Você já se perguntou como as estruturas mecânicas transformam ideias em projetos tangíveis? O projeto de estruturas mecânicas transforma princípios abstratos em esquemas detalhados, garantindo que cada peça seja otimizada em termos de funcionalidade, resistência e capacidade de fabricação. Este guia analisa os princípios essenciais de projeto, a seleção de materiais e as relações entre componentes, oferecendo insights para aprimorar seus projetos de engenharia. Descubra como o design estratégico pode aumentar a precisão, a durabilidade e a eficiência, tornando seus sistemas mecânicos mais confiáveis e eficazes.
O objetivo do projeto da estrutura mecânica é, com base no conceito geral do projeto, solidificar o princípio inicial do projeto em um esquema detalhado que cumpra as funções necessárias.
O processo de projeto transforma princípios abstratos de trabalho em componentes ou peças específicas, o que envolve a determinação do material, da forma, do tamanho, da tolerância, do método de tratamento térmico e do tratamento de superfície dos membros estruturais.
Além disso, é fundamental considerar o processo de fabricação, a resistência, a rigidez, a precisão e as 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.
As plantas apenas expressam o esquema do projeto em linguagem de engenharia; a aplicação de várias técnicas no projeto de mecanismos para materializar o conceito do projeto é o conteúdo fundamental do projeto estrutural.
A função de uma estrutura mecânica é obtida principalmente por meio da forma geométrica de seus componentes e da relação de posição relativa entre eles. A forma geométrica de um componente é constituída por suas superfícies.
Normalmente, um componente é composto por várias 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 fundamentais para determinar sua função mecânica. O projeto dessas superfícies funcionais está no centro do projeto estrutural do componente.
Os principais parâmetros geométricos usados para descrever as superfícies funcionais incluem sua forma geométrica, tamanho, número de superfícies, posição, sequência etc. Várias soluções estruturais podem ser obtidas para realizar a mesma função técnica por meio de diferentes designs das superfícies funcionais.
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 uma relação de montagem direta são consideradas diretamente relacionadas, enquanto as que não têm são consideradas indiretamente relacionadas. As relações indiretas podem ser divididas em classes posicionais e relacionadas ao movimento.
As relações posicionais referem-se à necessidade de dois componentes manterem determinados arranjos espaciais.
Por exemplo, em um redutor de velocidade, o distância do centro entre dois eixos de transmissão adjacentes deve manter uma precisão específica, e os dois eixos devem ser paralelos para garantir o engrenamento 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-ferramentas 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-ferramentas e o fuso estão relacionados ao movimento.
A maioria dos componentes tem dois ou mais componentes diretamente relacionados. Assim, cada peça geralmente tem dois ou mais locais estruturalmente relacionados 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, as formas, os tamanhos, a precisão e as superfícies dos materiais.
Além disso, os requisitos para relações indiretas, como cadeia de dimensões e cálculos de precisão, também devem ser considerados.
Em geral, quanto mais peças diretamente relacionadas um componente tiver, mais complexa será sua estrutura. Por outro lado, quanto maior o número de peças indiretamente relacionadas, maior a precisão necessária.
Vários materiais podem ser escolhidos no projeto da peça, cada um com propriedades exclusivas. Diferentes materiais correspondem a diferentes processos de fabricação.
O processo de design requer não apenas a seleção de materiais adequados com base nos requisitos funcionais, mas também a determinação do processo de fabricação adequado com base no tipo de material.
Além disso, a estrutura deve ser determinada de acordo com os requisitos do processo de fabricação.
Somente por meio de um projeto estrutural adequado é que o material escolhido pode ser utilizado em sua vantagem máxima.
Para que os projetistas selecionem corretamente os materiais para as peças, eles precisam entender completamente 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 seus respectivos processos de fabricação.
Os produtos mecânicos são utilizados em vários setores, sendo que as especificidades e os requisitos do projeto estrutural variam significativamente.
Entretanto, os requisitos fundamentais para o projeto estrutural são universais. A seguir, descrevemos os requisitos para o projeto de estruturas mecânicas em três níveis distintos.
É feito um esforço na materialização dos aspectos técnicos para atender aos requisitos mecânicos primários.
São abordados elementos como a implementação de princípios de trabalho, a confiabilidade da operação, os processos, os materiais e a montagem.
Equilibrar várias demandas e restrições para aprimorar a qualidade do produto e a relação custo-benefício é um exemplo de projeto de engenharia moderno.
As áreas específicas incluem operacionalidade, estética, segurança, custo e conservação ambiental. Nos projetos contemporâneos, o design de qualidade tem uma importância significativa e, muitas vezes, determina a força competitiva.
A abordagem de design focada exclusivamente na satisfação das funções técnicas primárias tornou-se ultrapassada.
A essência do design mecânico moderno está na harmonização de várias demandas, na busca de um equilíbrio e na realização de compensações adequadas sob a premissa de cumprir as funções primárias para melhorar a qualidade do produto.
As variáveis de design estrutural são usadas sistematicamente para construir um espaço de design otimizado. Métodos de design thinking criativo e outros métodos científicos são empregados para seleção e inovação.
O resultado final do projeto mecânico é expressar uma determinada forma estrutural em desenhos. O produto final é fabricado de acordo com esses desenhos por meio de processos de usinagem e montagem.
Portanto, o projeto de estruturas mecânicas deve atender a vários requisitos como produto, incluindo funcionalidade, confiabilidade, capacidade de processamento, eficiência econômica e forma estética.
Além disso, ele deve melhorar a capacidade de suporte de força das peças, aumentando sua resistência, rigidez, precisão e vida útil.
O projeto de estruturas mecânicas, 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 a manutenção.
Os seguintes princípios de projeto estrutural devem ser considerados no processo de projeto da estrutura mecânica.
O objetivo principal do design do produto é atender a requisitos funcionais predeterminados.
Portanto, o princípio do projeto de alcançar a funcionalidade esperada é a primeira consideração no projeto estrutural. Para atender a esses requisitos funcionais, os seguintes pontos devem ser observados:
(1) Funcionalidade explícita:
O projeto estrutural deve determinar os parâmetros, as dimensões e o 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 a trajetória de movimento entre peças ou componentes relacionados. A estrutura projetada deve atender aos seus requisitos funcionais, conforme considerado sob a perspectiva da máquina como um todo.
(2) Alocação funcional:
Durante o projeto 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 conexão razoável e coordenada entre as diferentes partes estruturais para atingir a função geral.
Vários componentes estruturais que compartilham uma função podem aliviar a carga sobre peças individuais, aumentando assim sua vida útil.
Por exemplo, a estrutura da seção transversal de uma correia em V é um exemplo de distribuição de tarefas.
Um cabo 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 do parafuso é utilizado para suportar cargas laterais, o que pode resultar em parafusos superdimensionados. Esse problema pode ser resolvido com a adição de componentes resistentes ao cisalhamento, como pinos, luvas e chavetas, para compartilhar a carga lateral.
(3) Concentração funcional: Para simplificar a estrutura dos produtos mecânicos, reduzir os custos de fabricação e facilitar a instalação, uma única peça ou componente pode receber várias 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, inadvertidamente, o aumento dos custos de fabricação. O design deve ser determinado com base na situação específica.
(1) Critério de força igual:
As alterações nas dimensões da seção transversal das peças devem ser adaptadas às alterações em estresse internode modo que a força de cada seção seja igual.
A estrutura projetada de acordo com o princípio de resistência igual pode fazer uso total dos materiais, reduzindo assim o peso e o custo. Projeto de suportes cantilever, eixos escalonados, etc.
(2) Estrutura de fluxo de força razoável:
Para demonstrar visualmente o estado de como a força é transmitida em componentes mecânicos, a força é considerada como se estivesse fluindo como água no componente, e essas linhas de força convergem para o fluxo de força.
O fluxo dessa força desempenha um papel importante nas considerações do projeto estrutural. O fluxo de força no componente não será interrompido, e nenhuma linha de força desaparecerá repentinamente. Ela deve ser transmitida de um lugar para outro.
Outra característica do fluxo de força é que ele tende a se propagar ao longo do caminho mais curto, resultando em um fluxo de força denso próximo ao caminho mais curto e formando uma zona de alta tensão.
O fluxo de força em outras partes é esparso, e até mesmo não há fluxo de força passando por elas. 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, portanto, reduzindo a deformação acumulada, aumentando a rigidez de todo o componente e fazendo uso total do material.
(3) Minimizar a concentração de estresse nas estruturas:
Quando a direção do fluxo de força muda abruptamente, a força se torna 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 de componentes.
No projeto estrutural, devem ser feitos esforços para evitar ou minimizar a concentração de tensão, por exemplo, aumentando os raios de transição, adotando estruturas de alívio de tensão e assim por diante.
(4) Estabelecer estruturas com equilíbrio de carga:
Durante operação da máquinaEm geral, algumas forças desnecessárias, como forças de inércia e forças axiais de engrenagens helicoidais, são geradas.
Essas forças não apenas aumentam a carga em peças como eixos e rolamentos, reduzindo sua precisão e vida útil, mas também diminuem a eficiência da transmissão da máquina. O balanceamento de carga refere-se a medidas estruturais que equilibram parcial ou totalmente essas forças desnecessárias para atenuar ou eliminar seus efeitos adversos.
Essas medidas estruturais envolvem principalmente o uso de componentes de balanceamento e arranjos simétricos.
Para garantir que os componentes funcionem normalmente durante todo o seu ciclo de vida, é essencial fornecer a eles rigidez suficiente.
O principal objetivo do projeto estrutural de componentes mecânicos é garantir a funcionalidade, permitindo que o produto atenda ao desempenho exigido. Entretanto, a racionalidade do projeto afeta diretamente o custo de produção e a qualidade dos componentes.
Portanto, é fundamental no projeto estrutural buscar uma boa capacidade de fabricação dos mecanismos dos componentes. Boa capacidade de fabricação significa que a estrutura do componente é fácil de fabricar.
Todo 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 conheçam as características de vários métodos de fabricação para maximizar seus pontos fortes e minimizar 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 dos espaços em branco das peças; as condições do equipamento de produção podem limitar o tamanho das peças.
Além disso, fatores como moldagem, precisão, tratamento térmico, custo, etc., podem restringir a capacidade de fabricação da estrutura do componente.
Portanto, esses fatores devem ser considerados minuciosamente no projeto estrutural por seu impacto na capacidade de fabricação.
A montagem é uma etapa crucial no processo de fabricação do produto, e a estrutura dos componentes influencia diretamente a qualidade e o custo da montagem. As diretrizes de projeto estrutural para montagem são descritas resumidamente a seguir:
(1) Divisão racional das 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, reduzir os ciclos de montagem e facilitar as inspeções técnicas e os reparos passo a passo.
(2) Assegurar a instalação correta dos componentes:
Isso inclui o posicionamento preciso das peças, evitando o acoplamento duplo e prevenindo erros de montagem.
(3) Facilitar a montagem e a desmontagem de componentes:
O projeto estrutural deve garantir espaço suficiente para a montagem, como o espaço para a chave inglesa; evite acoplamentos muito longos para evitar o aumento da dificuldade de montagem e possíveis danos às superfícies de acoplamento, como visto em alguns projetos de eixos escalonados; para facilitar a desmontagem das peças, devem ser previstas posições para a colocação de ferramentas de desmontagem, como no caso da remoção do rolamento.
(1) A configuração de um produto deve ser organizada com base em fatores como a taxa de falhas, a complexidade do reparo, o tamanho, o peso e as características de instalação.
Todas as peças que exigem manutenção devem ser facilmente acessíveis. Os componentes com alta taxa de falha e os interruptores de emergência que exigem manutenção frequente devem ser fornecidos com ótima acessibilidade.
(2) Os produtos, especialmente as peças de consumo, os componentes frequentemente desmontados e os equipamentos adicionais, devem ser fáceis de montar e desmontar.
O caminho para as peças entrarem e saírem durante a desmontagem e a 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 exigem manutenção e desmontagem devem ter espaço operacional adequado ao seu redor.
(5) Durante a manutenção, os operadores geralmente devem poder ver as operações internas. Além de acomodar a mão ou o braço da equipe de manutenção, a passagem também deve deixar um espaço adequado para observação.
O design de um produto não deve apenas satisfazer suas necessidades funcionais, mas também considerar seu valor estético, tornando-o atraente para os usuários. Em termos simples, um produto deve ser útil e atraente. Psicologicamente, 60% das decisões humanas são baseadas em primeiras impressões.
Como os produtos técnicos são commodities em um mercado de compradores, projetar um exterior atraente é um requisito crucial do projeto. Além disso, produtos esteticamente agradáveis podem ajudar os operadores a reduzir os 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 de tamanho, às formas simples e unificadas e ao aprimoramento e embelezamento proporcionados por cores e padrões.
O monocromático só é adequado para componentes pequenos. As peças grandes, especialmente as móveis, parecerão monótonas e planas se for usada apenas uma cor. Uma pequena adição de uma cor contrastante pode animar o esquema geral de cores.
Em situações multicoloridas, deve haver uma cor de base dominante, com a cor correspondente conhecida como cor de contraste.
Entretanto, o número de cores diferentes em um único produto não deve ser excessivo, pois o excesso de cores pode dar uma impressão de superficialidade.
As cores confortáveis geralmente estão localizadas na faixa do amarelo-claro e do verde-amarelo ao marrom. Essa tendência é em direção a cores mais quentes, com o amarelo e o verde brilhantes muitas vezes parecendo desconfortáveis; os tons de cinza fortes podem parecer opressivos.
Cores quentes, como amarelo, amarelo-alaranjado e vermelho, devem ser usadas em ambientes frios, enquanto cores frias, como azul-claro, devem ser usadas em ambientes quentes.
Todas as cores devem ser suaves. Além disso, uma configuração de cor específica pode fazer com que o produto pareça seguro e resistente.
As áreas com mudanças mínimas de forma e superfícies maiores devem ser configuradas com cores claras, enquanto os componentes com contornos ativos e em movimento devem ser configurados com cores escuras. As cores escuras devem ser colocadas na parte inferior do maquinário, e as cores claras, na parte superior.
O design deve simplificar tanto o produto quanto as tarefas de manutenção:
(1) Durante o projeto, deve ser realizada uma análise de custo-benefício das funcionalidades do produto.
Combine funcionalidades semelhantes ou idênticas e remova as desnecessárias para simplificar o produto e as tarefas de manutenção.
(2) O projeto deve ter como objetivo a simplicidade da estrutura e, ao mesmo tempo, atender aos requisitos funcionais especificados.
O número de camadas e componentes hierárquicos deve ser minimizado e o formato das peças deve ser o mais simplificado possível.
(3) Os produtos devem ser projetados com mecanismos de ajuste fáceis de usar e 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 facilitar a substituição parcial ou o 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, a substituição de peças e outras tarefas de manutenção mais simples e convenientes.
Na medida do possível, o projeto deve permitir o reparo de qualquer componente sem a necessidade de desmontar, mover, ou minimamente desmontar ou mover outras peças. Essa abordagem reduz o nível de habilidade e a carga de trabalho exigidos da equipe de manutenção.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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