Deslocamento resultante segundo x, y e z (mm) ................................ 72 Figura 67 – Deformação resultante (mm) do conjunto do impactador. a) Vista frontal, b) Vista de baixo .......................................................................................... 73 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas xvi Lista de tabelas Tabela 1 – Comparação entre várias máquinas de ensaios de impacto com a máquina a projetar ................................................................................................... 11 Tabela 2 – Massa de acordo com a energia potencial ............................................. 21 Tabela 3 – Classificação de cabos para máquinas de elevação em grupos (DIN 4130) [11] ................................................................................................................. 22 Tabela 4 – Fatores de segurança ν e coeficientes k e c (DIN4130) [11] ................ 22 Tabela 5 – Características do moto-redutor PM60G [14] ....................................... 26 Tabela 6 – Sistema de ajustamento de furo básico .................................................. 28 Tabela 7 – Características do rolamento 61804-2RZ [19]....................................... 38 Tabela 8 – Características do rolamento 61903-2RZ [19]....................................... 39 Tabela 9 – Características do rolamento 61810-2RZ [19]....................................... 39 Tabela 10 – Dados técnicos do transdutor 9361B [25] ........................................... 58 Tabela 11 – Dimensões do transdutor 9361B [26] .................................................. 59 Tabela 12 – Comparação dos valores dos momentos de inércia e módulos de seção .................................................................................................................................. 63 Tabela 13 – Resultados obtidos na análise frequencial .......................................... 70 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 1 1.Introdução O presente capítulo, tem como objetivo, introduzir o tema da dissertação, enunciando a motivação e a finalidade deste trabalho, assim como os objetivos propostos. Serão ainda expostos os dados concretos do sistema que se pretende desenvolver, respeitando as especificações impostas. 1.1 Motivação O uso de adesivos estruturais tem aumentado desde que os utilizadores destes como as indústrias aeronáutica e automóvel, ficaram cientes das vantagens que os adesivos oferecem, quando comparados com os métodos de fixação convencionais; visto que, em relação aos métodos de fixação mecânicos, estes não danificam a superfície (fabricação de furos, e deformação pelo calor ao soldar), podem juntar materiais diferentes sem a ocorrência de corrosão galvânica, podem ser usados nas mais variadas formas geométricas e não requerem um acabamento ou deixam protuberâncias. Os automóveis estão sujeitos a impactos ao longo da sua utilização, sendo os acidentes entre automóveis uma grande preocupação para os fabricantes, visto ser de extrema importância a segurança dos passageiros dos mesmos e dos transeuntes. Devido ao que foi enunciado atrás, os ensaios de impacto são essenciais para testar o comportamento do automóvel, quando sujeito aos mais variados tipos de impacto. 1.2 Contextualização O Grupo de Adesivos da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (ADFEUP) tem desenvolvido trabalhos de investigação, que visam a caracterização dos adesivos, quando estes são submetidos a solicitações de impacto. Apesar de já existir uma máquina de impacto na FEUP, esta não permite a realização de ensaios acima de 300 J [1]. Foi então proposto o desenvolvimento de um sistema de impacto na faculdade como tema de dissertação, depois de uma avaliação do custo de aquisição de uma máquina comercial. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 2 Devido a especificidade do tema e como este é muito abrangente, o projeto de desenvolvimento da máquina foi apresentado para dois cursos, sendo estes Projeto e Desenvolvimento em Engenharia Automóvel, e Automação. O estudo e construção da solução mecânica é objetivo da presente dissertação, e a automatização é a finalidade da dissertação de Automação. 1.3 Definição do problema e especificações Optou-se por uma máquina de ensaios por queda gravítica de um peso, pois permite satisfazer aos tipos mais correntes de ensaios de impacto e em condições de reduzida presença de cargas espúrias. Os tipos de ensaios mais comuns realizados com uma máquina de impacto, englobam ensaios de cunha simétrica (Wedge Peel) [2] e resistência ao cisalhamento (Lap Shear). A energia potencial armazenada numa massa, elevada até uma altura conveniente, deverá ser transmitida a um provete, havendo que garantir a sua não dissipação durante a queda. Este fato tem implicações sobre o equilíbrio das massas móveis e o assegurar a verticalidade dos elementos estruturais que limitam o movimento de queda, para a não existência de contactos durante este movimento. Os resultados de um ensaio, serão obtidos a partir da análise numérica do sinal de um transdutor associado às massas móveis e respetiva ponta de impacto. O dispositivo foi dimensionado de acordo com algumas especificações que foram definidas à partida:  Custo reduzido;  Peças a ensaiar: provetes normalizados ou peças de forma indeterminada;  Energia máxima de 700 J;  Velocidade no momento de impacto de 5 m/s.  Tipo de máquina: máquina de libertação vertical de um peso. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 3 1.4 Estrutura da dissertação O presente documento está dividido em 5 capítulos, pretendendo-se detalhar com exatidão e simplicidade o trabalho realizado, de modo a facilitar a sua compreensão e apreciação. O 1º capítulo introduz o tema abordado, expondo a motivação e objetivos que se pretendem alcançar, assim como as especificações definidas de antemão para a máquina. O capítulo 2, relata a pesquisa bibliográfica que foi realizada, começando pela procura dos diferentes tipos de máquinas de ensaios de impacto existentes no mercado, referindo-se depois, os diferentes tipos de testes de impacto mais comuns, que se podem realizar com uma máquina de impacto. A explicação do trabalho realizado inicia-se no 3º capítulo, o princípio de funcionamento mecânico é abordado, explicando-se a solução construtiva escolhida e o seu funcionamento. No 4º capítulo são abordadas as diferentes simulações de carácter estático e dinâmico, realizadas com o software Solidworks 2014®, tendo por finalidade, a validação dos componentes projetados. No capítulo 5, são retiradas conclusões relativas ao trabalho realizado na presente dissertação, expondo também a possibilidade da realização de alguns trabalhos futuros. Finalmente, são mencionadas as respetivas referências bibliográficas consultadas, seguindo-se os anexos que englobam os desenhos técnicos das diferentes peças projetadas neste trabalho. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 4 2. Pesquisa bibliográfica Este capítulo, reflete a pesquisa bibliográfica que foi realizada, desde as diferentes máquinas existentes no mercado, aos diferentes tipos de ensaios de impacto em ligações adesivas que se podem realizar com uma máquina de impacto. 2.1 Ensaios de impacto de ligações adesivas Nos últimos anos, tem havido um maior interesse no desempenho de ligações adesivas, quando sujeitas a cargas de impacto. Os adesivos, sendo materiais poliméricos, são sensíveis à velocidade de aplicação da força nos mesmos, sendo importante conhecer, se a ligação adesiva irá manter a sua integridade estrutural após sofrer um impacto. O comportamento à fadiga destas juntas é particularmente relevante no desempenho destas ligações. Nas indústrias automóvel e aeroespacial, pretende-se que muitas das estruturas se deformem positivamente, para garantir a absorção de cargas de impacto e assim promover a segurança dos ocupantes. Nestas condições, é necessário que as ligações adesivas, que integram estas estruturas, não falhem. [3] É importante ter um teste que seja de simples compreensão e de fácil execução, de uma maneira fidedigna e repetível nos adesivos e as suas ligações. Um dos testes de impacto mais comum, é o de Charpy, em que o provete é impactado por meio de um pêndulo. Cada vez mais, recorre-se ao ensaio por libertação de uma massa vertical, em que esta é elevada até uma certa altura, sendo depois libertada, impactando na amostra a ensaiar. Nos testes de impacto mais básicos, os chamados tradicionais ou não instrumentados, é medida a energia absorvida pelo material a ensaiar para causar rotura. Enquanto estes testes são adequados ao controlo de qualidade, não fornecem uma boa informação de como ocorreu a falha ou a causa de fratura de um componente. Em comparação, os testes de impacto instrumentais fornecem curvas de tensão/deformação que distinguem as roturas dúcteis e frágeis e a energia de iniciação da fenda da energia de propagação. Outra vantagem destes testes vem da preocupação da fiabilidade, para uma gama de produtos em ascensão, desde componentes médicos a automóveis. [3] [4] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 5 Com os testes de impacto instrumentais, uma célula de carga, ou acelerómetro é fixa à ponta do impactador. Os dados de força e tempo durante o impacto são guardados por um sistema de aquisição de dados de alta velocidade. Por sua vez, estes dados podem ser usados para gerar curvas que mostram a força, energia, velocidade e deformação necessária para começar a rotura e a consequente falha e a sensibilidade de um material a diferentes taxas de força de impacto. 2.2 Tipos de testes mais importantes realizados com uma máquina de impacto 2.2.1 Ensaio Charpy De todos os ensaios de impacto que se realizam, o ensaio Charpy é dos mais comuns. Neste ensaio, o provete é suportado por dois apoios, estando entalhado entre eles como mostra a Figura 1, sendo depois impactado pela ponta de um pêndulo libertado de uma altura predefinida. O entalhe presente na barra, dá origem a uma concentração de tensões que irá causar que a fratura ocorra no mesmo sentido do entalhe. Na Figura 2, pode-se observar uma curva obtida num ensaio Charpy para dois adesivos distintos. Figura 1 – Ensaio Charpy [5] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 6 Figura 2 - Curvas obtidas em ensaios Charpy de dois adesivos [5] 2.2.2 Ensaio Izod Uma alternativa ao ensaio Charpy é o ensaio Izod, que tem 2 ou 3 geometrias definidas para os espécimes. Para polímeros, as amostras são ligeiramente mais longas que as existentes para o ensaio Charpy. A espessura dos espécimes pode variar entre 3 e 12.7 mm. O ensaio Izod é realizado de maneira ligeiramente diferente ao ensaio Charpy, em vez do provete estar apoiado em cima de dois apoios, este está encastrado de um lado e suspenso entre um grampo. O pêndulo ou o peso libertado impacta a amostra do mesmo lado do entalhe como mostra a Figura 3. Figura 3 – Ensaio Izod [6] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 7 2.2.3 Wedge Peel (ISO 11343) [2] O ensaio de impacto por cunha simétrica é um ensaio ISO usado para medir a resistência dos adesivos estruturais à fratura por clivagem, a velocidades de teste compreendidas entre os 2 e 3 m/s, a várias temperaturas definidas pelo utilizador. Este ensaio consiste numa cunha que irá impactar um provete assente num suporte pré definido para este ensaio. Na Figura 4 pode visualizar-se de que maneira o adesivo sofre o impacto. Na Figura 5, está representado um gráfico com curvas força-tempo obtidas em um ensaio de cunha simétrica realizado. Figura 4 - Dispositivo de cunha simétrica [5] Figura 5 - Curva força-tempo de um ensaio de cunha simétrica [5] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 8 2.2.4 Lap Shear (Resistência ao corte) Os testes de resistência ao corte são os testes realizados mais comuns, para a caracterização da força da junta adesiva em condições quase estáticas de carregamento. Consiste numa solicitação de corte nos provetes, originando a rotura do adesivo como se pode observar na Figura 6. Na Figura 7, estão representadas várias curvas força-deformação para vários materiais, curvas que são típicas de um ensaio de simples sobreposição. Figura 6 – Várias configurações de Lap Joints, com melhorias da junta em sentido descendente [7] Figura 7 – Curvas força-deformação típicas de um ensaio de simples sobreposição com vários substratos [7] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 15 Figura 12 – Estrutura da máquina de ensaio de impacto Legenda: 1 – Perfil Bosch 90x180H de L=1800 mm; 2 – Chapa de aço Fe350 de 10 mm de espessura; 3 – Perfil Bosch 90x90 de L=360.6 mm; 4 – Perfil Bosch 45x180H de L=1180 mm; 5 – Perfil Bosch 90x180 de L=300 mm; 6 – Perfil Bosch 90x90H de L=700 mm; 7 – Perfil Bosch 90x180 de L=400 mm; 8 – Chapa de aço Ck45 de 8 mm de espessura; 9 – Perfil Bosch 90x180 de L=580 mm. Os perfis são aparafusados recorrendo a vários tipos de ligações que o fabricante (Bosch) proporciona, a Figura 13, mostra alguma das ligações que se irão utilizar. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 16 Figura 13 – a) Ligação por parafusos autoroscantes em perfis topo a topo; b) Ligação por conectores angulares de ângulo variável. Figura 14 – Ligação dos perfis 90x180H à base. Vista superior à esquerda e vista inferior à direita Nesta fase do projeto é importante a garantia da verticalidade dos montantes (1 na Figura 14). Portanto, foi necessário fixá-los de uma maneira segura e eficaz como mostra a Figura 14. Inicialmente, para a ligação entre os montantes, pensou-se em recorrer a soldadura entre chapas de aço Fe350, aparafusadas aos montantes e um perfil de aço UPN, Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 17 esta ligação substituiria os perfis (2), (3) e (4) representados na figura anterior, mas devido ao rigor necessário para a realização da operação, optou-se por uma solução de ligação mais simples, utilizando perfis do mesmo fabricante. Deste modo, os montantes, estão ligados aos restantes perfis de modo a formarem entre si uma base sólida. Os perfis (5) impedem uma maior flexão da estrutura quando esta suporta a carga máxima, transmitindo os esforços resultantes para a base da máquina. Por cima, os montantes estão ligados entre si através de duas chapas de aço 250x570 de 8mm de espessura, e dois perfis de alumínio, como bem ilustra a Figura 12. Na Figura 15, verifica-se o modo de ligação das chapas aos perfis Bosch. Figura 15 – Ligação das chapas de aço aos perfis, recorrendo a blocos roscados que se inserem nos perfis De modo a se poder verificar se a máquina responde à necessidade de verticalidade das guias, utiliza-se um simples mecanismo de fio-de-prumo ancorado à estrutura. A garantia de verticalidade será conseguida por ajuste de patas que se fixarão no suporte da máquina. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 18 3.2 Mecanismo de elevação da carga Para elevar a carga, foi projetado um sistema de elevação por cabo de aço, com enrolamento de um tambor. Nas Figuras 16 a 18 é mostrado o sistema em si de modo a ser mais fácil a sua perceção. Caso o tambor ocupasse uma posição axial fixa, o ponto de desenrolamento do cabo variaria axialmente. Neste caso, o cabo teria um ângulo variável para diferentes posições do carro de suporte da bigorna, que por sua vez translada nas guias. Este exemplo introduziria um erro de posicionamento variável, já que a medida da sua posição será feita indiretamente por um transdutor associado ao motor elétrico do guincho. A solução presente consiste em dois veios ligados entre si através de uma engrenagem cuja razão de transmissão é 1:2. O veio do tambor ao rodar, faz com que o veio roscado (que tem um passo equivalente a metade do existente na rosca do tambor), rode na direção contrária através de um casquilho com rosca interior, presente num suporte intermédio que serve de ligação do veio roscado com o tambor, o que faz com que este conjunto se desloque numa direção que confere exatamente a variação verificada no ponto de desenrolamento do cabo do tambor. Assim sendo, a fixação por cabo entre o tambor e o carro de suporte da bigorna permanece vertical. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 19 Figura 16 – Sistema de elevação da carga Figura 17 – Representação em corte da zona abrangida pelo veio do tambor Legenda: 1 – Chaveta 5x5x10; 2 – Roda dentada de 60 dentes; 3 – Suporte 1; 4 – Suporte intermédio; 5 – Rolamento 61810-2RZ; 6 – Tambor; 7 – Chaveta 10x8x171; 8 – Veio do tambor; 9 – Suporte 2; 10 – Rolamento 61804-2RZ; 11 – Chaveta 6x6x20; 12 - União-elástica Rotex; 13 – Vão de suporte do motor; 14 – Chapa de centragem do motor; 15 – Motor. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 20 Figura 18 – Representação em corte da zona abrangida pelo veio roscado Legenda: 1 – Chaveta 4x4x8; 2 – Roda dentada de 30 dentes; 3 – Suporte 1; 4 – Suporte intermédio; 5 – Anel elástico; 6 – Casquilho roscado; 7 – Veio roscado; 8 – Suporte 2; 9 – Rolamento 61903-2RZ. 3.2.1 Tambor Com as especificações de 5 m/s e 700 J de energia máxima, foi necessário definir uma altura máxima de libertação da carga, assim como o peso máximo que esta carga deve ter. Considerando a Energia potencial e a Energia cinética Ep=mgh (1) Ec=1 2mv2 (2) Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 21 Igualando (1) e (2), obtém-se h=1.27 m Com a altura máxima da carga, podem-se assim definir massas para cada nível de energia requerido. Tabela 2 – Massa de acordo com a energia potencial Energia Potencial [J] Massa [kg] 100 8.034 200 16.069 300 24.104 400 32.138 500 40.173 600 48.208 700 56.243 Tendo uma estimativa da carga que o tambor irá ter de suportar, é preciso calcular as dimensões do tambor, assim como o diâmetro do cabo que irá levantar a carga. Foi considerado como massa fixa, os componentes que constituem os sistemas de guiamento da carga e impacto, como massa variável são considerados os pesos a adicionar ao conjunto. Massa do carro=15.722 kg Massa máxima dos pesos=56.243 kg Massa total=71.965 kg ≈80 kg Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 22 Tabela 3 – Classificação de cabos para máquinas de elevação em grupos (DIN 4130) [11] Tabela 4 – Fatores de segurança ν e coeficientes k e c (DIN4130) [11] De acordo com a Tabela 3, foi escolhido o grupo I para o cabo de aço, visto que o movimento tem que ser preciso e a carga não é importante. Diâmetro do cabo=k ×√S (3) Diâmetro do tambor=c ×√S (4) Definindo S como a massa total, após resolver as equações (3) e (4), temos um diâmetro de cabo de 3mm e um diâmetro de tambor de 60mm. Tendo a força a suportar e o diâmetro do tambor é possível calcular o binário do motor. Binário do motor=F × r (5) Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 23 Resolvendo a equação (5), obtém-se um binário de 23.52 Nm. Definindo uma velocidade de subida da carga de 0.15 m/s, encontra-se a velocidade angular (w). Como w= vcabo rtambor e n=60×w 2π Resulta n= 60×vcabo 2π×rtambor (6) n = 47.7 rpm ≈ 48 rpm Com o binário e a velocidade angular obtém-se a potência. Potência (kW)=M×w 9550 (7) P=0.118 kW Para a escolha do motor, foi tido em conta um valor de potência duas vezes superior à calculada, isto é 0.236 kW. De seguida foi necessário calcular o número de espiras mínimas existentes no tambor. Comprimento total = 1270 mm Comprimento de cada espira= 𝐷 × 60= 𝜋 × 60 (8) nº espiras= l total l espira (9) nº espiras=6.7 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 24 Tendo o valor do número mínimo de espiras, decidiu-se que o tambor teria 9 espiras úteis, por forma a garantir alguma forma de abraçamento do cabo do tambor, quando o cabo tiver chegado ao seu deslocamento máximo. A extremidade do cabo, está imobilizada por esmagamento através de um parafuso. Foi proposta a utilização de aço inox AISI 420 [12] como material do tambor, tendo em conta a boa resistência à abrasão e corrosão deste tipo de material. Foi decidido que o tambor teria um passo de 4 mm. O tambor (Figura 19) tem um comprimento total de 110 mm e deve ser obtido através de maquinagem, visto que não se justifica a fabricação de um tambor por soldadura devido ao seu baixo diâmetro [11]. Para o tambor transladar no veio, este é furado e escatelado ao longo do corpo, de acordo com a norma ISO/R 773 para chavetas paralelas. O tipo de enchavetamento, segue as tolerâncias N9/h9 para o cubo (tambor) e JS9/h9 para o veio [13]. O desenho de definição do tambor encontra-se no anexo F. Figura 19 – Tambor (mm) Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 31 Figura 23 – União elástica Rotex 19 [15] Legenda: 1 – Semi-articulação com diâmetro 20H7; 2 – Elemento elástico; 3 – Semi-articulação com diâmetro 25H7. De maneira a saber se o comprimento do enchavetamento da semi-articulação 25H7 é suficiente, recorreu-se as equações (12), (13) e (14), para definir o comprimento mínimo que a chaveta deveria ter. Veio motor: Ø 25 mm – F=1881.6 N Sabendo que o escatel do veio do motor, está de acordo com uma chaveta 6x6, tem-se l (compressão) = 2.55 mm e l (corte) = 1.84 mm, o que mostra que temos comprimento suficiente na semi-articulação para garantir a resistência da chaveta quando submetida ao binário máximo. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 32 Figura 24 – Veio roscado com os diferentes diâmetros (mm) e passo da rosca Para o veio roscado, foi definido um diâmetro de veio de 30 mm com um passo de 2 mm, metade do passo do tambor. Como no outro veio, este também tem vários diâmetros pelo mesmo motivo explicado acima: Ø 12 – Ligação com a roda dentada; Ø 14 (esquerda) – Serve de batente à roda dentada; Ø 14 (direita) – Redução de diâmetro para facilitar a montagem do rolamento; Ø 17 – Ligação com o rolamento; Ø 20 – Serve de batente ao rolamento para que este não saia do suporte; M30 – Ligação com o casquilho. O material escolhido para a construção deste componente, foi o aço Ck 45 [12]. Nos anexos G e H, podem-se visualizar os desenhos de definição destes componentes. 3.2.4 Casquilho De modo a fazer a ligação entre o veio roscado e o suporte intermédio, foi necessário projetar um casquilho com roscado interior, este roscado tem um passo igual ao do veio roscado. Na Figura 25 pode ver-se que o casquilho tem duas ranhuras, uma é para o acoplamento de um anel elástico para veios DIN 471 – 40x1.75 [16] de modo a fixar o casquilho ao suporte e a outra ranhura destina-se a inserção de um pino cilíndrico ISO Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 33 2338 – 4x10 [16] de modo a impedir a rotação do casquilho quando o veio roscado rodar. Bronze da norma DIN CuSn12 [12] é o material desta peça, devido a boa resistência ao desgaste e corrosão. O desenho de definição deste componente encontra-se no anexo I. Figura 25 - Casquilho com roscado interior e dimensões (mm) 3.2.5 Engrenagem Para a transmissão entre o veio do tambor e o veio roscado, foi necessário projetar uma engrenagem. Para calcular o módulo, recorreu-se a fórmula de Lewis [17]. m=√119.4×103×P σced×Z×n 3 (15) m = 1.3 ≈ 1.5 Em que: σced – Tensão de cedência do material ; P – Potência em cv; Z – Número de dentes; n – Velocidade de rotação (rpm). Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 34 Visto que o passo do veio do tambor é o dobro do veio roscado, a relação de transmissão da engrenagem deve ser de 1:2, portanto foram escolhidas duas rodas dentadas de módulo 1.5, tendo a maior 36 dentes e a menor 18. Utilizou-se a aplicação Kissoft® para o cálculo da engrenagem, obedecendo à norma ISO 6336, tendo-se constatado a necessidade de aumentar o módulo para 2 mm e aumentar o número de dentes de cada roda, de modo a favorecer um bom engrenamento e respeitar os fatores de segurança. Daqui resultou uma engrenagem de módulo 2, com uma roda de 60 dentes e outra mais pequena de 30. Em ambos os casos, tratam-se de rodas de dentado reto, com um ângulo de pressão de 20º, sem correção de dentado. A roda maior tem um furo de 15 mm de diâmetro [18], estando ligada ao veio do tambor através de uma chaveta e fixada axialmente por um parafuso M4 e uma anilha. A engrenagem menor tem um furo de 12 mm [18] e está fixa ao veio roscado de um modo equivalente à roda de 60 dentes. Figura 26 – Rodas dentadas de 60 (esquerda) e 30 (direita) dentes (mm) Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 35 3.2.6 Suportes e fixação do motor Para suportar o mecanismo de elevação, foram criados suportes. Na Figura 27, pode-se verificar uma vista em corte do primeiro suporte; neste suporte encontram-se as rodas dentadas lubrificadas a massa, que estão protegidas de poeiras vindas do exterior, assim como os rolamentos que ajudam a rotação dos veios. Figura 27 - Vista em corte do primeiro suporte (mm) Na Figura 28, está representado o segundo suporte que tem alojado no seu interior os mesmos rolamentos que o primeiro suporte. Nos dois suportes pode-se verificar a existência de batentes que em conjunto as faces presentes nos veios, impedem que os rolamentos se desloquem, dando origem a uma boa fixação dos mesmos. Figura 28 - Vista em corte do segundo suporte (mm) Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 36 Os suportes estão fixos a um perfil 90x180, (aparafusado ao topo dos perfis Bosch 90X180H) através de 8 parafusos de cabeça hexagonal M8 [13]. O motor elétrico, está a ser suportado por quatro varões roscados fixos ao segundo suporte, utilizando um sistema de porca e contra porca para se fixar a estes. De modo a permitir uma correta centragem do motor, foi acoplada uma chapa à guia de centragem do motor e aos varões, servindo de guiamento aos mesmos. Para criar uma melhor base de sustentação para o motor, o segundo suporte foi reforçado por intermédio de duas chapas de 6 mm de espessura, fixas ao perfil Bosch por parafusos M8 e pinos de 6 mm de diâmetro, para a impedir a inclinação do suporte, como mostra a Figura 29. Figura 29 – Modo de fixação do motor elétrico Está representado na Figura 30 o suporte intermédio que serve de ligação entre o tambor e o veio roscado, tendo alojados no seu interior o casquilho com roscado interior e o rolamento do tambor. O rolamento está seguro do mesmo modo dos rolamentos dos suportes anteriores, isto é, através de batentes, presentes no suporte intermédio e no tambor. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 37 Figura 30 - Vista em corte do suporte intermédio (mm) Os suportes principais, e as chapas de reforço do segundo suporte, têm como material um Alumínio 6060, devido à boa resistência à corrosão e qualidade de acabamento superficial. O suporte intermédio tem como material o aço Ck45 com revestimento de zincado negro para melhorar a resistência à corrosão. Os varões que servem de fixação do motor e a chapa de centragem, serão de aço Ck45 [12] sem tratamento. Nos anexos J, K, L, M, N e O, podem ver-se os desenhos de definição dos componentes descritos. 3.2.7 Rolamentos Devido as baixas velocidades de rotação e cargas, foram escolhidos rolamentos rígidos de esferas, de uma carreira, vedados e com auto lubrificação. Os esforços a que estão sujeitos os rolamentos são principalmente radiais devido ao peso dos componentes, portanto ao dimensionar os rolamentos o único fator a ter em causa foi o tamanho necessário de cada um para desempenhar o seu papel. Figura 31 - Rolamento rígido de esferas de uma carreira 2RZ [19] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 38 Consultando o catálogo da SKF, para um diâmetro interior de 20 mm, escolheu-se o rolamento rígido de esferas 61804-2RZ para ser aplicado no veio do tambor. Na Tabela 7 estão visíveis as características do rolamento e na Figura 32, encontrase uma representação esquemática. Tabela 7 - Características do rolamento 61804-2RZ [19] Figura 32 - Desenho de definição e esquema de montagem do rolamento 618042RZ [19] Para o veio roscado o rolamento escolhido foi o 61903-2RZ, na Tabela 8 e Figura 33 estão explícitas as características deste rolamento e o desenho de definição e respetivo esquema de montagem. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 39 Tabela 8 – Características do rolamento 61903-2RZ [19] Figura 33 – Desenho de definição e esquema de montagem do rolamento 61904-2RZ [19] Por último para o rolamento entre o tambor e o suporte intermédio foi escolhido o 61810-2RZ, na Tabela 9 e Figura 34, estão descritas as características do rolamento e representação esquemática. Tabela 9 - Características do rolamento 61810-2RZ [19] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 40 Figura 34 - Desenho de definição e esquema de montagem do rolamento 618102RZ [19] 3.3 Sistema de guiamento da carga 3.3.1 Fixação das guias As guias por onde o carro que movimenta a carga se irá deslocar, serão guias cilíndricas com 25 mm de diâmetro, tendo um comprimento de 1700 mm. Elas são fixas à estrutura através de casquilhos se se irão inserir nos furos realizados nos perfis Bosch 90x180 de 400 mm de comprimento. Os casquilhos superiores, estão fixos através de dois meios anéis que serão aparafusados ao perfil Bosch 90x180 superior os casquilhos inferiores serão fixos do mesmo modo. As Figuras 35 e 36 mostram com exatidão o que foi acima descrito. Figura 35 – a) Fixação das guias a estrutura (parte de cima); b) Vista em corte da fixação do casquilho superior e guia Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 47 3.3.2.5 Elementos de fixação do solenoide e cabo Para fixar o solenoide, foi projetado um apoio em chapa quinada de acordo com a norma DIN 6935, para o fixar na vertical como mostra a Figura 40. A chapa de suporte do conjunto é fixada ao carro por parafusos ISO 4014 – M5 [13]. Por sua vez, a chapa que fixa o solenoide, é aparafusada a chapa de suporte através de parafusos ISO 4014 – M4 [13] e roscas ISO 4032 - M4. Para acoplar o cabo a este conjunto, foi projetado um tubo com 20 mm de diâmetro interno, entalhado pela chapa de suporte; neste tubo, está inserido um pino localizado por pinos bipartidos, que serve de ligação com o cabo de aço. A Figura 46 mostra com clareza o que foi dito nos parágrafos anteriores. As chapas quinadas e a peça de acoplamento ao cabo, são de aço DIN Ck 45 [12]. Nos anexos U, V e W, estão representados os desenhos de definição dos elementos falados anteriormente. Figura 46 – Fixação do solenoide e da peça que irá ligar o cabo ao carro Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 48 3.4 Sistema de libertação da carga De maneira a libertar a carga, era necessário um sistema que fosse eficiente. O sistema encontrado vem de encontro a essa necessidade, é um sistema simples e está representado na Figura 47. Figura 47 – Mecanismo de libertação da carga Legenda: 1 – Anéis elásticos; 2 – Varão exterior; 3 – Manga de guiamento; 4 – Tampa de fixação ao carro; 5 – Peça intermédia; 6 – Mola; 7 – Esfera; 8 – Anel de esferas; 9 – Tampa interior. Para fixar a carga no mecanismo de libertação, o veio que entra no mecanismo de libertação empurra as esferas (7), que por sua vez empurram o anel das esferas (8) contra a mola, fazendo com que as esferas entrem numa cavidade da peça intermédia. Depois de passar pelas esferas o veio fica posicionado devido ao entalhe que possui, estando neste momento a carga fixa pelas esferas. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 49 Para libertar a carga, o solenoide atua sobre a peça central (5) até esta bater na tampa interior (9), devido ao angulo do entalhe do veio, as esferas são expelidas contra os entalhes da peça central, libertando o veio da carga, deixando cair o peso que irá impactar o provete. Na Figura 48 pode-se observar a sequência de funcionamento descrita nos parágrafos anteriores. Figura 48 – Fixação e libertação da carga. 1 – Fase de aproximação do veio da bigorna; 2 – Fase de acoplamento do veio; 3 – Veio da bigorna acoplado; 4 – Fase de libertação do veio da bigorna Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 50 3.4.1 Varão exterior A peça exterior do mecanismo de libertação consiste num tubo de 50 mm de diâmetro com retificado interior com uma parede de 5 mm. Será preciso maquinar alguns entalhes para fixar os anéis elásticos e as mangas de guiamento. O aço DIN Ck 45 [12] é o material de que é feito esta peça. No anexo Y, encontra-se o desenho de definição deste componente. 3.4.2 Mangas de guiamento De maneira a diminuir o atrito entre as peças, foram colocadas umas mangas de guiamento de PTFE, um composto de bronze da marca Merkel [22]. As mangas têm uma espessura de 2,5 mm e uma altura de 8mm, posicionando-se nos entalhes maiores do tubo retificado anterior. 3.4.3 Peça intermédia A peça intermédia é importante, na medida que sem ela, as esferas não ficariam fixas no anel e não seria possível fixar ou libertar a carga. Esta peça será maquinada a partir de um varão retificado de 50 mm de diâmetro, cujo material é o aço St 52 [12];o desenho de definição deste componente encontra-se disponível no anexo Z. 3.4.4 Anel das esferas Este componente serve para fixar as esferas, deixando que estas saiam o suficiente para fixar o veio da carga, do lado contrario, permite que estas rolem livremente para entrarem no entalhe da peça intermédia. Este componente é fabricado através da maquinagem de um varão retificado de 40 mm de diâmetro, de material aço St52 [12]. O desenho de definição da peça, encontra-se no anexo AA. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 51 3.4.5 Mola A mola serve para elevar a peça intermédia sobre o anel das esferas, fazendo com que este as esferas estejam do lado de dentro do anel, como mostra a Figura 47. Figura 49 - Características da mola [23] Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 52 A Figura 49, apresenta os parâmetros utilizados para projetar a mola. As propriedades do material e o diâmetro do cabo, foram as equivalentes as encontradas na empresa produtora de molas Fanamol [23]. Recorreu-se a uma aplicação para calcular as restantes propriedades [24]. Como se pode verificar, a força máxima admissível na mola é de 68.3 N no deslocamento máximo. Como a mola irá sofrer um deslocamento menor, a força necessária será menor, contudo é preciso ter em consideração os atritos entre as peças. Por este motivo o solenoide foi sobredimensionado. 3.4.6 Tampas A tampa interior serve de batente às peças e caso seja necessário trocar algum componente, proporciona um fácil acesso ao mecanismo. Para conseguir roscar a peça foram feitos dois furos pequenos de modo a poder entrar uma chave. A Porca exterior, serve para fixar o mecanismo de libertação à parte de baixo do carro. Pode-se verificar na Figura 50 que esta tem uns furos, que servem para ajudar a fixação do componente através da utilização de uma chave em C. Os dois componentes são constituídos pelo aço DIN Ck45, com revestimento de zincado negro de modo a melhorarem a resistência à corrosão, estando os desenhos de definição das duas peças nos anexos AC e AD. Figura 50 – Tampa exterior de fixação ao carro Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 53 3.4.7 Anéis elásticos O anel elástico exterior serve para fixar o mecanismo de libertação a parte de cima do carro. Esta peça é um anel elástico para veio DIN 471 – 60x2 [16]. O anel interior serve para servir de batente a peça intermédia, impedindo que esta saia para fora do mecanismo; este componente é um anel elástico para furo DIN 471 – 54x2 [16]. 3.5 Sistema de impacto Este sistema, constitui a carga propriamente dita. A célula de carga está acoplada à “bigorna” de maneira a receber diretamente a informação durante o impacto. É aconselhável que o transdutor não tenha esforços à tração porque contribuem para o aumento do erro nas medidas. Na Figura 51, temos representado o sistema de impacto. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 54 Figura 51 – Sistema de impacto Legenda: 1 – Limitador de posição; 2 – Veio da carga; 3 – Bigorna; 4 – Contraporca; 5 – Flange de ligação à bigorna; 6 – Haste de fixação ao transdutor; 7 – Contraporca da haste; 8 – Acoplamento do transdutor; 9 – Transdutor; 10 – Espiga de impacto; 11 – Ponta de impacto. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 55 3.5.1 Veio da carga O veio da carga como já foi demonstrado anteriormente, é a peça que faz a ligação da carga com o mecanismo de libertação. É um veio de aço inox da norma AISI 310 [12] de 25 mm de diâmetro roscado na parte inferior de maneira a possuir uma ligação com a bigorna e centragem pelo próprio veio. O desenho de definição do veio está presente no anexo AE. 3.5.2 Limitador de posição A bigorna possui lateralmente 8 furos roscados M10, onde irão encaixar parafusos sem cabeça M10. Estas peças, juntamente com as porcas baixas ISO 4035 – M10 [13] definem a folga que o mecanismo de impacto tem em relação às guias. Pode-se ajustara folga com uma maior ou menor roscagem. Estas peças são importantes na medida que impedem que a carga em queda livre caso se desequilibre, tenha a sua posição limitada relativamente as guias. Os limitadores são peças simples, de modo a poderem ser substituídos quando apresentarem desgaste. Têm como material o aço Ck45 [12] com zincado negro. Na Figura 52, está representada esta peça e a folga máxima permitida é de 0.3 mm. Figura 52 – Fixação dos limitadores de posição Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 56 3.5.3 Bigorna A bigorna é o componente que serve de ligação com o resto dos constituintes deste sistema de impacto. Esta estrutura tem que ter uma boa rigidez, atuando com um suporte perfeito sem ter muita vibração; Deverá ser uma peça com massa reduzida para não limitar demasiado a carga de ensaio mínima, Um alumínio de uma série elevada será o material perfeito para esta peça. Este componente tem um furo M24 de passo fino com uma espiga de centragem na base, de modo a servir de ligação com as peças que irão constituir o acoplamento ao transdutor. Acima tem um furo roscado de 25 mm de diâmetro que serve de centragem, com um furo M16 de passo fino, para ser acoplado o veio da carga. Para evitara dissipação de energia no momento da queda do peso, é necessário que a bigorna ao cair, não entre em contacto com as guias, estas só la estão para garantir um bom guiamento do carro e para servir de bloqueio ao peso, caso este não caia verticalmente. As massas móveis, serão fixas à face superior da bigorna, servindo o veio da carga como guiamento. No anexo AF, está o desenho de definição desta peça. 3.5.4 Acoplamento ao transdutor Para ligar o transdutor a base da bigorna, foram projetadas várias peças, que se ligam entre si do mesmo modo. Cada peça, possui uma espiga de centragem de modo a garantir a coaxialidade do conjunto e uma rosca, para garantir a fixação entre elas. Na Figura 53, é possível visualizar o que foi descrito através de uma vista de corte no conjunto. A flange de ligação à bigorna (1) e a haste de fixação ao transdutor (2), possuem primeiro uma rosca, seguido de uma centragem. O acoplamento do transdutor (4), possui a espiga de centragem primeiro, seguido da rosca, de modo a poder-se utilizar uma contraporca (3), para poder determinar a posição de rodagem do transdutor, isto é, para se poder controlar a direção da saída co cabo de sinal do transdutor. O transdutor possui também uma espiga de centragem. De maneira a impedir que os componentes desenrosquem, existem furos que permitem a passagem de um pino para “picar” a rosca nos componentes (1) e (2) da figura seguinte. A contraporca tem o mesmo efeito para o componente (4). Os desenhos de conjunto destes componentes, encontram-se nos anexos AH, AI, AJ e AK, sendo o material destes componentes, aço inox da norma AISI 310 [12]. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 63 4.2 Estrutura Devido a complexidade dos perfis Bosch [10], para poder simular a estrutura, foram criados perfis quadrangulares de formas mais simples, com momentos de inércia (Ix e Iy), módulos de seção (Wx e Wy) e materiais equivalentes aos perfis fornecidos pelo fabricante. Com a estrutura modelada, foram definidas as condições de fronteira. Foi definida uma carga de 80 kg a atuar no cimo da estrutura, onde se situa o tambor e foi definido que a base estaria fixa. Tabela 12 – Comparação dos valores dos momentos de inércia e módulos de seção Perfil Fabricante Calculados 90x90H 𝐼𝑥=299.8 𝑐𝑚4 𝐼𝑦=299.8 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=66.62 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=66.62 𝑐𝑚3 𝐼𝑥=299.8 𝑐𝑚4 𝐼𝑦=299.8 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=66.62 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=66.62 𝑐𝑚3 45x180H 𝐼𝑥=766.67 𝑐𝑚4 𝐼𝑦=57.28 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=85.19 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=25.46 𝑐𝑚3 𝐼𝑥=766.54 𝑐𝑚4 𝐼𝑦=57.24 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=85.18 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=25.44 𝑐𝑚3 90x180 𝐼𝑥=1380 𝑐𝑚4 𝐼𝑦=401 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=153.33 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=89.11 𝑐𝑚3 𝐼𝑥=1380.07 𝑐𝑚4 𝐼𝑦=401.24 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=153.34 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=89.17 𝑐𝑚3 90x180H 𝐼𝑥=2138.3𝑐𝑚4 𝐼𝑦=544.3 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=237.59 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=120.96𝑐𝑚3 𝐼𝑥=2138.34𝑐𝑚4 𝐼𝑦=544.29 𝑐𝑚4 𝑊𝑥=237.59 𝑐𝑚3 𝑊𝑦=120.95𝑐𝑚3 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 64 Na Figura 56 é apresentada a malha utilizada para o estudo da estrutura, sendo esta constituída por elementos tetraédricos de 35mm de tamanho, possuindo 155351 nós e 88976 elementos. Figura 56 – Malha da estrutura. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 65 4.2.1 Estrutura-estudo estático Nas Figuras 57 a 60, são apresentados os diferentes resultados obtidos após a simulação estática da estrutura. Figura 57 – Distribuição de tensões de Von Mises (MPa) na estrutura. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 66 Figura 58 - Deslocamento resultante segundo x, y e z (mm). Figura 59 – Deformação resultante. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 67 Figura 60 – Fator de segurança (FOS). Como se pode verificar, a estrutura quando sujeita ao peso máximo que irá ter de suportar, comporta-se excecionalmente. A tensão máxima de 3.52 MPa ocorre numa pequena área e situa-se muito abaixo do valor máximo para a tensão de cedência do alumínio que constitui os perfis Bosch [10] de 240 MPa, como se pode constatar pela predominância da cor azul ao longo da estrutura. O deslocamento e a deformação também são mínimos. O fator de segurança (FOS), índica a razão entre a tensão de cedência do material e a tensão que ocorre na malha; como seria de prever, face ao valor baixo da tensão obtido, o FOS é alto sendo de 97.9, ora geralmente é desejado um valor acima de 1.5, o que acontece nesta situação. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 68 4.2.2 Estrutura-estudo dinâmico Devido as vibrações que a estrutura irá sofrer, foi realizado um estudo frequencial de modo a poder avaliar como se comportaria a máquina, quando sujeita a vibrações induzidas. A malha usada foi mais refinada, que na demonstração anterior, sendo constituída por elementos tetraédricos com 30 mm de tamanho, tendo 193572 nós e 110469 elementos. As condições de fronteira não mudaram desde o exemplo anterior. Nas Figuras 61 a 63, estão representados os resultados obtidos através do estudo dinâmico. Figura 61 – 1) Efeito do 1º modo de vibração na estrutura; 2) Efeito do 2º modo de vibração na estrutura Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 69 Figura 62 – 3) Efeito do 3º modo de vibração na estrutura; 4) Efeito do 4º modo de vibração na estrutura Figura 63 - 5) Efeito do 5º modo de vibração na estrutura Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 70 Tabela 13 – Resultados obtidos na análise frequencial Frequência (Hz) Deslocamento máximo (mm) 20.413 0.099 21.796 0.089 72.11 0.174 129.05 0.526 132.17 0.530 Como se pode observar na Tabela 13, a frequência dos dois primeiros modos de vibração é relativamente baixa. Sabe-se que o motor tem uma velocidade de rotação máxima de 1500 rpm, é preciso calcular a frequência deste. f=1500 60 =25 Hz (16) A frequência do motor é superior aos dois primeiros modos de vibração, o que significa que a as guias como mostra a Figura 60, irão mover-se horizontalmente para frente e para trás e lateralmente, contudo o deslocamento máximo que ocorre nestes casos é mínimo, tendo um valor máximo de 0.099 mm, o que não irá afetar o normal funcionamento da máquina. Caso o valor do deslocamento fosse superior aos 0.30 mm existentes na folga do rolamento linear de esferas com as guias, seria necessário reforçar as guias de modo a reduzir o deslocamento destas. Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 71 4.3 Impactador-estudo dinâmico Para saber de que modo se comporta o impactador, foi feito um estudo dinâmico que simulava uma queda deste componente sobre uma superfície rígida. De modo a facilitar a simulação, foram escolhidas para estudo, as partes inferiores a bigorna. Em relação às condições de fronteira, foi definida uma velocidade de impacto de 5 m/s, com ação da força gravítica e um peso equivalente ao peso máximo que terá a bigorna. Na Figura 64 é possível ver-se a malha usada, esta é formada por elementos tetraédricos de 5mm de tamanho, possuindo 101839 nós e 92623 elementos. Figura 64 – Malha utilizada para o ensaio do impactador Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 72 Figura 66 – Deslocamento resultante segundo x, y e z (mm) Figura 65 – Distribuição de tensões de Von Mises (MPa) no conjunto do impactador. a) Vista frontal, b) Vista de baixo. 2650 1200 400 580 300 1000 1180 A 6 5 4 1 2 3 90 700 1800 880 500 8 200 300 DETAIL A SCALE 1 : 5 9 7 Peça nº Designação Nº desenho Qtd. 1 Base soldada 00140713004 1 2 Perfil 90x90H (L=700 mm) ---- 4 3 Perfil 45x180H (L=1180 mm) ---- 2 4 Perfil 90x180H (L=1800 mm) ---- 2 5 Perfil 90x180 (L=400 mm c/ furo central 50) ---- 1 6 Perfil 90x180 (L=580 mm c/ furo central 50) ---- 1 7 Perfil 90x180 (L=400 mm c/ furo central 80) ---- 1 8 Perfil 90x180 (L=300 mm) ---- 8 9 Perfil 90x90H (L=360.6 mm) ---- 4 ISO 2768-mK 1 Qtd. Weight Montagem da estrutura Desenho nº00140713005 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro - A3 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:10 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 80 Anexo B: Chapa da base 1180 484 64 45 152 180 s=10mm Chapa da base Desenho nº00140713002 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço Fe350 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:10 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 82 Anexo C: Chapa lateral 570 250 74 74 137 17,5 45 74,5 82,5 62,5 45 62,5 62,5 s=8mm Chapa lateral topo Desenho nº00140713002 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço Ck45 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:5 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 2 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 84 Anexo D: Fixação das patas 90 90 4x 12 64 45 45 AA 10 SECTION A-A Fixação das patas Desenho nº00140713003 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço Fe350 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 4 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 86 Anexo E: Soldadura 10 5 50(150) 135 5135 500 1200 420 260 260 150 360 1 2 4 3 5 135 5 135 5135 5135 5 135 5 135 5 50(200) 135 5 25(100) 135 5 25(95) 135 8 SCALE 1 : 10 5 6 5135 5 50(100) 135 Peça nº Designação Nº desenho Qtd. 1 Perfil tubular 120x40x420 ------- 2 2 Perfil tubular 40x40x1200 ------- 2 3 Perfil tubular 40x40x420 ------- 2 4 Perfil tubular 120x40x360 ------- 1 5 Chapa da base 00140713001 1 6 Chapa das patas 00140713003 4 First Angle Projection 07/2014 DRAWN Verif. NAME SIGNATURE DATE MATERIAL: TITLE: DWG NO. SCALE:1:5 SHEET 1 OF 1 A3 Aço Fe350 Carlos Manuel Castillo de Castro Inv. Carlos Moreira da Silva Desenho nº00140713004 Soldadura Weight Qtd. 1 ISO 2768-mK Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 88 Anexo F: Tambor 46 4x10 M30x2 20 A A 50 40 3 1,25 37,50 SECTION A-A 0.05 A 0.01 A Casquilho roscado Desenho nº00140720004 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Bronze DIN CuSn12 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 96 Anexo J: Suporte 1 130 70 20 27 4 x M6x11/17 95 75 90 AA 15 32H7 30H7 30 28 3 SECTION A-A 135 10 60 80 4 x M8 210 37,5 Suporte 1 Desenho nº00140720005 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Al 6060 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:2 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 98 Anexo K: Suporte 2 60 90 15 22 95 AA 20 50 40 110 30 140 180 104 145 56 39 4xM8x18/25 200 8 60 30H7 28 30 32H7 12 SECTION A-A 50 40 4x 6x10 110 20 40 30 140 135 60 10 22,5 80 4xM8x20/27 First Angle Projection 07/2014 DRAWN Verif. NAME SIGNATURE DATE MATERIAL: TITLE: DWG NO. SCALE:1:2 SHEET 1 OF 1 A3 Al 6060 Carlos Manuel Castillo de Castro Inv. Carlos Moreira da Silva Desenho nº00140720006 Suporte 2 Weight Qtd. ISO 2768-mK 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 100 Anexo L: Chapa de reforço 290 200 80 90 45 15 31° 4 x 6 100 22,5 170 45 120 140 110 40 20 40 140 8 x 8 50 s=10 mm Chapa reforço Desenho nº00140720007 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Al 6060 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:2 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 2 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 102 Anexo M: Varão do motor 16 M8 SCALE 1 : 1 130,8 18 80 M8 0.01 0.01 Varão roscado Desenho nº00140720008 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço DIN Ck45 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:2 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 4 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 104 Anexo N: Chapa de centragem do motor 90 5 50h6 3 7 55 25 Casquilho Inferior Desenho nº00140723002 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço DIN Ck45 Zincado negro A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 2 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 112 Anexo R: Meio-anel 3 R23,50 R35,50 45 2 x 5 20,6 13 Suporte casquilhos Desenho nº00140723003 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço inox AISI 310 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 8 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 114 Anexo S: Carro 300 + - 0,05 0,05 150 + - 0,05 0,05 45 20 25 32,5 62 45 25 70 60H7 2 x 40 90 4xM5x17/22 12xM4 60° A A 10,5 14 SECTION A-A First Angle Projection 07/2014 DRAWN Verif. NAME SIGNATURE DATE MATERIAL: TITLE: DWG NO. SCALE:1:2 SHEET 1 OF 1 A3 Ck45 Carlos Manuel Castillo de Castro Inv. Carlos Moreira da Silva Desenho nº00140723004 Carro Weight ISO 2768-fH Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 116 Anexo T: Tampa do rolamento 3 x 4 60° 35 60 25 A A 50 SECTION A-A 5,50 2 Tampa rolamento Desenho nº00140723005 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço inox AISI 310 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:2:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 4 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 118 Anexo U: Chapa de suporte quinada 6 R10 77 31 45 25 22,50 139 10 4 x 5 25 7,50 17,5 50 24 4 x 4 Chapa quinada Desenho nº00140723006 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço DIN Ck45 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:2 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 120 Anexo V: Chapa de fixação do solenoide 60 51 AA 92 M52 x 1,5 M60 x 1,5 10 15 55 54 57 8 2,15 2,15 8 38 62 9,85 5 1 Qtd. ISO 2768-mK First Angle Projection 07/2014 DRAWN Verif. NAME SIGNATURE DATE MATERIAL: TITLE: DWG NO. SCALE:1:1 SHEET 1 OF 1 A4 Aço DIN Ck45 WEIGHT: Carlos Manuel Castillo de Castro Inv. Carlos Moreira da Silva Desenho nº00140731001 Peça exterior Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 128 Anexo Z: Peça intermédia AA 2 2,50x45º 1,50x15º 30 15 14 60 40 + - 0,05 0,05 50 SECTION A-A Peça intermédia Desenho nº00140730002 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Varão 50H6 rectificado exterior aço DIN St 52.3 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 130 Anexo AA: Mecanismo de esferas 40 32 3 40 20 + - 0,05 0,05 Ra0.8 A 9,5 H7 + 0,015 0 10,5 25H7 6,5 - SCALE 2 : 1 0,01 A 1 Qtd. ISO 2768-mK First Angle Projection 07/2014 DRAWN Verif. NAME SIGNATURE DATE MATERIAL: TITLE: DWG NO. SCALE:2:1 SHEET 1 OF 1 A4 Varão 40f7 retificado externo aço DIN St 53.2 WEIGHT: Carlos Manuel Castillo de Castro Inv. Carlos Moreira da Silva Desenho nº00140730003 Mecanismo esferas Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 132 Anexo AB: Mola 10 2,769 36 35 Mola Desenho nº00140730004 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: Aço inox AISI 302 A4 SHEET 1 OF 1 SCALE2:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 134 Anexo AC: Tampa 1 10 4 28 M52 x 1.5 40 2x 4 Tampa interior Desenho nº00140730001 Inv. Carlos Moreira da Silva Carlos Manuel Castillo de Castro WEIGHT: aço DINCk45 Zincado negro A4 SHEET 1 OF 1 SCALE:1:1 DWG NO. TITLE: MATERIAL: DATE SIGNATURE NAME Verif. DRAWN 07/2014 First Angle Projection ISO 2768-mK Qtd. 1 Desenvolvimento de um dispositivo experimental para medir a resistência ao impacto de ligações adesivas 136 Anexo AD: Tampa 2