Processo de design de incorporação – Parte 3-1

A última parte do desenho da concretização assenta em três pilares, a clareza, a simplicidade e a segurança da solução proposta. Estas são regras básicas ao projetar. Este artigo abordará a regra básica da clareza, descrevendo porque as soluções devem ser claras não apenas para o usuário, mas também para as demais etapas da fase de design. Além disso, será discutida a diferença entre soluções claras e pouco claras.

Regras básicas

As regras básicas de design da modalidade são baseadas em palavras-chave, que são clareza, simplicidade e segurança. Estas são basicamente uma abordagem geral para verificar quais são as direções que o processo de design está apontando. Portanto, é importante verificar essas três regras. Primeiro, a clareza é a falta de ambiguidade. Esta é a previsão do desempenho do produto final, mesmo que as restrições gerais mudem ao longo do tempo. Em outras palavras, é a robustez do design. A simplicidade está relacionada a dois aspectos distintos, a quantidade de peças do sistema e o formato dessas peças. Conseqüentemente, a simplicidade está muitas vezes diretamente relacionada ao custo ou à viabilidade econômica da peça. Outro ponto de vista é sobre os efeitos da quantidade de peças. Um efeito de um sistema com grande quantidade de funções é simplificar a forma de cada componente, uma vez que estes possuem apenas uma função. Isto reduz o custo do processo de fabricação, mas aumenta o custo do processo de montagem. Por outro lado, um sistema com menor número de peças pode fornecer uma massa total menor. Porém, isso tem um custo de componentes mais caros, já que seu formato costuma ser complexo devido à quantidade de funções concentradas em apenas um componente. Conseqüentemente, o custo de fabricação aumenta enquanto o custo de montagem diminui. Além disso, o menor número de peças também reduz as possibilidades de falhas. A regra de segurança trata da gestão da resistência, da confiabilidade, da prevenção de falhas, da proteção do meio ambiente e dos problemas de sustentabilidade. A segurança é um dos requisitos mais importantes no projeto de peças automotivas.

Clareza

FIGURA 1 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A regra de clareza geralmente é mapeada de acordo com o mesmo checklist proposto para a lista de requisitos (Figura 1). As questões propostas na Figura 1 fazem parte da revisão do projeto, que pode descrever o quão robusto é o projeto de acordo com a clareza. Os títulos das funções têm como objetivo identificar uma relação clara entre as diversas subfunções de entradas e saídas. Em termos de princípios de funcionamento, a identificação de uma relação clara entre as causas e os efeitos em termos de qualquer efeito físico. Um procedimento aconselhável para princípios de funcionamento é seguir o fluxo de energia, materiais e sinais ao longo do sistema. Esta é uma boa abordagem para ter um design claro das peças.

FIGURA 2 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Um exemplo comum de problema de engenharia é como apoiar um eixo (Figura 2). A principal função é transmitir torque de uma entrada para uma saída. A abordagem básica para gerenciar um eixo dentro de um sistema é definir a orientação, a localização e o bloqueio da peça. Isto permite ter uma visão clara do eixo ou de qualquer outra parte. Isso é feito por um componente específico, os rolamentos. São componentes com função de localizar e orientar eixos. Depois de definido isto, o único grau de liberdade de um eixo é a rotação. A Figura 2 permite observar a superfície onde os rolamentos são montados, algumas superfícies são utilizadas para localizar a peça e outras são utilizadas para orientar a peça. Um detalhe interessante é sobre a temperatura e os aspectos que são influenciados por ela.

FIGURA 3 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 3 destaca um exemplo de eixo com rolamento. Possui uma carcaça, um eixo, dois mancais e dois elementos para travamento dos mancais. Se a temperatura aumentar, ocorre uma expansão térmica do eixo, o que resulta em pressão do eixo sobre os dois rolamentos. O problema neste caso é que, se ocorrer perda de clareza, é resultado da imprevisibilidade devido aos efeitos da expansão térmica. Conseqüentemente, é difícil rastrear o problema, uma vez que dois rolamentos entraram em uma instabilidade que não é capaz de prever. Portanto, a primeira questão que deve ser feita ao considerar a função é se ela é capaz de prever o que acontece com a força quando as condições mudam. A expansão térmica é apenas um exemplo simples e comum. O projeto deve avaliar a melhor montagem para este sistema de rolamento. Na verdade, esta abordagem é válida para qualquer montagem de eixo. Primeiramente, deve-se considerar alguma liberdade para a parte se movimentar em determinada direção.

FIGURA 4 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Assim, a carcaça do eixo é modificada para ter um rolamento com função de localização e o outro apenas suporta o eixo. Em outras palavras, as duas funções são divididas entre os dois rolamentos. Entretanto, há um número limitado de possibilidades na engenharia mecânica para propor a montagem de rolamentos.

FIGURA 5 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 5 ilustra a definição da posição de um lado e um grau de liberdade do outro lado. Também é possível realizar uma folga para permitir que o rolamento deslize sobre ela. Há também a configuração que tem uma tampa (Figura 5) relacionada à carcaça e ao aproveitamento da folga. Na verdade, o primeiro ponto importante sobre a folga é a sua entidade, que depende da temperatura, do comprimento, do material, mas principalmente das tolerâncias de cada peça que está na cadeia de tolerância.

FIGURA 6 – Adaptada de: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Para o caso da Figura 6, para calcular a cadeia de tolerância, um ponto de partida deve ser identificado. Neste caso é a superfície destacada em vermelho. O próximo passo é a definição dos elos da cadeia. São eles o primeiro comprimento do eixo, que vai do ponto inicial até o outro mancal, a dimensão do mancal, a dilatação térmica do eixo e a contraparte, que está relacionada ao parafuso e à carcaça. Portanto, o exemplo da Figura 7 possui duas cadeias de tolerância, a primeira relacionada ao eixo e ao mancal e a segunda relacionada à tampa e ao alojamento.

FIGURA 7 – Adaptada de: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Assim, o caminho da cadeia de tolerância é aquele visto na Figura 7. Começa do ponto inicial até a superfície do alojamento, depois retorna deste até a outra parede do alojamento. Contudo, o caminho termina na superfície externa da tampa. Portanto, uma folga e duas cadeias de tolerância devem ser calculadas. Como pode ser notado, o primeiro passo é definir onde está o ponto de partida, que geralmente é onde duas superfícies ou dois planos estão em contato.

FIGURA 8 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 8 ilustra outro exemplo de arranjo de eixo e rolamento. Neste caso, existem alguns rolamentos, mas a abordagem usada para esclarecer o sistema é um rolamento com mola. A vantagem desta abordagem é que é possível medir a força que atua na mola. Assim, é possível saber que até determinada força o sistema permanece na mesma posição. Depois disso, a distância entre as superfícies é reduzida.

FIGURA 9 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Um exemplo de má montagem é visto na Figura 9. Neste caso não existe apenas um suporte para força radial, mas também um suporte para uma força coaxial. Esta é uma montagem errada em termos de clareza, porque não há possibilidade de identificar as duas forças que atuam nos dois rolamentos. Portanto, não é possível quantificar a força retirada dos rolamentos radiais e axiais.

FIGURA 10 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O caso oposto pode ser visualizado na Figura 10. Neste caso o projeto é claro, suporta as forças axiais e radiais. Outro caso pode ser visualizado na Figura 11, que suporta uma força axial através de uma folga nos dois lados para dar a possibilidade de ajustar a posição relativa entre estes dois.

FIGURA 11 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Outro tipo de arranjo é o O ou back-to-back, que possui um par de rolamentos dispostos de forma a ter alguma tolerância às forças axiais. Pode-se notar que os pontos de aplicação dos dois rolamentos criam uma espécie de formato de O. O arranjo costas com costas é usado nos casos em que a carcaça está girando.

FIGURA 12 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O objetivo é ter uma posição estável do eixo dentro da montagem. O caso oposto, em relação à configuração anterior, é o arranjo X ou face a face. Neste caso, os pontos de aplicação da força suportada estão dentro do par de rolamentos utilizados.

FIGURA 13 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Este é o arranjo típico para eixos rotativos, pois existe uma pequena faixa de ajuste da posição dos elementos em relação a qualquer possível desalinhamento.

FIGURA 14 – Fonte: Astbearings.

O último tipo de arranjo é o chamado tandem. Neste caso (Figura 14) é possível apoiar ações em ambos os sentidos. Conseqüentemente, essa configuração pode funcionar como um arranjo face a face ou costas com costas.

Pré-carregamentos

FIGURA 15 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Outro detalhe importante nos rolamentos que deve ser levado em consideração é a possibilidade de registrar pré-cargas. Geralmente isso é feito por espessura ou molas, ou mesmo outras abordagens específicas para adaptar a força. As pré-cargas são características muito importantes, que podem ser utilizadas para definir o ciclo de vida total dos rolamentos desde que sejam mantidas as mesmas condições operacionais.

Recursos gerais e suas aplicações

FIGURA 16 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Outra característica importante que costuma ser tomada como exemplo de clareza são os filetes. Quando há um encaixe entre duas peças, os filetes são utilizados para evitar qualquer fixação complexa. Em outras palavras, para manter o contato superfície com superfície. Embora ao desenhar componentes no modelo CAD tudo pareça e se encaixe perfeitamente, no modelo real não é garantido onde ocorre o contato real. Se não for possível prever onde está o contato, talvez haja algo errado.

FIGURA 17 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 17 ilustra um projeto errado, pois utiliza dois recursos para localizar a peça. A primeira característica de localização é o ajuste cônico, enquanto a segunda é o segundo contato entre as duas superfícies. Este é outro caso, que no modelo CAD é legal, mas no mundo real é uma fonte de problemas, pois existe uma imprevisibilidade quanto ao ângulo do cone da carcaça e do eixo.

FIGURA 18 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Neste caso existem duas possibilidades, uma é utilizar apenas o encaixe cônico para localizar a peça e a outra é utilizar um encaixe cilíndrico como o visto na Figura 18. Outra disposição errada é a vista na Figura 19, estes possuem características de simetria que exibem o mesmo comprimento e diâmetro.

FIGURA 19 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O problema é que não há possibilidade de estabelecer qual é o lado que corresponde à frente e à traseira da peça. Portanto, se este componente fosse projetado para ter uma posição correta de montagem, não seria possível defini-lo apenas olhando o desenho. Portanto, esta abordagem de design não é apenas pouco clara, mas também errada.

FIGURA 20 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Uma solução para este problema é alterar um dos comprimentos l1, que agora é l2, que é menor que l1. Agora com essa configuração é fácil perceber onde está o sentido correto da montagem.

FIGURA 21 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Até os clipes podem ser mal projetados. Por exemplo, a Figura 21 ilustra dois designs de clipes, um deles tem um design ruim, pois não é possível definir qual dos contatos vem primeiro. O desenho correto deixa claro que antes do contato, a parte reta do clipe deve passar por todo o diâmetro do tubo, depois a outra parte do clipe toca o tubo. Portanto, estes são alguns exemplos de recursos e configurações que, se não forem aplicados com cuidado, podem facilmente se tornar um design ruim. Uma pista de que o projeto é bom é quando é possível rastrear o fluxo de forças durante o funcionamento do sistema. Em caso negativo, deve-se pensar na maneira de desmontar as duas partes.

Disposição

FIGURA 22 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A clareza do design, como se pode perceber, está diretamente ligada ao layout das duas partes. Além disso, deve-se considerar a durabilidade, a estabilidade, a ressonância, o desgaste e a corrosão das peças. A Figura 22 ilustra um layout de uma conexão de eixo e cubo. Uma chaveta e um ajuste de interferência são usados para definir a posição relativa entre esses dois componentes. A tolerância H7-r6 é definida por um diagrama próprio. Cada campo de tolerância pode ser definido entre dois limites, superior e inferior. A entidade do campo de tolerância está relacionada ao número relacionado ao ajuste, este é definido pelos padrões de qualidade ISO. Neste existem 18+2 classes possíveis. O caso ilustrado pela Figura 22 possui as classes 7 e 6. Ambos os números estão no meio da tabela, 7 é uma qualidade normal, enquanto 6 representa uma qualidade um pouco mais precisa que 7. Porém, a dimensão relacionada à distância entre os limites superior e inferior. A segunda informação é a posição em relação à dimensão nominal, que é representada pelas letras H e r. Há uma diferença entre letras maiúsculas e letras normais. Portanto, na parte superior do diagrama existem furos, que são indicados pelas letras maiúsculas, portanto H.

FIGURA 23 – Fonte: Autor.

A letra H também significa uma posição específica em relação à dimensão nominal e está deslocada conforme visto na Figura 23. Isso significa que todas as dimensões possíveis dos furos estão dentro dos limites. A letra r significa a dimensão nominal do eixo, portanto r6 está na posição indicada na Figura 23. O motivo é porque h7 está logo abaixo de H7, o que significa um eixo com as mesmas tolerâncias do furo. A linha verde indica que, considerando os eixos, a posição dos campos de tolerância se move de acordo com tal direção. No caso dos buracos, a tendência vai na direção da seta laranja. Portanto, há interferência, pois todas as dimensões possíveis do eixo são maiores que todas as dimensões possíveis dos furos, o que significa que há interferência. Este diagrama é útil para se ter uma primeira ideia do tipo de ajuste que pode ser usado.

FIGURA 24 – Fonte: Autor.

Por exemplo, ajuste H7-h6, quando o furo tiver a dimensão mínima possível, o eixo terá a dimensão máxima, portanto a folga é zero. Por outro lado, se o furo estiver na dimensão máxima, enquanto o eixo estiver na dimensão mínima, a folga é máxima.

FIGURA 25 – Fonte: Autor.

Em relação ao exemplo anterior, a Figura 25 ilustra as interferências máximas e mínimas para este caso. Portanto, por esse motivo, é um ajuste de interferência. A Figura 26 ilustra outro exemplo de um design não claro. Esta é uma parte de uma turbina, que contém o eixo, o plano e a carcaça. Por se tratar de um componente que opera sob temperatura muito elevada, se a área ilustrada na Figura 26 fosse fechada, este equipamento teria problemas quando a pressão aumentasse.

FIGURA 26 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

É muito difícil calcular a pressão interna, pois o volume exato deve ser conhecido junto com o ar interno. Portanto, a abordagem é criar um vazamento para permitir que o ar entre e saia evitando um aumento de pressão dentro da câmara.

FIGURA 27 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A mesma abordagem é realizada para a válvula ilustrada na Figura 27. A válvula é composta pela gaveta, a roda, o parafuso e o corpo principal e uma câmara de pressão independente. O objetivo é controlar as tolerâncias desses componentes para reduzir o risco de falha dos mesmos.

Ergonomia

Se for possível garantir a melhor interação homem-máquina para as peças, a ergonomia do sistema é bem sucedida. Porém, quando esta interação não é clara, o produto e o controle de qualidade devem ser revisados.

Produção e controle de qualidade

Quando há dados claros sobre o modelo de produção, o desenho, a lista de peças, as instruções e o produto final correspondem ao desenho inicial. Assim, o controle de produção e qualidade foi garantido.

Montagem e transporte

A sequência de montagem da peça deve ser clara. Em termos de transporte, deve ser considerada a limitação para a dimensão global, pois o transporte é realizado por camião, comboio ou contentores. Neste caso, existe uma certa dimensão, que exige uma avaliação criteriosa da quantidade de caixas que o container é capaz de transportar.

Operação e manutenção

O projeto proposto deve permitir uma fácil manutenção, mas a acessibilidade e a acessibilidade de uma determinada parte talvez não seja tão fácil quanto de outra. O objetivo é manter um layout que obrigue o proprietário a procurar o atendimento. Assim, os critérios de operação e manutenção definem o tipo de controle que depende das peças.

Reciclando

O desenvolvimento do projeto deve definir um percentual de reciclagem. Porém, este é um processo que possui abordagem e diretrizes adequadas. Normalmente, deve ficar claro o material que pode ser reciclado e os procedimentos de montagem e desmontagem.

Referências

  1. K.T. Ulrich, S.D. Eppinger, Product Design and development, Mcgraw-Hill, 2019;
  2. G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.