O objetivo do projeto de estrutura mecânica é, com base no conceito geral do projeto, solidificar o princípio inicial do projeto em um esquema detalhado que cumpra as funções exigidas.
O processo de projeto transforma princípios abstratos de trabalho em componentes ou peças específicas, o que envolve a determinação do material, forma, tamanho, tolerância, método de tratamento térmico e tratamento de superfície dos membros estruturais.
Além disso, é crucial considerar seu processo de fabricação, resistência, rigidez, precisão e inter-relações com outros componentes. Embora o resultado direto do projeto estrutural sejam os desenhos técnicos, a tarefa não é tão simples quanto o desenho mecânico.
Os projetos apenas expressam o esquema do projeto em linguagem de engenharia; aplicar diversas técnicas no projeto de mecanismos para materializar o conceito de projeto é o conteúdo fundamental do projeto estrutural.
1. Elementos Estruturais e Métodos de Projeto de Componentes Mecânicos
1.1 Elementos Geométricos de Componentes
A função de uma estrutura mecânica é alcançada principalmente através da forma geométrica de seus componentes e da relação posicional relativa entre eles. A forma geométrica de um componente é constituída pelas suas superfícies.
Normalmente, um componente compreende múltiplas superfícies, algumas das quais entram em contato direto com as superfícies de outros componentes. Essas superfícies de contato são chamadas de superfícies funcionais. As áreas que conectam essas superfícies funcionais são chamadas de superfícies de conexão.
As superfícies funcionais de um componente são cruciais na determinação de sua função mecânica. O projeto dessas superfícies funcionais está no centro do projeto estrutural dos componentes.
Os principais parâmetros geométricos utilizados para descrever superfícies funcionais incluem a sua forma geométrica, tamanho, número de superfícies, posição, sequência, etc. Várias soluções estruturais podem ser alcançadas para realizar a mesma função técnica através de diferentes designs das superfícies funcionais.
1.2 Inter-relação entre Componentes
Em qualquer máquina ou sistema mecânico, nenhum componente existe isoladamente.
Portanto, além de estudar a função e as características relacionadas de cada componente durante o projeto estrutural, também é necessário explorar as inter-relações entre os componentes.
As inter-relações entre os componentes podem ser classificadas em duas categorias: relações diretas e indiretas.
Duas peças com relação direta de montagem são consideradas diretamente relacionadas, enquanto aquelas sem relação são consideradas indiretamente relacionadas. Os relacionamentos indiretos podem ser divididos em classes posicionais e relacionadas ao movimento.
As relações posicionais referem-se à necessidade de dois componentes manterem certos arranjos espaciais.
Por exemplo, em um redutor de velocidade, a distância central entre dois eixos de transmissão adjacentes deve manter uma precisão específica, e os dois eixos do eixo devem ser paralelos para garantir o engate normal das engrenagens.
As relações relacionadas ao movimento referem-se à trajetória de movimento de um componente associado a outro. Por exemplo, a trajetória de movimento de um porta-ferramenta de torno deve ser paralela à linha central do fuso, o que é garantido pelo paralelismo entre o trilho da base e o eixo do fuso.
Portanto, o fuso e o trilho estão relacionados à posição, enquanto o porta-ferramenta e o fuso estão relacionados ao movimento.
A maioria dos componentes possui dois ou mais componentes diretamente relacionados. Assim, cada peça geralmente possui duas ou mais localizações estruturalmente relacionadas a outros componentes.
Durante o projeto estrutural, as estruturas das peças diretamente relacionadas devem ser consideradas simultaneamente para selecionar razoavelmente os métodos de tratamento térmico, formas, tamanhos, precisão e superfícies dos materiais.
Além disso, os requisitos para relacionamentos indiretos, como cadeia de dimensões e cálculos de precisão, também devem ser considerados.
Geralmente, quanto mais diretamente relacionadas as partes de um componente, mais complexa se torna sua estrutura. Por outro lado, quanto maior o número de peças indiretamente relacionadas, maior será a precisão necessária.
1.3 Seleção de Materiais em Projeto Estrutural
Vários materiais podem ser escolhidos no design da peça, cada um com propriedades únicas. Diferentes materiais correspondem a diferentes processos de fabricação.
O processo de projeto requer não apenas a seleção de materiais apropriados com base nos requisitos funcionais, mas também a determinação do processo de fabricação apropriado com base no tipo de material.
Além disso, a estrutura deve ser determinada de acordo com as exigências do processo de fabricação.
Somente através de um projeto estrutural adequado o material escolhido pode ser utilizado em sua máxima vantagem.
Para que os projetistas selecionem corretamente os materiais para as peças, eles devem compreender totalmente as propriedades mecânicas, a usinabilidade e a relação custo-benefício dos materiais relevantes.
No projeto estrutural, diferentes princípios de projeto devem ser seguidos com base nas características dos materiais escolhidos e nos processos de fabricação correspondentes.
2. Requisitos Fundamentais para Projeto de Estrutura Mecânica
Os produtos mecânicos são utilizados em vários setores, com as especificidades e requisitos do projeto estrutural variando significativamente.
No entanto, os requisitos fundamentais para o projeto estrutural são universais. A seguir descrevemos os requisitos para projeto de estrutura mecânica em três níveis distintos.
2.1 Projeto Funcional
O esforço é colocado na materialização dos aspectos técnicos para atender aos requisitos mecânicos primários.
Elementos como a implementação de princípios de trabalho, confiabilidade de operação, processos, materiais e montagem são abordados.
2.2 Projeto de Qualidade
Equilibrar diversas demandas e restrições para melhorar a qualidade do produto e a relação custo-benefício exemplifica o projeto de engenharia moderno.
As áreas específicas incluem operabilidade, estética, segurança, custo e conservação ambiental. Nos designs contemporâneos, o design de qualidade tem uma importância significativa e muitas vezes dita a força competitiva.
A abordagem de design focada exclusivamente na satisfação das funções técnicas primárias tornou-se obsoleta.
O núcleo do design mecânico moderno reside na harmonização de diversas demandas, estabelecendo um equilíbrio e fazendo compensações apropriadas sob a premissa de cumprir funções primárias para melhorar a qualidade do produto.
2.3 Design Otimizado e Design Inovador
Variáveis de projeto estrutural são sistematicamente usadas para construir um espaço de projeto otimizado. Métodos criativos de design thinking e outros métodos científicos são empregados para seleção e inovação.
3. Princípios Fundamentais de Projeto para Estruturas Mecânicas
O resultado final do projeto mecânico é expressar uma determinada forma estrutural em desenhos. O produto final é fabricado de acordo com esses projetos por meio de processos de usinagem e montagem.
Portanto, o projeto de estruturas mecânicas deve atender a diversos requisitos como produto, incluindo funcionalidade, confiabilidade, processabilidade, eficiência econômica e forma estética.
Além disso, deve melhorar a capacidade de suporte de força das peças, aumentando a sua resistência, rigidez, precisão e vida útil.
O projeto de estrutura mecânica, portanto, é uma tarefa técnica abrangente. Projetos estruturais irracionais ou errôneos podem levar a falhas inesperadas de componentes, impedir que as máquinas atinjam a precisão necessária e causar inconvenientes consideráveis durante a montagem e manutenção.
Os seguintes princípios de projeto estrutural devem ser considerados no processo de projeto de estrutura mecânica.
3.1 Princípios de Design para Alcançar a Funcionalidade Esperada
O objetivo principal do design do produto é atender a requisitos funcionais predeterminados.
Portanto, o princípio do projeto para alcançar a funcionalidade esperada é a primeira consideração no projeto estrutural. Para atender a esses requisitos funcionais, os seguintes pontos devem ser respeitados:
(1) Funcionalidade explícita:
O projeto estrutural deve determinar os parâmetros, dimensões e formato da estrutura com base em sua função dentro da máquina e em sua interconexão com outros componentes.
As principais funções dos componentes incluem suportar cargas, transmitir movimento e potência e garantir ou manter a posição relativa ou trajetória de movimento entre peças ou componentes relacionados. A estrutura projetada deve atender aos seus requisitos funcionais considerados da perspectiva da máquina como um todo.
(2) Alocação Funcional:
Durante o design do produto, muitas vezes é necessário delegar tarefas de forma razoável com base em circunstâncias específicas, ou seja, decompor uma função em várias subfunções.
Cada subfunção deve ser apoiada por uma estrutura definida e deve haver uma ligação razoável e coordenada entre as diferentes partes estruturais para alcançar a função global.
Vários componentes estruturais que partilham uma função podem aliviar a carga sobre peças individuais, prolongando assim a sua vida útil.
Por exemplo, a estrutura de uma seção transversal de correia em V é um exemplo de distribuição de tarefas.
Um cordão de fibra é usado para suportar a tensão; uma camada de enchimento de borracha absorve o alongamento e a compressão durante a flexão da correia; uma camada de tecido interage com a ranhura da polia para gerar o atrito necessário para a transmissão.
Outro exemplo é quando o atrito gerado apenas pelo pré-aperto dos parafusos é utilizado para suportar cargas laterais, o que pode resultar em parafusos superdimensionados. Este problema pode ser resolvido adicionando componentes resistentes ao cisalhamento, como pinos, luvas e chavetas, para compartilhar a carga lateral.
(3) Concentração Funcional: Para simplificar a estrutura de produtos mecânicos, reduzir custos de fabricação e facilitar a instalação, uma única peça ou componente pode receber múltiplas funções em algumas circunstâncias.
Embora a concentração funcional possa tornar o formato das peças mais complexo, ela deve ser moderada para evitar o aumento da dificuldade de usinagem e o aumento inadvertido dos custos de fabricação. O projeto deve ser determinado com base na situação específica.
3.2 Critérios de projeto para atender aos requisitos de resistência
(1) Critério de resistência igual:
As alterações nas dimensões da seção transversal das peças devem ser adaptadas às alterações nas tensões internas, de modo que a resistência de cada seção seja igual.
A estrutura projetada de acordo com o princípio da igualdade de resistência pode aproveitar ao máximo os materiais, reduzindo assim o peso e o custo. Projeto de suportes cantilever, eixos escalonados, etc.
(2) Estrutura de fluxo de força razoável:
A fim de demonstrar visualmente o estado de como a força é transmitida em componentes mecânicos, a força é considerada fluindo como água no componente, e essas linhas de força convergem para o fluxo de força.
O fluxo desta força desempenha um papel importante nas considerações de projeto estrutural. O fluxo de força no componente não será interrompido e nenhuma linha de força desaparecerá repentinamente. Deve ser transmitido de um lugar para outro.
Outra característica do fluxo de força é que ele tende a se propagar ao longo da rota mais curta, resultando em um fluxo de força denso próximo à rota mais curta e formando uma zona de alta tensão.
O fluxo de força em outras partes é esparso e nem mesmo há fluxo de força passando. Do ponto de vista do estresse, o material não é totalmente utilizado.
Portanto, para melhorar a rigidez do componente, o formato do componente é projetado de acordo com o caminho de fluxo de força mais curto possível, reduzindo a área de suporte de carga e, assim, reduzindo a deformação acumulada, aumentando a rigidez do todo o componente e aproveitando ao máximo o material.
(3) Minimizar a concentração de tensões nas estruturas:
Quando a direção do fluxo de força muda abruptamente, a força torna-se excessivamente concentrada na curva, levando à concentração de tensão.
Devem ser implementadas medidas no projeto para garantir uma mudança gradual na direção da força. A concentração de tensão é um fator significativo que afeta a resistência à fadiga dos componentes.
No projeto estrutural, devem ser feitos esforços para evitar ou minimizar a concentração de tensões, como aumentando os raios de transição, adotando estruturas de alívio de tensões, e assim por diante.
(4) Estabelecer estruturas de carga balanceada:
Durante a operação da máquina, algumas forças desnecessárias, como forças inerciais e forças axiais de engrenagens helicoidais, são frequentemente geradas.
Estas forças não só aumentam a carga em peças como eixos e rolamentos, reduzindo a sua precisão e vida útil, mas também diminuem a eficiência de transmissão da máquina. O equilíbrio de carga refere-se a medidas estruturais que equilibram parcial ou totalmente estas forças desnecessárias para mitigar ou eliminar os seus efeitos adversos.
Estas medidas estruturais envolvem principalmente a utilização de componentes de equilíbrio e disposição simétrica.
3.3 Diretrizes de Projeto para Alcançar Rigidez Estrutural
Para garantir que os componentes funcionem normalmente durante todo o seu ciclo de vida, é essencial dotá-los de rigidez suficiente.
3.4 Diretrizes de Projeto Considerando o Processo de Fabricação
O objetivo principal do projeto estrutural de componentes mecânicos é garantir a funcionalidade, permitindo que o produto atenda ao desempenho exigido. Porém, a racionalidade do projeto afeta diretamente o custo de produção e a qualidade dos componentes.
Portanto, é crucial no projeto estrutural buscar uma boa capacidade de fabricação dos mecanismos componentes. Boa capacidade de fabricação significa que a estrutura do componente é fácil de fabricar.
Cada método de fabricação tem suas limitações, o que pode resultar em altos custos de produção ou comprometimento da qualidade.
Portanto, é importante que os projetistas estejam familiarizados com as características dos vários métodos de fabricação, de modo a maximizar os seus pontos fortes e minimizar os seus pontos fracos durante o projeto.
Na produção real, a capacidade de fabricação de estruturas de componentes é limitada por vários fatores. Por exemplo, o tamanho do lote de produção pode afetar o método de criação das peças brutas; as condições do equipamento de produção podem limitar o tamanho das peças.
Além disso, fatores como moldagem, precisão, tratamento térmico, custo, etc., poderiam restringir potencialmente a capacidade de fabricação da estrutura do componente.
Portanto, esses fatores devem ser cuidadosamente considerados no projeto estrutural quanto ao seu impacto na capacidade de fabricação.
3.5 Diretrizes de Projeto para Montagem
A montagem é uma etapa crucial no processo de fabricação do produto, e a estrutura dos componentes influencia diretamente na qualidade e no custo da montagem. As diretrizes de projeto estrutural para montagem são brevemente descritas a seguir:
(1) Divisão racional de unidades de montagem:
A máquina inteira deve ser dissecada em várias unidades montadas independentemente (peças ou componentes) para realizar operações de montagem paralelas e especializadas, encurtar os ciclos de montagem e facilitar inspeções técnicas e reparos passo a passo.
(2) Garanta a instalação correta dos componentes:
Isso inclui o posicionamento preciso das peças, evitando o acoplamento duplo e evitando erros de montagem.
(3) Facilitar a montagem e desmontagem de componentes:
O projeto estrutural deve garantir espaço de montagem suficiente, como espaço para chaves; evite acoplamentos excessivamente longos para evitar o aumento da dificuldade de montagem e possíveis danos às superfícies de acoplamento, como visto em alguns projetos de eixo escalonado; para facilitar a desmontagem das peças, deverão ser previstos locais para colocação de ferramentas de desmontagem, como no caso de remoção de rolamentos.
3.6 Diretrizes de Projeto para Manutenção e Reparo
(1) A configuração de um produto deve ser organizada com base em fatores como taxa de falhas, complexidade de reparo, tamanho, peso e características de instalação.
Quaisquer peças que exijam manutenção devem ser facilmente acessíveis. Componentes com alto índice de falhas e interruptores de emergência que exigem manutenção frequente devem ser fornecidos com acessibilidade ideal.
(2) Os produtos, especialmente peças consumíveis, componentes frequentemente desmontados e equipamentos adicionais, devem ser fáceis de montar e desmontar.
O caminho para as peças entrarem e saírem durante a desmontagem e montagem deve ser idealmente uma linha reta ou uma curva suave.
(3) Os pontos de manutenção do produto, como pontos de inspeção e pontos de teste, devem estar localizados em locais de fácil acesso.
(4) Os produtos que requerem manutenção e desmontagem devem ter espaço operacional adequado ao seu redor.
(5) Durante a manutenção, os operadores geralmente devem poder visualizar as operações internas. Além de acomodar a mão ou braço do pessoal de manutenção, a passagem também deve deixar um espaço adequado para observação.
3.7 Diretrizes para Design Estético
O design de um produto não deve apenas satisfazer as suas necessidades funcionais, mas também considerar o seu valor estético, tornando-o apelativo para os utilizadores. Simplificando, um produto deve ser útil e atraente. Psicologicamente, 60% das decisões humanas são baseadas nas primeiras impressões.
Dado que os produtos técnicos são commodities no mercado do comprador, projetar um exterior atraente é um requisito de design crucial. Além disso, produtos esteticamente agradáveis podem ajudar os operadores a reduzir erros causados pela fadiga.
A estética do design abrange três aspectos: forma, cor e tratamento de superfície.
Ao considerar a forma, deve-se prestar atenção às proporções harmoniosas dos tamanhos, às formas simples e unificadas e ao realce e embelezamento proporcionados pelas cores e padrões.
Monocromático só é adequado para componentes pequenos. Peças grandes, principalmente móveis, parecerão monótonas e planas se apenas uma cor for usada. Uma pequena adição de uma cor contrastante pode animar o esquema geral de cores.
Em situações multicoloridas, deve haver uma cor base dominante, sendo a cor correspondente conhecida como cor de contraste.
Porém, a quantidade de cores diferentes em um único produto não deve ser excessiva, pois muitas cores podem dar uma impressão de superficialidade.
As cores confortáveis geralmente variam do amarelo claro e verde-amarelo ao marrom. Esta tendência é para cores mais quentes, com o amarelo e o verde brilhantes muitas vezes parecendo desconfortáveis; tons fortes de cinza podem parecer opressivos.
Cores quentes como amarelo, amarelo alaranjado e vermelho devem ser usadas para ambientes frios, enquanto cores frias como azul claro devem ser usadas para ambientes quentes.
Todas as cores devem ser silenciadas. Além disso, uma configuração de cores específica pode fazer com que o produto pareça seguro e resistente.
As áreas com alterações mínimas de forma e superfícies maiores devem ser configuradas em cores claras, enquanto os componentes com contornos ativos e móveis devem ser configurados em cores escuras. As cores escuras devem ser colocadas na parte inferior do maquinário e as cores claras na parte superior.
3.8 Diretrizes de Projeto Considerando Custo
O design deve simplificar tanto o produto como as tarefas de manutenção:
(1) Durante a concepção, deverá ser realizada uma análise custo-benefício das funcionalidades do produto.
Combine funcionalidades semelhantes ou idênticas, remova as desnecessárias para simplificar tanto o produto quanto as tarefas de manutenção.
(2) O projeto deve buscar a simplicidade na estrutura e, ao mesmo tempo, atender aos requisitos funcionais especificados.
O número de camadas hierárquicas e componentes deve ser minimizado e a forma das peças simplificada tanto quanto possível.
(3) Os produtos devem ser projetados com mecanismos de ajuste fáceis de usar, porém confiáveis, para solucionar problemas comuns causados por desgaste ou desvio.
Para peças caras e propensas a desgaste localizado, projete-as como conjuntos ajustáveis ou removíveis para fácil substituição parcial ou reparo. Evite ou minimize a necessidade de ajustes iterativos devido a peças interconectadas.
(4) Os componentes devem ser organizados de forma lógica para reduzir o número de conectores e acessórios, tornando a inspeção, substituição de peças e outras tarefas de manutenção mais simples e convenientes.
Tanto quanto possível, o projeto deve permitir o reparo de qualquer componente sem a necessidade de desmontar, mover ou desmontar ou mover minimamente outras peças. Essa abordagem reduz o nível de habilidade e a carga de trabalho exigida do pessoal de manutenção.
