Apostila metodologia de projeto de maquinas

Apostila metodologia de projeto de maquinas

(Parte 1 de 8)

Apostila ENG 431 -PROJETO DE MÁQUINAS AGRÍCOLAS

Traduzido e adaptado por Ricardo Capúcio de Resende

Prefácil4
1. Introdução5
1.1. Campo de atividades5
1.1.1. Tarefas e atividades5
1.1.2. Tipos de projeto6
1.1.3. Necessidade e natureza da sistematização do processo de projeto6
1.2. O desenvolvimento de uma metodologia de projeto7
1.2.1. História7
1.2.2. Métodos modernos de projeto9
1.2.3. Outras propostas12
1.2.4 Comparação geral e declaração do objetivo do livro pelos autores13
2. Fundamentos15
2.1. Sistema, usina, equipamento, máquina, montagem e componente15
2.2. Conservação de energia, material e sinais16
2.3. O relacionamento funcional16
3. O processo de projeto16
3.1. Resolvendo um problema geral16
3.2. Fluxo de trabalho durante o processo de projeto17
4. Clarear a tarefa20
4.1. Elaboração de uma lista de requisitos (especificação de projeto)20
4.2. O Desdobramento da Função Qualidade (QFD) ou “Casa da Qualidade”23
5. Projeto conceitual30
5.1 Abstraindo para identificar problemas essenciais30
5.2 Estabelecimento de uma estrutura de funções30
5.2.1 Função total30
5.2.2 Quebrando a função total em subfuncões31
5.2.3 Considerações físicas31
5.2.4 Uso prático de estruturas de funções3
5.3 Procurando por princípios de solução para atender as subfunções34
5.3.1. Auxílios convencionais35
5.3.2. Métodos com canal intuitivo37
5.3.3 Elaboração de uma matriz morfológica40
5.4 Combinando princípios de solução para satisfazer a função total4
5.5 Selecionando combinações adequadas45
5.6 Fixando em variantes conceituais47
5.7 Avaliando variantes de concepção contra critérios técnicos e econômicos48
5.7.1 Princípios básicos48
5.7.2 Identificando critérios de avaliação49
5.7.3 Pesando critérios de avaliação50
5.7.4 Compondo parâmetros52
5.7.5 Estimando valores53
5.7.6 Determinando o valor total54
5.7.7 Comparando variantes conceituais54
5.7.8 Comparação aproximada de variantes de solução57
5.7.9 Estimando incertezas da avaliação57
Figura 1.1. A atividade central do projeto de engenharia segundo Dixon e Penny5
Figura 1.2. Passos de projeto de acordo com Hansen10
Figura 1.3. Passos de projeto de acordo com Rodenaker1

Índice de Figuras

subsistema “Acoplamento Flexível”; S2 subsistema “embreagem”:E entradas; S saídas15
Figura 3.1. Processo de decisão geral17
Figura 3.2. Passos do processo de planejamento e projeto18
Figura 4.1. Lista de checagem para elaboração da lista de requisitos21
Figura 4.2. Lista de requisitos de uma semeadora adubadora para plantio direto2
Figura 4.3. Elementos básicos da casa da qualidade – QFD23
Figura 4.4. Exemplo hipotético de alocação hierárquica dos requisitos do consumidor24
Figura 4.5. Alocação dos requisitos de projeto (RP) na matriz planejamento (hipotético)24
Figura 4.6. Preenchimento das matrizes de relacionamento e correlação25
Figura 4.7. Colunas de avaliação de mercado (exemplos hipotéticos)26
Figura 4.8 Exemplo de uma Casa da Qualidade hipotética28
Figura 4.9. Casa da qualidade para uma semeadora adubadora para o plantio direto29
Figura 5.1 Passos do projeto conceitual30
Figura 5.2 Símbolos para representar subfunções numa estrutura de funções31
Figura 5.3 Função total e subfunções de uma máquina de ensaios de tração32
Figura 5.4 Estrutura de funções completa de uma máquina de ensaios de tração em corpos de prova32
Figura 5.5 Exemplo de estrutura de funções para uma semeadora adubadora para plantio direto3
Figura 5.6 Parede de uma haste (talo) de trigo35
Figura 5.7 Construção “sandwich” para estruturas de baixo peso36
Figura 5.8 Ganchos de um carrapicho e fecho tipo Velcro37
Figura 5.9 Características para variação na procura (área física)40
Figura 5.10 Características para variação na procura (área de projeto da forma)41
Figura 5.1 Matriz morfológica para uma colhedora de alho42
Figura 5.12 Combinando princípios de solução45
Figura 5.13 Extrato da lista de propostas de solução para um sistema de medição de combustível47
Figura 5.14 Quadro de seleção para um sistema de medição de combustível47
Figura 5.15 Estrutura de uma árvore de objetivos49
Figura 5.16 Árvore de objetivos com fatores de peso50
Figura 5.17 Árvore de objetivos com fatores de peso para um aparelho de testes de cargas de impacto52
Figura 5.18 Escalas de valores53
Figura 5.19 Quadro de correlação entre magnitude dos parâmetros e escala de valores54
Figura 5.20 Avaliação de quatro variantes de concepção de aparelho para testes de cargas de impacto5
Figura 5.21 Diagrama de taxas56
Figura 5.2 Determinação da taxa total pelos métodos da linha reta e hiperbólico57
Figura 5.23 Avaliação binária de variantes de solução57
Figura 5.24 Lista de checagem com tópicos principais para avaliação durante a fase conceitual58

Prefácil

O objetivo desta apostila é apresentar uma metodologia de projeto de engenharia para utilização no desenvolvimento de máquinas. A maior parte dessa apostila foi traduzida e adaptada do livro: Engineering design: A Systematic Approach, dos autores Gerhard Pahl e Wolfgang Beitz. Objetivou-se apresentar conhecimento introdutório ao assunto para suprir a carência de literatura nessa área do conhecimento, escrita em português. Ao elaborar essa apostila procurei condensar as informações do livro citado acima, dando maior ênfase ao projeto conceitual.

1. Introdução

1.1. Campo de atividades

1.1.1. Tarefas e atividades

A principal tarefa do projetista é aplicar o conhecimento científico para solucionar um problema técnico e depois otimizar esta solução, utilizando os materiais disponíveis e respeitando as restrições tecnológicas e econômicas.

Projeto é a tentativa de satisfazer certas demandas da melhor maneira possível. Ele é uma atividade de engenharia que influencia todas as esferas da vida humana. Baseia-se em descobertas e leis da ciência, usando-as para criar produtos úteis.

O processo de projeto pode ser colocado no centro de duas correntes que se interceptam

Figura 1.1. A atividade central do projeto de engenharia segundo Dixon e Penny

Psicologicamente, projeto é uma atividade criativa baseada em conhecimentos de matemática, física, química, mecânica, termodinâmica, hidrodinâmica, engenharia elétrica, engenharia de produção, tecnologia de materiais e teoria de projeto. Todas com conhecimento prático e experiência em campos específicos. Iniciativa, decisão, compreensão econômica, persistência, otimismo, sociabilidade e trabalho em equipe, são essenciais para projetistas e indispensáveis para os que ocupam posição de responsabilidade.

Em relação à sistemática, projeto é uma otimização de certos objetivos com restrições parcialmente conflitantes. Requisitos mudam com o tempo, então uma solução particular só pode ser otimizada numa conjuntura particular.

Em relação à organização, o processo de projeto influencia essencialmente a manufatura, o processamento de matéria prima e os produtos. Durante a atividade de projeto, é necessário uma colaboração próxima com trabalhadores de áreas diversas. Então para coletar as informações que precisa, o projetista deve estabelecer ligações próximas com vendedores, compradores, contadores, planejadores, engenheiros de produção, especialista em materiais, pesquisadores, engenheiros de testes e especialista em normalizações. Trocas freqüentes de experiências e um bom fluxo de informação são essenciais em projeto de máquinas. Portanto essas atividades devem ser encorajadas por organização apropriada e exemplo pessoal.

1.1.2. Tipos de projeto

Projeto original envolve a elaboração de um princípio de solução original para um sistema ou máquina; para a mesma, similar ou nova tarefa.

Projeto adaptativo envolve uma adaptação de um sistema conhecido para uma nova tarefa, mantendo o mesmo princípio de solução. Usualmente fazem-se projetos originais de algumas partes ou subsistemas.

Projeto variante envolve variação do tamanho e/ou arranjo de certos aspectos de um dado sistema, as funções e o princípio de solução permanecem inalterados. Usualmente substituem-se materiais ou alteram-se as restrições e a tecnologia.

1.1.3. Necessidade e natureza da sistematização do processo de projeto

O projetista tem que ser uma pessoa versátil. Se considerarmos a vasta faixa de produtos que ele ajuda a fazer e o conhecimento especializado ou experiências que ele enfrenta, fica claro que seu trabalho não se encaixa em uma estrutura rígida. Porque o projeto tem um efeito crucial nos valores técnicos e econômicos do produto, os métodos de produção só podem ser otimizados dentro da estrutura de trabalho que ele estabeleceu. O projetista deve dirigir-se por uma aproximação confiável. Uma metodologia de projeto deve:

• Encorajar uma aproximação direta ao problema.

• Promover a invenção e a compreensão, facilitando a procura por soluções ótimas.

• Ser compatível com conceitos, métodos e descobertas de outras disciplinas.

• Não confiar em chances.

• Facilitar a aplicação de soluções conhecidas.

• Ser compatível com o processamento eletrônico de dados.

• Ser facilmente compreendida.

• Refletir o pensamento do gerenciamento científico moderno, reduzindo a carga de trabalho, economizando tempo, evitando erros humanos e ajudando a manter o interesse ativo.

Tal aproximação irá guiar o projetista às possíveis soluções mais rápido e diretamente.

Como as diversas áreas do conhecimento têm se tornado mais científicas, e como o uso de computadores tem necessitado de uma preparação lógica dos dados, o projeto também deve se tornar mais lógico, mais seqüencial, mais transparente e mais aberto à correções. Uma contribuição mais significativa dos projetistas de máquinas só é possível quando seus métodos e estilo de trabalho estão alinhados com os desenvolvimentos da ciência e com as práticas industriais.

Isso não significa que a intuição ou a experiência são menos importantes. Pelo contrário, o uso adicional de procedimento sistemático serve para aumentar o rendimento e a criatividade de projetistas talentosos. O sucesso real é pouco provável sem intuição.

No ensino de métodos de projeto, deve-se incentivar e guiar as habilidades próprias do estudante, encorajar a criatividade, e ao mesmo tempo convencê-lo da necessidade de uma avaliação objetiva dos resultados. Procedimentos sistemáticos ajudam a tornar o processo de projeto mais compreensível, e também facilita o trabalho do professor. Porém, o estudante deve ser advertido contra o tratamento da opinião do professor como dogma. O melhor professor tenta meramente dirigir os esforços do estudante do inconsciente para o consciente. Como resultado, quando ele colabora com outros engenheiros, o projetista não vai meramente defender sua opinião, mas será capaz de tomar a liderança.

A utilização de uma metodologia de projeto sistematizada pode produzir uma verdadeira aproximação racional, e conseqüentemente, soluções gerais válidas. Isto é, soluções que poderão ser utilizadas com freqüência. Ele também ajuda a estabelecer um plano de trabalho baseado num planejamento de projeto racional. Essa aproximação possibilita ao projetista prever quanto tempo gastará não só no estudo de viabilidade, mas também na procura por soluções e na avaliação dos resultados. A sistematização do processo de projeto aumenta a confiança nas leis de similaridades que são muito úteis nos testes de modelos. Ela possibilita o uso consistente de especificações normalizadas, variações de tamanho e métodos modulares, Além disso, a sistematização do processo de projeto facilita racionalizações posteriores, não só na atividade de projeto, mas de todo o processo de produção.

Tempo é dinheiro! Projeto sistematizado facilita o desdobramento racional do computador e de sistemas de dados. Por isso, é relativamente fácil determinar a quantidade de trabalho necessária de ser ser executada por computador. Essas observações também são aplicáveis para as atividades indiretas do projeto, como coleta de informações sobre normas técnicas, componentes, materiais etc..

Uma aproximação racional também deve cobrir os custos computacionais do projeto.

Cálculos preliminares mais rápidos e mais confiáveis têm se tornado uma necessidade no campo do projeto e devem ser realizados com ajuda de informações consistentes. É essencial desenvolver métodos com os quais seja possível estimar custos finais, pelo menos aproximados, mesmo num estado inicial do processo de desenvolvimento. Para isto também é necessária uma aproximação sistemática racional.

1.2. O desenvolvimento de uma metodologia de projeto

Todo desenvolvimento tem antecedentes. Eles maturam quando existe uma necessidade, quando a tecnologia certa está disponível e quando eles são economicamente viáveis. Isto também é aplicável ao desenvolvimento de metodologias de projeto de máquinas.

É difícil determinar a real origem da sistematização do processo de projeto. Qualquer um que olhar os croquis de Leonardo da Vinci deve ficar surpreso e maravilhado com a abundância de variações sistemáticas de possíveis soluções que Leonardo usava. Na era pré-industrial, projeto era associado próximo à arte!

Com o crescimento da mecanização, como Redtenbacker mostra em Princípio da mecânica e de construções de máquinas, as atenções se tornaram cada vez mais focadas no número de características e princípios chamados: esforço suficiente, rigidez suficiente, baixo desgaste, pouco atrito, uso mínimo de materiais, fácil manuseio, fácil montagem e racionalização máxima.

Estas idéias foram desenvolvidas por Reuleax. Visto que os requisitos eram quase sempre conflitantes, ele sugeriu que o julgamento de sua importância relativa ficaria a cargo individual da inteligência e bom senso do projetista.

Outras contribuições para o desenvolvimento do projeto de engenharia foram feitas por

Back e Riedler. Eles salientaram que também são importantes a seleção de materiais, a escolha de métodos de produção e a provisão de esforços adequados. Rotscher mencionou outras características essenciais ao projeto de máquinas como: finalidade específica, caminho de carga efetivo reduzido, manufatura e montagem eficientes. Ele citou que as cargas devem ser conduzidas pelo menor caminho, e se possível por forças axiais, preferencialmente do que por momentos fletores. Caminhos de carga longo não só desperdiça material e aumenta os custos, mas também requer mudanças consideráveis na forma. Cálculos e leiaute devem passar de mão em mão. O projetista começa com o que lhe é dado e com montagens conhecidas. O mais cedo possível, ele deve fazer desenhos em escala para garantir o layout espacial correto. Cálculos podem ser usados para obter estimativas iniciais para o layout preliminar, ou valores precisos para checar o projeto detalhado.

Laudien, examinando os percursos das cargas nas máquinas advertiu: para uma conexão rígida, junte as partes na direção das cargas; se flexibilidade for requerida, junte as partes pelo caminho indireto das cargas; não faça provisões desnecessárias; não super especifique; não satisfaça mais exigências do que o requerido; salve-se por simplificações e construções econômicas.

Idéias sistemáticas mais modernas surgiram em 1920, quando Erkens propôs uma aproximação passo a passo. Ela era baseada em testes e avaliações constantes e também no balanço de exigências conflitantes. Esse processo deve ser continuado até que uma rede de idéias do projeto emerja.

Técnicas de projeto mais compreensivas foram apresentadas por Wögerbauer. A tarefa do projetista foi então dividida em tarefas subsidiárias e essas em tarefas operacionais. Ele também examinou os vários inter-relacionamentos entre as restrições identificáveis, que o projetista deve levar em conta. No entanto, ele falhou por não apresentar a procura por soluções na forma sistematizada. Sua procura sistematizada começa com uma solução descoberta mais ou menos intuitivamente e é variada de forma mais compreensível possível em relação à sua forma básica, materiais e métodos de manufatura. O resultado abundante de possíveis soluções é então reduzido por testes e avaliações, sendo o custo o critério crucial.

Então a necessidade e racionalização do processo de projeto foi sentido antes da Segunda Guerra Mundial, mas seu avanço foi impedido pelos seguintes fatores:

• Ausência de um meio confiável de representar idéias abstratas.

• A visão de que o projeto é uma forma de arte, e não uma atividade técnica como qualquer outra, era compartilhada por muitas pessoas.

O progresso da sistematização do processo de projeto teve então que esperar até que estes obstáculos fossem superados, e que as técnicas sistemáticas fossem adotadas mais amplamente.

Idéias modernas de projeto tiveram um grande impulso com Kesselring, Tschochner,

Niemann, Matousek e Leyer. Esses homens não foram somente meros pioneiros importantes. Seus trabalhos continuam provendo sugestões úteis para as fases individuais e passos do projeto sistematizado.

Kesselring explicou as bases de seu método de aproximações sucessivas em 1942 na sua teoria de composição técnica, na qual se destaca a avaliação das formas de variantes de acordo com critérios técnicos e econômicos, Kesselring apresentou consideráveis fundamentos de princípios científicos e restrições econômicas. Na teoria de projeto da forma, da qual derivou a teoria acima, ele mencionou cinco princípios básicos: princípio do custo de manufatura mínimo, princípio do mínimo espaço requerido, princípio do mínimo peso, princípio de perdas mínimas e princípio do manuseio ótimo.

O projeto e otimização de partes individuais e artefatos técnicos simples, é o objetivo da teoria de projeto da forma. Ela é caracterizada pela aplicação simultânea de leis físicas e econômicas e leva à determinação da forma e dimensões dos componentes, na escolha apropriada dos materiais e métodos de fabricação, etc.. Se a otimização de características selecionadas é levada em conta, a melhor solução pode ser encontrada com a ajuda de métodos matemáticos.

Tschochner menciona quatro fatores fundamentais de projeto, chamados princípio de trabalho, material, forma e tamanho. Eles são interconectados e dependentes dos requisitos, do número de unidades a serem fabricados, dos custos, etc.. O projetista começa com o princípio de trabalho, determina outros fatores fundamentais (materiais e forma) e encaixa-os com a ajuda de dimensões escolhidas.

Niemann inicia o projeto com um layout em escala da máquina completa, mostrando suas principais dimensões e seu arranjo geral. Em seguida ele divide todo o projeto em partes que podem ser desenvolvidas paralelamente. Ele continua definindo a tarefa, variando sistematicamente possíveis soluções e finalmente selecionando a solução ótima. Esses passos geralmente estão em concordância com os usados em métodos mais recentes. Niemann sempre deu atenção à falta de métodos para chegar à novas soluções. Ele deve ser considerado um pioneiro no desenvolvimento de uma metodologia sistematizada de projeto de máquinas, exigindo consistentemente e encorajando seu desenvolvimento.

Matousek listou quatro fatores essenciais: princípio de trabalho, material, manufatura e projeto da forma. Seguindo Wögerbauer, ele elaborou um plano geral de trabalho baseado nestes quatro fatores. Ele adicionou que se o aspecto custo não for satisfatório, todos os outros quatro fatores devem ser examinados novamente de maneira iterativa.

Leyer é mais interessado com o projeto da forma. Ele distingue três fases principais de projeto. Na primeira, o princípio de trabalho é esboçado com a ajuda de uma idéia ou uma invenção. Na segunda fase o layout e o projeto da forma são desenvolvidos, sustentados por cálculos. Durante esta fase, princípios ou regras tem que ser levados em conta. Por exemplo, usa-se o princípio de espessura de parede constante, o princípio de construções leves, o princípio do caminho mínimo das cargas e o princípio da homogeneidade. A terceira fase é de implementação. As regras de Leyer de projeto da forma são de muito valor, porque na prática as falhas são muito mais freqüentes devido a um princípio de trabalho ruim, do que de um projeto detalhado pobre.

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