“Projecto mecânico é a designação usada em engenharia para todas as actividades
respeitantes a dimensionamento, verificação e análise da falha de componentes e estruturas de órgãos de máquinas e equipamentos mecânicos” [1].
“O projecto mecânico trata apenas do problema das solicitações mecânicas nos órgãos de máquinas, em todos os casos em que estes sejam predominantes para o desempenho dos componentes, e sempre que aspectos secundários, como a estética, aparência, ergonomia ou marketing sejam de menor importância. Assim, no projecto mecânico somente se considera o efeito das solicitações mecânicas no componente” [1].
Para o projecto mecânico da máquina de ensaio de amortecedores, partindo dos conhecimentos obtidos através da análise de outras máquinas já existentes, procurou-se criar uma máquina que ensaiasse não somente amortecedores, mas também suspensões de motas, que pelas suas dimensões alteram inevitavelmente as dimensões da máquina, não só da estrutura, mas também de todos os elementos mecânicos, devido às forças envolvidas terem valores diferentes. Os cursos a ensaiar também aumentam, o tipo de apoios para a suspensão é diferente em relação aos existentes para testar amortecedores, entre outros pormenores que serão apresentados seguidamente. No projecto mecânico foram dimensionados todos os elementos mecânicos da máquina, estrutura, e elementos de ligação.
Assim, numa primeira abordagem à máquina projectada, tiveram-se por base as dimensões máximas de uma suspensão dianteira de uma mota (considerando as suspensões de motas de todo-o-terreno, que apresentam dimensões maiores que as restantes). Uma representação de uma suspensão como a atrás referida é apresentada na figura 2.1. Nesta, podem-se observar as 3 principais zonas externas de uma suspensão: a capa da suspensão (1), que é a parte que fixa esta à estrutura da mota, e cujas dimensões variam (d1) entre 450 e 600 [mm], e (d5) entre 35 e 60 [mm]; a bainha da suspensão (2), que é a parte móvel desta, subindo e descendo consoante as forças e solicitações aplicadas na suspensão, e o seu comprimento varia normalmente entre 100 e 300 [mm]; e a ligação da suspensão com a roda dianteira (3), que mede no máximo (d3) 100 [mm], tendo um furo por onde passa um eixo, que liga a suspensão à roda, a uma distância do eixo central da suspensão entre (d6) 0 e 50 [mm]. Calculando, obtém-se que a altura máxima para uma suspensão deste tipo ronda os 1000 [mm], ou seja, um metro.
Com base nestas medidas foram dimensionados os apoios superior e inferior para a suspensão, bem como as barras verticais que estão apoiadas na estrutura, e que têm uma altura suficiente para testar uma suspensão deste tipo.
Figura 2.1 – Esquema de uma suspensão dianteira de uma mota de todo-o-terreno.
Numa abordagem inicial da máquina, comece-se por se analisar onde estarão envolvidas forças. O movimento que acciona todo o sistema irá partir de um motor eléctrico, pelo que será no local onde este estará apoiado que, quando uma força é feita por este, será aplicada uma força com sentido oposto. Por outro lado, quando a força é exercida no amortecedor ou na suspensão, esta será medida por uma célula de carga, que estará apoiada numa barra, que por sua vez estará apoiada em duas barras verticais. Assim, novamente tendo em consideração a terceira Lei de Newton, relativa ao par de forças acção-reacção, quando uma força atinge as barras verticais, é exercida uma reacção no local onde estas estarão apoiadas. Então, convém que o ponto onde as barras verticais e o motor estão apoiados seja o mesmo, ou ter o mínimo de pontos possíveis entre eles, de modo a evitar a vibração da estrutura, ou mesmo que esta parta devido às forças que passam por si.
Surgem assim duas hipóteses para a estrutura de suporte: ou se apoiam as barras e o motor na base, ou projecta-se um bloco central onde estão apoiadas as barras verticais e o próprio motor, devendo este ser suficientemente espesso e forte para suportar todas as forças exercidas sobre ele. No primeiro caso as barras verticais terão de ser bastante mais altas, tendo neste caso de ter dimensões gerais maiores do que na segunda hipótese. Estes casos são apresentados na figura 2.2 a e b, respectivamente.
Após analisar ambos os casos, estudou-se uma terceira hipótese, em que as barras verticais são ligadas ao bloco central, sendo o bloco central unido de uma forma rígida à base, onde apoia o redutor, como apresentado na figura 2.3.
Figura 2.2 – Esquemas das hipóteses da estrutura a projectar (a) apoio do redutor na base; (b) apoio do redutor ligado ao bloco central.
A suspensão deverá ser apoiada em dois apoios, um em cima e outro em baixo, que deverão suportá-la de maneiras diferentes: na parte superior, visto esta ser cilíndrica, o apoio deverá “agarrar” a capa da suspensão, unindo esta com uma barra horizontal no cimo da estrutura, que fixa a suspensão, não permitindo o movimento desta; na parte inferior da suspensão, como passa um veio, o apoio deverá servir para aperto desse veio, unindo a suspensão com a biela superior, ou seja, este é o que vai suportar a parte móvel da suspensão. Para este apoio inferior dever-se-á ter em atenção o facto de haver uma distância entre o eixo da suspensão e o eixo do seu furo onde passa o veio que a liga à roda. Assim, numa primeira abordagem aos apoios, considera-se o formato apresentado na figura 2.4.
Figura 2.4 – Formato dos apoios da suspensão (e amortecedor): (a) apoio superior; (b) apoio inferior.
Estes apoios foram dimensionados de modo a permitir a fixação tanto de uma suspensão como de um amortecedor, sendo o mais universal possível. Os furos na direcção horizontal representam os locais por onde passam os veios de fixação do amortecedor (apoio superior e inferior) e da suspensão (apoio inferior), ou os parafusos que apertam as garras para apoiar a suspensão em cima (apoio superior). Os furos na direcção vertical representam os locais por onde estes apoios são apertados a outras peças: em baixo o apoio é apertado à biela superior (veio), em cima é apertado à célula de carga. A altura e comprimento destes apoios deve ser igual, mas a largura será diferente, devido ao offset da ligação inferior da suspensão, o que irá tornar necessário a criação de um sistema que permita testar suspensões com offset’s diferentes, com o mesmo apoio.
A representação dos apoios da suspensão e amortecedor projectados e desenvolvidos está apresentada na figura 2.5 a (apoio superior) e b (apoio inferior).
Na parte de cima, o apoio está ligado a uma célula de carga, que por sua vez está ligada a uma barra horizontal. Esta barra é robusta, de modo a suportar as forças exercidas na suspensão ou amortecedor, sem ceder, e permite ser deslocada na direcção vertical, através das barras verticais, às quais está fixa.
Figura 2.5 – Apoios da suspensão e amortecedor projectados: (a) apoio superior; (b) apoio inferior.
Sabendo as principais dimensões da suspensão podem-se abordar as barras verticais da máquina, que ligam a estrutura ao apoio superior da suspensão. Estas têm uma altura igual à soma das alturas da suspensão, dos apoios inferior e superior, do aparelho de medição da força, da barra que liga as duas barras verticais, e ainda da biela superior (veio) quando se encontra no curso máximo, e na parte mais elevada. Considera-se também a altura de um bloco central, onde a cada barra estará encastrada:
[2.1]
No meio do bloco central está um cilindro, no meio do qual passa a biela superior, que se movimenta para cima e para baixo no seu interior, pelo que este tem dois rolamentos lineares, que guiam o movimento e suportem as forças laterais desta biela, provocadas pela biela inferior. Uma representação deste cilindro é apresentada na figura 2.6.
A altura do cilindro (hcil1) é igual à altura do bloco central, tendo ainda duas extremidades que ficam na parte de fora deste bloco, através das quais o cilindro será aparafusado a este, cada uma com uma altura hcil2=hcil3. A altura total do cilindro é igual à soma destas três alturas:
[2.2]
Quanto aos diâmetros deste, o diâmetro dcil1 representa o diâmetro interno do cilindro, dcil2 o diâmetro externo, e dcil3 o diâmetro externo das extremidades, e dcil4 o diâmetro interno das extremidades.
Figura 2.6 – Representação do cilindro.
A biela superior tem um comprimento (ou altura) igual à altura do cilindro, somando com a medida do curso máximo a ensaiar, e uns centímetros de tolerância em cada extremidade, para não haver risco de bater no bloco em nenhuma ocasião.
A representação desta biela é ilustrada na figura 2.7, sendo um veio visto de frente, com um diâmetro externo dBC1. A altura total desta biela (ou veio) é dada por:
[2.3]
A biela de baixo tem a função de ligar o excêntrico à biela de cima, controlando o movimento desta última. O formato desta é o formato típico de uma biela, com duas extremidades cilíndricas, e uma coluna que as une.
Deve-se ter em atenção o ângulo θ3 (figura 2.12) pois deste depende bastante a força exercida
sobre e pela biela. Para controlar este ângulo ajusta-se o comprimento da biela, que não deve ser demasiado pequeno, para evitar forças muito elevadas, nem demasiado comprido, para não dar uma altura muito elevada a todo o sistema. A altura hBB1 desta biela foi dimensionada considerando a biela como uma coluna com ambas as extremidades articuladas.
Figura 2.8 – Representação da biela inferior.
O que acciona esta biela, controla a amplitude do seu movimento, e todos os cursos possíveis de testar é o excêntrico. A representação deste elemento é apresentada na figura 2.9, sendo todo o processo de desenvolvimento deste componente descrito em [2].
Este elemento tem a função de ligar o motor e redutor à biela, conferindo um movimento de rotação a esta e, dependendo da distância da ligação do centro do apoio inferior da biela ao centro do veio do motor (que deve ser o mesmo do centro do excêntrico), se obtêm metade do curso a ensaiar. Com o objectivo de ensaiar cursos entre 40 e 180 [mm], têm de se ter
distâncias de ligação da biela com o centro do excêntrico entre 20 e 90 [mm] (raio), pelo que o excêntrico deverá ter um raio superior a 100 [mm] para espaço de um sistema de ligação com a biela.
Figura 2.9 – Representação do excêntrico.
Foram também desenvolvidos elementos de ligação entre os componentes até aqui abordados, rolamentos tanto para o cilindro como para o excêntrico, suporte dos aparelhos electrónicos, entre outros, estando a representação final da máquina projectada apresentada na figura 2.10. Nesta figura estão representados todos os componentes projectados e desenvolvidos para a máquina, desde a estrutura, o conjunto motor e redutor, o sistema mecânico biela-manivela por este accionado, que começa no excêntrico, passando por uma biela, que converte o movimento rotacional do excêntrico para um movimento linear de um veio, estando este ligado ao apoio inferior do amortecedor. Já na parte superior da máquina, pode verificar-se a peça que foi desenvolvida, que é fixa a duas barras verticais em aço, fixas à estrutura, podendo esta peça mover-se, ajustando-se à altura do amortecedor ou suspensão a testar. A esta é fixa a célula de carga, e o apoio superior do amortecedor.
Figura 2.10 – Representação da máquina projectada.