Capítulo 3- Cames 3.1- Introdução Definição * Uma came (ou camo) é um elemento mecânico usado para acionar outro elemento, chamado seguidor, por meio de contato direto.
Capítulo 3- Cames3.1- Introdução
Definição
* Uma came (ou camo) é um elemento mecânico usado para acionar outro elemento, chamado seguidor, por meio de contato direto.
Capítulo 3- Cames Características
* Simples => Projeto fácil;
* Mecanismo compacto;
* Permite obter praticamente qualquer movimento para o seguidor;
* Consequências do projeto inadequado => Dificuldade de fabricação e deficiência de funcionamento.
Utilização
• Acionamentos em geral;
• Máquinas operatrizes diversas;
• Eixo comando de válvulas de motores de combustão interna.
Linhas de projeto
• Partindo do movimento desejado para o seguidor => Projeto do perfil da came => Síntese;
• Partindo da forma da came => Determinação de deslocamento, velocidade e aceleração do seguidor.
Classificação das
cames e seguidores
Classificação dos seguidores
• De acordo com o movimento do seguidor => Translação ou oscilação;
• Trajetória do deslocamento => Radial ou deslocada (em relação à linha de centro da came);
• Superfície do seguidor => Face plana, face esférica, face de rolamento ou aresta.
Classificação dos seguidores
• Superfície do seguidor:
a. Rolete
b. Face Esférica ou cilíndrica
c. Face Plana
d. Ponta
Classificação das cames
- Came de disco (placa ou radial);
- Came de cunha;
- Came de extremidade ou de face
- Came de forqueta;
- Came invertida;
- Came cilíndrica.
Observação:
• A came deve ser sempre vinculada ao seguidor para garantir o seguimento do perfil;
• Vínculos mais comuns => Gravidade, mola ou vínculo mecânico.
Geometria da came radial (ou de disco)• Círculo de base: É o menor círculo tangente à superfície da came.
• Ponto de traçado: É um ponto teórico sobre o seguidor, usado para gerar a curva primitiva.
Geometria da came radial (ou de disco)
• Curva primitiva: É a que efetivamente define o mov. do seguidor.
• Círculo principal: É o menor círculo com centro coincidente com a came, passando pela curva primitiva.
Ângulo de pressão:
- É o ângulo entre a direção do movimento do seguidor e a normal à curva primitiva;
- Variável durante o giro da came;
- Sua existência implica numa componente de força transversal ao seguidor;
- Âng. de pressão grande => Possibilidade de emperramento p/ seg. de translação;
Diagrama de deslocamento
• Eixo X: Representa a rotação da came => Comprimento igual ao perímetro do círculo principal desenvolvido;
• Eixo Y: Representa o curso do seguidor;
- Elevação => Afastamento do seguidor do centro da came;
- Repouso => Período durante o qual o seguidor está parado;
- Retorno => Movimento do seg. em dir. ao centro da came.
Construção
• Método gráfico – Cames com baixa velocidade de rotação.
• Método analítico – Cames com altas velocidades de rotação.
• Ambos os métodos se baseiam na inversão do mecanismo.
• Afim de se obter a mesma referência o seguidor gira em
relação a came, no sentido contrário a came em relação ao
referencial inercial.
Construção
• Parte da posição de menor afastamento do seguidor;
• Divisão do diagrama de deslocamento e da circ. principal da came em partes iguais;
• Identificação de cada ponto e transferência do deslocamento para a came;
• Ajuste da curva primitiva => Procedimentos específicos para cada tipo de came.
Projeto Gráfico de Cames => Utilidade conceitual e computacional Came de disco com rolete
‾ A came gira com velocidade constante;
‾ Iniciar o projeto na posição de menor deslocamento.
Etapas do projeto gráfico
- Inversão do mecanismo => Came estacionária e seguidor girando ao seu redor;
- Girar o seguidor em torno do centro da came no sentido oposto ao da rotação da came;
Etapas do projeto gráfico
- Deslocar o seguidor radialmente de acordo com o deslocamento desejado para cada ângulo de rotação;
- Desenhar o contorno da came ajustando uma curva suave, tangente ao polígono formado pelas posições ocupadas pela face do seguidor.
Pontos relevantes
0p br r r
br Came compacta
Baixo ângulos de pressão significa menor taxa de desgaste
ângulo de pressãobr
Deve-se tomar cuidado com raios de base pequenos
Maiores ângulos de contato ocorrem nos pontos de inflexão da came.
Came de disco com seguidor de rolete deslocado
• Observações sobre o seu uso
- Concepção ou limitação de projeto;
- Aumento do ângulo de pressão => Curso de maior esforço;
- Consequência => Redução do âng. de pressão => Curso de menor esforço.
Came de disco com seguidor de face plana
• O procedimento é semlhante ao anterior com pequenas modificações.
Came de disco com seguidor de face plana
Circulo base muito pequeno
Comparação entre o tamanho da came de um seguidor de face plana e um seguidor de rolete
Etapas do projeto gráfico
- Inversão do mecanismo;
- Seguidor tangente ao círculo de deslocamento => Defasagem;
- Divisão do círculo de deslocamento;
- Marcação das distâncias perpendicularmente às linhas de divisão;
- Ajustar o contorno da came como uma curva tangente aos círculos do rolete.
Came de disco com seguidor oscilante de rolete
Etapas do projeto gráfico
- Inversão do mecanismo;
- Desenhar um circ. com centro no eixo da came passando pela artic. do seg.;
- Divisão do círculo gerado;
- Com centro em cada ponto da div. traçar arco de raio igual ao raio do seg.;
- Transferir o arco desejado em cada posição da came;
- Ajustar o contorno da came como uma curva tangente aos círculos do rolete.
Came de disco com seguidor oscilante de face plana Etapas do projeto gráfico
• Etapas idênticas ao caso anterior;
• Ajuste do perfil da came tangente ao polígono formado.
• Came de retorno comandado
• Tanto a elevação quanto o retorno são comandados pela came;
• Também chamadas de cames de diâmetro constante;
• Exemplo de uso => Comando de válvulas desmodrômico;
• Possibilidade de uso de cames duplas para acionamento e retorno.
Came Cilíndrico
• Exemplo de uso => Molinete de pesca;
• Mecanismos de enrolamento;
• Seguidor é guiado por uma ranhura na came.
Came invertido
• Seguidor aciona a came por meio de uma ranhura;
• Exemplo de uso => Máquina de costura.
Came para seguidor de roletes – Método Analítico
• Passo 01: Determinar os ângulos como se segue:
1 1
1
1 1
1
tan 1,2,3, , 1
tan
i ii
i i
nn
n
y yi n
x x
y y
x x
2i i
Came para seguidor de roletes – Método Analítico• Passo 03: Determinar os ângulos
0 01 1
1 11
1
1 1
1
cos cos , sin sin2 2
sin sintan
cos cos
sin sintan 1,2,3, , 1
cos cos
i i i i i
n
n
i ii
i i
r r
i n
Came para seguidor de roletes – Método Analítico
Passo 04: Calcular as coordenadas Xi e Yi e dos ângulos de pressão.
0
0
cos
sini i i
i i i
X x r
Y y r
1cos cos cos sin sini i i
Ângulo de pressão
Came para seguidor de roletes – Método Analítico
• Passo 05: Determinar o raio de curvatura de cada ponto da came.
32 2
2 2 2 2
dx d dy d
dx d d y d dy d d x d
1 2 2 2 21 11 1
2 2 2 21 1 1 1
2 2
2 2
i i i ic i i i i
c i i i i i i i i
X X Y Yx X X Y Y
y X X Y Y X X Y Y
2 21 1 1 1
1 1 1 1
i i i i i i i ii c i c
i i i i i i i i
X X Y Y X X Y YX x Y y
X X Y Y X X Y Y
Came para seguidor de roletes – Método Analítico
Raio de Curvatura
Came para seguidor planos – Método Analítico
sin cos
cos sin
bR r f
R y x
t y x
Perfil de deslocamento
do seguidor
f
cos sin
sin cos
x R t
y R t
dRt fd
Came para seguidor planos – Método Analítico
2
2
sin
sin cos
b
b
dxr f f
d
d xf f r f f
d
2
2
cos
cos sin
b
b
dyr f f
d
d yf f r f f
d
32 2
2 2 2 2 b
dx d dy dr f f
dx d d y d dy d d x d
Came para seguidor planos – Método Analítico
3.3 - Tipos de Movimento do Seguidor Durante a rotação da came => Seguidor pode sofrer elevação,
repouso e retorno;
Movimentos mais utilizados para estes fins:
Movimento uniforme;
Movimento harmônico simples;
Movimento parabólico;
Movimento cicloidal;
Movimento Polinomial. (Se popularizou com o uso de
máquinas ferramentas CNC)
Cames de Alta Velocidade Preocupação com o descolamento do seguidor da came.
Forças atuantes no sistema são significativas => Forças de inércia + força de retenção.
Seleção dos movimentos deve levar em conta:
* Movimento desejado para o seguidor => Fundamental importância;
* Forças de inércia => Características dinâmicas do sistema;
* Seleção do contorno da came => Minimização do carregamento dinâmico.
Conceito de aceleração segunda => Jerk
* Terceira derivada do deslocamento em relação ao tempo;
* Mede a taxa de variação da aceleração => Taxa de aplicação da carga (força).
* Indica o impacto do carregamento => Condição desfavorável de funcionamento;
* Impacto perfeito => Aplicação instantânea da força => (Jerk = Infinito);
Síntese do movimento:
Pontos mortos
Velocidade constante
Síntese do movimento:
1- Define-se as posições conhecidas e movimentos conhecidos.
2- Completa-se os gráfico para uma volta completa da came com perfis de deslocamento.
Análise do movimento uniforme
Análise do movimento uniforme
Análise do movimento parabólico
20 1 2y C C C
Análise do movimento parabólico
Análise do movimento parabólico
20 1 2y C C C
Análise do movimento harmônico simples
2
1 cos2
sin2
cos2
Ly
Ly
Ly
2
sin2
cos2
Ly
Ly
Análise do movimento harmônico simples
2
1 cos2
sin2
cos2
Ly
Ly
Ly
2
sin2
cos2
Ly
Ly
Análise do movimento cicloidal
2
1 2sin
2
21 cos
2 2sin
y L
Ly
Ly
2
2
21 cos
22 sin
Ly
y L
Nenhuma
propriedade do movimento tende ao
infinito.
Análise do movimento cicloidal
2
1 2sin
2
21 cos
2 2sin
y L L
Ly
Ly
2
2
21 cos
22 sin
Ly
y L
Maneiras de evitar o Jerk infinito
Método desenvolvido por Kloomok e Muffley
• Baseado no uso de perfis selecionados => Ciclóide, harmônico e polinômio de 8º grau;
• Características do movimento cicloidal:
- Aceleração nula nos extremos do trecho;
- Pode ser usada antes ou depois de um repouso;
- Leva a ângulos de pressão relativamente grandes.
Características do movimento polinomial
• Utilizado em máquinas de alta velocidade.
• Somente polinômios de ordem impar permitem o início e o termino do
movimento, entre dois pontos mortos, nas mesmas condições.
• Polinômio de 1º ordem: Velocidade constante e acelerações infinitas no
início e no fim do movimento.
• Polinômio de 3º ordem: Velocidade parabólica, aceleração linear e
JERK infinito no início e no fim do movimento.
• Polinômio de 5º ordem: JERK e aceleração sempre finitos.
• Aproximações de ordem superiores não são necessárias desde que
erros na fabricação produzem efeitos de magnitude superiores a
melhora obtida no aumento da ordem do polinômio.
Características do movimento polinomial
0
in
ii
y f C
Se o polinômio é de n-ésima ordem então podem ser atendidas “n” condições de movimento.
Características do movimento polinomial
1
in
ii
y f C
1
1
1in
ii
dy f iC
dt
1 222
2 21 1
1 11
i in n
i ii i
d dy f iC i i C
dt dt
• Curvas possuem derivadas contínuas => Aceleração varia continuamente => (Jerk = Valor finito);
• Evita-se o Jerk infinito nos extremos igualando as acelerações finais e iniciais dos trechos;
• Ex: Repouso seguido de elevação:
- Fim do repouso = > Aceleração nula;
- Início da elev.=> Selecionar curva com acel. inicial nula;
- Fim da elevação => Acel. determinada pelo próximo trecho.
3.5 - Fabricação de Cames Pode depender de como o projeto foi efetuado (Gráfico X Analítico)
Fabricação baseada no projeto gráfico
• Usa o desenho gerado como gabarito para a fabricação;
• A qualidade final depende da precisão do desenho => Geralmente a precisão limita o uso;
• Restrito a aplicações onde a velocidade é baixa;
• Implementações:
- Corte do contorno da came (riscado) em chapa de aço;
- Fresadora copiadora => Ferramenta guiada por um elemento que segue o desenho;
• Requer acabamento manual => Viável para pequena produção.
Fabricação baseada no projeto analítico
• Cálculo do deslocamento do seguidor para pequenos incrementos de rotação da came;
• Obtenção do perfil por meio de uma fresadora de coordenadas:
- Ferramenta faz o papel do seguidor;
- Ferramenta executa os mov. como o seguidor o faria.
Para seguidor de rolete => Eixo da ferramenta perpendicular ao plano da came
Para seguidor de face plana => Eixo da ferramenta paralelo ao plano da came
• Quanto menor for o incremento da rotação => Melhor o acabamento superficial
- Incremento usual = 1 grau;
- Máquinas CNC => Operação praticamente contínua => Ótimo acabamento.
Exercício
M- Massa da válvula e do tuchoK- Rigidez da mola de retornoC- Amortecimento viscoso do óleoKC– Rigidez do contato came seguidorFN– Força normal entre a válvula e o tuchox(t)- Deslocamento da válvulay(t)- Deslocamento imposto pela came
Exercício
M- Massa da válvula e do tuchoK- Rigidez da mola de retornoC- Amortecimento viscoso do óleoKC– Rigidez do contato came seguidorFN– Força normal entre a válvula e o tuchox(t)- Deslocamento da válvulay(t)- Deslocamento imposto pela came
Exercício
2º Lei de Newton)
Exercício
Equação Diferencial Ordinária - Equação do Movimento
𝑭 𝑪
)
Considerações sobre a força normal entre a válvula e o tucho:
• A válvula é curta e o momento gerado pela força na direção tangencial da válvula é negligenciável.
• A força normal de contato entre a válvula e o tucho possui a mesma direção da tangente a superfície da came.
• O valor de não pode ser negativo, caso isto aconteça a válvula flutua.
ExercícioEquação do Movimento Alterada para Válvula que Flutua
Considerações sobre a rigidez de contato:
• Modelo 01 – Rigidez constante
Calcula-se a rigidez para a pré-carga e um raio médio da came e não se altera
mais.
• Modelo 02 – Rigidez variável com a variação do raio de curvatura ‘da came
Calcula-se a rigidez para a pré-carga e um raio médio da came, esta será alterada
para cada valor de .
• Modelo 03 – Rigidez variável
Calcula-se a rigidez para cada valor do raio de curvatura da came e valores de .
ExercícioSeguidor de Rolete
ExercícioSeguidor de Rolete
ExercícioSeguidor Plano
3.6 - Projeto Analítico de Cames Came de disco com seguidor radial de face plana
• Permite determinar o contorno da came de forma analítica
Ponto de contato carne-seguidor Método gráfico => Tentativas
Raio mínimo Método analítico=> Equacionamento
Características calculadas
• Equações paramétricas do contorno da came;
• Raio mínimo => Para evitar pontas;
• Localização do ponto de contato.
Determinação do perfil da came e do comprimento de contato
• Equacionamento
- x e y => Coordenadas do ponto de contato;
- l => Distância do ponto de contato à linha de centro do seguidor;
- R => Deslocamento do seguidor em relação à origem.
Determinação do perfil da came e do comprimento de contato
• Triângulo superior
• Triângulo inferior
Mas:
Pela observação das equações anteriores, tem –se:
Na prática: - Diagrama de deslocamento desejado é definido;
- O contorno da came (dado por x e y para cada ângulo θ) é obtido pela solução simultânea de R e l:
- Fazendo isto:
• Triângulo superior
• Triângulo inferior
Mas:
• Substituindo R e l nas equações de x e y
• Determinação do comprimento da face
- comprimento mínimo = lmáx
- l= f’(θ) => Determinar o valor máx de l
- Por observação (varrendo θ)
- Fazendo
• Determinação do raio mínimo da came C
- Objetivo => Evitar pontas na came
- Condições para que exista uma ponta
• Derivando as equações de x e y
Para anular as equações dx/dq e dy/dq simultaneamente, tem-se:
• Considerações
- Procurar valor mínimo de f(θ)+ f"(θ) e determinar C de forma a não anular a equação acima
• Se não existe restrição para C => Raio mínimo da came = Raio do cubo.
• Observações:
• x e y do ponto de contato definem o perfil da came;
• R e l permitem sua fabricação
• Eixo da fresa paralelo ao plano da came.
• Comprimento mínimo da fresa maior que 2 lmáx.
• Came de disco com seguidor radial de face plana:
• Elevação de 50 [mm] realizada em ¼ de volta da came.
• Retorno de 50 [mm] realizada em ¼ de volta da came.
• Movimento harmônico.
Came de disco com seguidor radial de rolete
• Superfície primitiva da came dada pela posição do centro do rolete
• Da figura tem-se:
Verificação quanto à existência de pontas:
ρ = Raio de curvatura da superfície primitiva
ρc = Raio de curvatura da superfície da came
Rr = Raio do rolete
• Se ρ = constante e Rr é grande => ρc é pequeno
• Se Rr = ρ => rc = 0 => Ponta
• Se Rr > ρ => Superfície rebaixada => Movimento incorreto
Para evitar pontas ou rebaixo:
• Cada trecho de movimento diferente
deve ser verificado separadamente;
• Equação do raio de curvatura em
coordenadas polares:
onde R = f (θ) => Duas primeiras derivadas são contínuas
• Verificação geral
- Determinar o valor mínimo de ρ a partir da equação acima;
- Deve ser feito para cada trecho de função separadamente;
- Geralmente leva a funções transcedentais complicadas.
Movimentos mais usados
• Muffley e Kloomok => Movimento cicloidal, harmônico e polinômio de 8° grau;
• É necessário saber:
- Tipo de movimento usado no trecho;
- L => Elevação no trecho;
- R0 => Raio mínimo da superfície primitiva;
- β => Ângulo de giro da came para realizar a elevação L.
• Exemplo
• Elevação desejada L= 15 [mm]
• Tipo de movimento = Cicloidal
• Giro da came para realizar a elevação = 30°
• Raio mínimo da superfície primitiva R0 = 37,5 [mm]
• Verificar a existência de ponta ou rebaixo para raio de rolete Rr = 6,25 [mm]
Movimento Cicloidal
Movimento harmônico
Polinômio do 8 grau
• Considerações a respeito do ângulo de pressão
- Característica importante
- Deve ser o menor possível => Valor máximo = 30°
• α máx pode se determinado a partir da equação acima;
- Procedimento difícil;
- Equações transcedentais complicadas.
• Movimentos mais usados:
- Muff1ey e Kloomok;
-É necessário saber:
• Tipo de movimento usado no trecho;
• L => Elevação no trecho;
• R0 => Raio mínimo da superfície primitiva;
• β => Ângulo de giro da came para realizar a elevação L.
Exemplo
• Elevação desejada L= 15 [mm]
• Tipo de movimento = Cicloidal
• Giro da came para realizar a elevação = 30°
• Raio mínimo da superfície primitiva R0 = 37,5 [mm]
• Verificar o máximo valor para o ângulo de pressão