projeto de elementos de máquina auxiliado por computador

Anais do 14O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIV ENCITA / 2008
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 20 a 23, 2008.
PROJETO DE ELEMENTOS DE MÁQUINA AUXILIADO POR
COMPUTADOR
Oswaldo Mendes França Junior
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Rua H8-C, apt 313 – CTA
CEP: 12228-462 – São José dos Campos - SP
Bolsista PIBIC-CNPq
[email protected]
Luís Gonzaga Trabasso
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
Pça Mal. Eduardo Gomes, 50
12.228-900 – São José dos Campos – SP
[email protected]
Resumo. O objetivo deste trabalho foi desenvolver meios para a implantação, nas aulas de projeto de elementos de máquina do
ITA, de um programa computacional para dimensionamento desses elementos. Para este fim, foi selecionado, dentre várias opções,
o software mais adequado a esta finalidade. Este foi empregado no exame da matéria, mostrando resultados satisfatórios.
Tutoriais de auto-aprendizagem foram desenvolvidos para o programa em questão.
Palavras chave: Projeto Mecânico, CAD, CAE
1
Introdução
O dimensionamento de elementos de máquina pode ser uma tarefa longa e cansativa, devido aos vários cálculos e
iterações envolvidas, como pode ser observado nos procedimentos mostrados em diversas referências (Faires, 1959;
Norton, 2004; Shigley, 1986). Em algumas situações, após longos cálculos, verifica-se que as dimensões adotadas não
são adequadas para o esforço sofrido pelo elemento, tornando necessária a repetição destes cálculos, com outros valores
para as dimensões relevantes.
Em virtude desta característica, os professores ficam limitados em termos da complexidade e do detalhamento dos
projetos que são apresentados aos alunos como exercícios ou testes, já que o tempo para estas atividades é escasso.
Com o emprego de aplicativos de software capazes de realizar estes cálculos, projetos mais complexos podem ser
explorados, restando ao aluno se concentrar em atividades mais nobres, como a escolha da posição adequada dos
elementos para facilitar a manutenção ou determinação de materiais para redução do custo. Em outras palavras, o aluno
passa a visualizar os diversos trade offs envolvidos no projeto de um determinado componente, deixando a tarefa dos
cálculos para o computador.
Neste trabalho, é mostrado o processo e os requisitos envolvidos na escolha e aquisição de um software para uso
nas aulas de Projeto de Elementos de Máquina do ITA. Além disto, é feita uma breve descrição da confecção de
tutoriais para o software selecionado.
2
2.1
Resultados
Análise de aplicativos
Foram comparados os aplicativos AutoDesk Inventor 11, TKSolver 3.32 e MDesign 5.2. Foram analisadas a
entrada e a saída de dados com a finalidade de avaliar qual possuía uma maior facilidade de uso e aprendizado. Para
realizar a comparação, foi investigado o processo de dimensionamento de um eixo em cada um dos aplicativos.
2.1.1
AutoDesk Inventor
11
O Inventor 11 é um software de CAD que possui módulos para dimensionamento de determinados elementos de
máquina. O módulo de dimensionamento de eixos é bastante intuitivo. A geometria do eixo (tanto as dimensões quanto
detalhes como rasgos, furos, rebaixos, entre outros) é determinada facilmente por meio da tela inicial do módulo,
mostrada na Figura 1.
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
Figura 1 – Definição geométrica do eixo no Inventor
As cargas e apoios também são facilmente determináveis, utilizando a aba Calculation, mostrada na Figura 2.
Utilizando a opção 3D para definição de esforços (botão próximo ao canto inferior direito da janela), uma pequena
janela é apresentada ao usuário (também mostrada na Figura 2), dando uma visão clara de cada uma das componentes
do esforço no eixo.
Figura 2 – Definição das cargas e apoios no Inventor
Uma vez definidas a geometria e as cargas no eixo, basta selecionar o botão Calculate. O Inventor gera diversos
resultados, acessíveis nas outras abas (ao lado de Input) da janela mostrada na Figura 2. Também é possível gerar um
relatório em HTML (HyperText Markup Language), contendo as dimensões, as cargas e os resultados. Entre os
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
principais gráficos gerados, estão: força de cisalhamento, momento fletor, deflexão, tensão normal, tensão de
cisalhamento, resultante das tensões e diâmetro ideal do eixo para cada posição.
Além de eixos, existem módulos para projeto de outros componentes, como engrenagens, freios, molas, entre
outros. Itens de catálogo, como rolamentos e parafusos, podem ser inseridos diretamente em uma montagem.
2.1.2
TKSolver 3.32
O TKSolver é basicamente um programa de resolução de equações matemáticas (Norton, 2004). A entrada de
dados e saída de dados é feita por meio de folhas, que são janelas dentro do programa. A Figura 3 mostra algumas
destas folhas.
Figura 3 – Folhas para entrada de dados no TKSolver
Na folha Rules, elabora-se as equações que definem o problema. Estas podem ser dispostas em qualquer ordem, e
as variáveis independentes não precisam estar do lado esquerdo. Por um lado, isto torna a formulação do problema mais
fácil de ser elaborada, mas pode dificultar a sua posterior compreensão. Cada variável digitada nesta folha é
automaticamente adicionada à lista presente na folha Variables. O usuário pode ainda definir funções próprias, por
meio da folha Functions.
A saída de dados pode ser observada na própria folha Variables; gráficos também podem ser elaborados. Há a
possibilidade de exportar os dados e comentários para arquivos ASCII (texto plano), WKS (planilha do Lotus) e DIF
(Data Interchange Format). Na versão avaliada não era possível exportar os dados para o Excel.
Conforme já mencionado, o TKSolver é apenas um software de resolução de um sistema de equações matemáticas.
Não há nada específico no campo do dimensionamento de elementos de máquina. Apesar da grande flexibilidade
trazida por esta característica, grande esforço pode ser requerido para a formulação e resolução no programa de um
problema desta natureza. Todas as equações devem ser elaboradas e algumas particularidades são difíceis de
implementar, como por exemplo, encontrar o máximo de funções descontínuas, algo comum, por exemplo, no
dimensionamento de eixos.
2.1.3
MDesign
5.2
O MDesign é um software específico para dimensionamento de componentes mecânicos. Além da escolha dos
elementos, é possível escolher a normal segundo a qual será feito o dimensionamento.
A Figura 4 mostra a tela inicial do MDesign. A escolha do tipo de cálculo é feita à esquerda. Na parte superior
direita da janela, inserem-se os dados de entrada para o cálculo. A parte inferior da janela contém um texto explicativo e
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um desenho elucidando as dimensões necessárias. Ainda assim, a entrada de dados não é uma tarefa simples, pois o
texto de ajuda muitas vezes não é claro, bem como os desenhos.
Figura 4 – Tela inicial do MDesign
Uma vez inseridos os dados, seleciona-se a opção Calculate (botão com ícone de calculadora e engrenagem juntas).
Uma janela similar à de entrada é mostrada contendo os resultados. Ainda é possível exportar os dados para um
relatório HTML, arquivo ASCII, planilha do Excel ou tabela de banco de dados.
Há ainda a opção Parametric Analysis, por meio da qual avalia-se o impacto de um determinado parâmetro nas
características do elemento projetado (como por exemplo o impacto da variação do diâmetro de um eixo na tensão
máxima).
Uma característica importante do aplicativo é a liberdade na escolha das unidades. Para qualquer dos dados, podese escolher em qual unidade a entrada será feita. E as mesmas não precisam sequer ser condizentes (pode-se colocar a
força em libras e o peso em quilos, por exemplo). O mesmo vale para os dados de saída.
2.2
Escolha do aplicativo
A Tabela 1 mostra um resumo da comparação entre os aplicativos, através dos principais critérios utilizados neste
artigo. A escala varia de 0 (zero) a 5, sendo 0 (zero) correspondente ao pior desempenho e 5 ao melhor desempenho.
Tabela 1 – Comparação entre os aplicativos estudados
Critério
Facilidade de treinamento
Entrada de dados
Saída de dados
Unidades
Capacidade de expansão
Autodesk Inventor 11™
5
5
5
1
2
TKSolver 3.32™
1
3
4
3
5
MDesign 5.2™
2
2
4
5
3
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Em virtude da facilidade de uso (entrada e saída de dados) e de treinamento, o software escolhido foi o AutoDesk
Inventor 11.
O programa foi empregado, utilizando uma versão trial de 30 dias, no exame final da matéria de dimensionamento
de elementos de máquina do ITA. Tal exame tratava do dimensionamento de eixos para uma caixa de redução de
velocidades. Os alunos mostraram-se satisfeitos com o uso do programa, que simplificou muito o projeto dos eixos em
relação ao método algébrico utilizado anteriormente.
2.3
Aquisição do software
Foi feita uma consulta junto a uma das empresas revendedoras da AutoDesk no Brasil, a MAPData, do valor de
aquisição de licenças para uso nos laboratórios de MPP-22.
Para uso particular dos alunos (individualmente e sem fins lucrativos) estão disponíveis versões grátis de vários
softwares da Autodesk. Para ter acesso aos mesmo, é necessário o cadastramento no site students.autodesk.com,
utilizando um e-mail cujo domínio contenha o nome da instituição de ensino (para o exemplo do ITA, @ita.br). Para os
casos em que os alunos não possuam conta de e-mail da universidade (caso do ITA), o professor poderá se cadastrar no
site (necessariamente com e-mail de domínio da universidade) e convidar estes alunos (que poderão utilizar seu e-mail
pessoal).
Já para o uso em sala de aula, é necessária a aquisição da versão Professional (a mais completa e a única
disponibilizada para uso universitário) do programa. Mas há um desconto para uso acadêmico.
2.4
Confecção de tutoriais
Para que os alunos pudessem aprender a utilizar o software sem nenhum treinamento especial, foram
confeccionados tutoriais para dimensionamento dos seguintes elementos, utilizando o AutoDesk Inventor:
eixos;
molas;
parafusos;
correias;
engrenagens de dentes retos;
chavetas;
freios;
rolamentos.
Os temas foram baseados nos exercícios tradicionalmente dados em sala, que eram resolvidos sem o auxílio do
computador (ou utilizando o mesmo apenas para realizar cálculos matemáticos). Os arquivos apresentam um passo a
passo (desde etapas mais simples, como criar um novo arquivo) de como dimensionar um determinado elemento, com
figuras ilustrativas que facilitam a compreensão.
3
Conclusões
Seguindo o objetivo de definir um aplicativo a ser utilizado nas aulas de dimensionamento de máquinas do ITA,
fez-se a análise dos aplicativos AutoDesk Inventor™ 11, TKSolve™ 3.32 e MDesign™ 5.2. Dentre estes, o software
AutoDesk Inventor 11™ foi selecionado, devido à facilidade de treinamento.
Uma versão de testes de 30 dias foi então empregada no exame final da matéria, afim de se obter uma avaliação dos
alunos. Os mesmos consideraram benéfica a utilização do software, facilitando os cálculos necessários para o
dimensionamento dos eixos presentes no exame final.
Em um posterior contato com um representante da AutoDesk no Brasil (MAPData) verificou-se o preço da licença
e obteve-se a informação de que a AutoDesk disponibiliza versões grátis de seus aplicativos para uso estudantil
individual, por meio de um site na Internet (students.autodesk.com).
Tutoriais de auto-aprendizagem foram elaborados utilizando a versão 11 do Inventor, proveniente deste site.
4
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer ao apoio prestado pelos consultores da MAPData acerca do software Inventor.
Agradecimentos também ao CNPQ, pelo incentivo e pelo apoio financeiro.
5
Referências
FAIRES, V. M. and THOMPSON, J. G H., 1959, “Design of machine elements”, 3. ed., Ed. Macmillan, New York,
USA, 550 p.
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
NORTON, R. L., 2004, “Projeto de Máquinas: Uma Abordagem Integrada”, 2. ed., Ed. Bookman, Porto Alegre, Brazil,
931 p.
SHIGLEY, J. E., 1986, “Mechanical Engineering Design”, Ed. McGRAW-HILL, New York, USA, 699 p.