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DIMENSIONAMENTO MECÂNICO DE UMA EMPILHADEIRA COM
MECANISMO DE NIVELAMENTO
Rafael Montes do Amaral
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador:
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO DE 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
DEM/POLITÉCNICA/UFRJ
DIMENSIONAMENTO MECÂNICO DE UMA EMPILHADEIRA COM
MECANISMO DE NIVELAMENTO
Rafael Montes do Amaral
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Armando Carlos de Pina Filho, D.Sc. (Orientador)
________________________________________________
Prof. Ricardo Manfredi Naveiro, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO DE 2016
i
Amaral, Rafael Montes do
Dimensionamento mecânico de uma empilhadeira com
mecanismo de nivelamento/ Rafael Montes do Amaral - Rio
de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2016.
VIII, 87 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /
Curso de Engenharia Mecânica, 2016.
Referências bibliográficas: p. 86-87.
1. Máquina de elevação. 2. Equipamento Hidráulico.
3. Mecanismo de nivelamento. 4. Projeto Mecânico.
I. Pina Filho, Armando Carlos de. II. Universidade Federal
do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Engenharia
Mecânica. III. Título.
ii
Dedico este trabalho aos
meus pais, Bárbara Montes e
Marcos Vidigal
iii
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer imensamente aos meus pais, Bárbara Maria Padão Montes
do Amaral e Marcos Vidigal do Amaral, primeiramente pelo amor que me oferecem ao
longo de toda a minha vida, pela boa educação que me deram, o que me permitiu me
tornar uma pessoa correta, e finalmente, pelo apoio, liberdade e compreensão durante os
meus anos de Universidade.
Agradeço também a outros familiares, que de alguma forma participaram dessa
etapa da minha vida, irmãos, tios, avós, primos. Em especial aos meus irmãos, Pedro e
Luiz, que estão sempre presentes em minha vida, e com quem sei que poderei contar para
qualquer situação.
Aos meus amigos, presentes em todos os momentos, tanto nos momentos de
alegria e diversão, quanto nos momentos de dificuldade. Amigos dos tempos de Campo
Grande, da Barra da Tijuca, e outros bons amigos. Um agradecimento especial aos amigos
da faculdade, que compartilharam comigo muitas alegrias e dificuldades ao longo de
todos esses anos.
À minha namorada, Sabrina, por seu companheirismo. Por estar presente durante
grande parte da minha vida universitária. Por me apoiar em minhas decisões, por entender
meus momentos de ausência para estudo, e por estar ao meu lado nos bons momentos de
lazer.
Por fim agradeço ao professor Armando, por ter aceitado me orientar nesse
projeto, sempre se mostrando solícito e prestativo, e contribuindo com valiosos conselhos
ao trabalho.
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
DIMENSIONAMENTO MECÂNICO DE UMA EMPILHADEIRA COM
MECANISMO DE NIVELAMENTO
Rafael Montes do Amaral
Setembro/2016
Orientador: Armando Carlos de Pina Filho
Curso: Engenharia Mecânica
Historicamente a movimentação de carga é uma atividade fundamental para a
sociedade e para o homem. Seja na construção civil, na indústria, nos portos, ferrovias,
na agricultura ou em centros distribuidores, é indispensável o uso de meios que permitam,
erguer e transportar os mais variados tipos de carga. São tantas as diversas necessidades
específicas, que novos equipamentos destinados a aplicações únicas são constante objeto
de estudo dos fabricantes. O presente trabalho tem por objetivo desenvolver o conceito
de um equipamento voltado para a movimentação de carga em superfícies planas e que
possa atuar sobre pequenos aclives por meio de um mecanismo que permita seu
nivelamento. Após uma análise quanto a escolha da melhor configuração para o
equipamento, baseado nos tipos de equipamentos de elevação de carga do mercado e na
aplicação do equipamento em análise, decidiu-se por desenvolver o projeto de uma
empilhadeira manual motorizada. Foi feito um estudo quanto a viabilidade técnica do
mesmo e o dimensionamento e especificação dos seus componentes, englobando o
cálculo dos esforços envolvidos e a escolha dos materiais.
Palavras-chave: Máquina de elevação, Projeto de máquinas, Empilhadeira, Mecanismo
de nivelamento.
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Mechanical Engineer.
MECHANICAL DESIGN OF A STACKER WITH A LEVELLING MECHANISM
Rafael Montes do Amaral
September /2016
Advisor: Armando Carlos de Pina Filho
Course: Mechanical Engineering
Historically the load transportation is a fundamental activity for society and for
men. Whether in construction, industry, seaports, railways, in agriculture or in
distribution centers, it’s imperative the use of means to allow the lifting and transportation
of all kinds of cargo. There are so many the different specific needs, that new equipment
for unique applications are constantly manufacturers’ object of study. The present work
aims to develop the concept of an equipment focused on cargo handling over flat surfaces,
as well as over sloped surface by way of a mechanism that allows its self levelling. After
an analysis regarding the choose of the best setting for the machine, based on the types of
lifting machines existent on the market and on the application of the equipment in
question, it was decided to develop the project of a powered hand stacker. A study about
the technical feasibility of it was done, as well as the design and specification of its
components, encompassing the calculation of the efforts involved and the choice of
materials.
Keywords: Lifting machine, Machine design, Stacker, Levelling mechanism.
vi
Sumário
1 Introdução.................................................................................................................. 1
1.1 Motivação .......................................................................................................... 1
1.2 Objetivo e requisitos do projeto ......................................................................... 1
1.3 Movimentação de carga ..................................................................................... 2
1.4 Pontes e pórticos rolantes .................................................................................. 5
1.4.1 Pontes rolantes....................................................................................................... 5
1.4.2 Pórticos rolantes .................................................................................................... 6
1.5 Empilhadeiras .................................................................................................... 7
2 Concepção do modelo ............................................................................................. 11
2.1 Modelo 1 .......................................................................................................... 11
2.2 Modelo 2 .......................................................................................................... 13
3 Conceito do equipamento ........................................................................................ 15
3.1 Aplicações previstas ........................................................................................ 15
3.1.1 Utilização em terreno plano ................................................................................ 15
3.1.2 Utilização em terreno irregular............................................................................ 16
3.1.3 Utilização em terreno inclinado .......................................................................... 16
3.2 Análise das solicitações ................................................................................... 17
3.2.1 Movimentação longitudinal ................................................................................. 18
3.2.2 Tombamento lateral ............................................................................................. 28
4 Dimensionamento e seleção dos principais componentes ....................................... 36
4.1 Seleção do material .......................................................................................... 37
4.1.1 Aços carbono comuns e microligados ................................................................. 38
4.1.2 Aços inoxidáveis ................................................................................................. 40
4.1.3 Escolha ................................................................................................................ 42
4.2 Forquilhas ........................................................................................................ 43
4.2.1 Escolha do perfil .................................................................................................. 44
4.2.2 Análise dos esforços ............................................................................................ 46
vii
4.3 Torre de elevação ............................................................................................. 52
4.3.1 Escolha do perfil .................................................................................................. 52
4.4 Cilindros hidráulicos ........................................................................................ 53
4.4.1 Simples ação ........................................................................................................ 54
4.4.2 Dupla ação ........................................................................................................... 55
4.4.3 Simbologia de cilindros hidráulicos .................................................................... 55
4.4.4 Regra dos 80% .................................................................................................... 56
4.4.5 Seleção do cilindro hidráulico de levantamento .................................................. 56
4.4.6 Seleção dos cilindros hidráulicos de nivelamento ............................................... 58
4.5 Motores hidráulicos ......................................................................................... 61
4.5.1 Principais tipos .................................................................................................... 61
4.5.2 Simbologia de motores hidráulicos ..................................................................... 63
4.5.3 Motor hidráulico da roda de tração ..................................................................... 64
4.5.4 Seleção do motor hidráulico ................................................................................ 70
4.6 Corrente ........................................................................................................... 72
4.6.1 Transmissão por correntes ................................................................................... 72
4.6.2 Seleção da corrente .............................................................................................. 73
4.7 Seleção das rodas ............................................................................................. 77
4.7.1 Seleção do produto .............................................................................................. 77
4.7.2 Determinação da capacidade de carga necessária ............................................... 77
4.7.3 Seleção do material da roda................................................................................. 78
4.7.4 Escolha ................................................................................................................ 79
4.8 Pinos ................................................................................................................. 81
5 Conclusão ................................................................................................................ 84
6 Referências Bibliográficas ...................................................................................... 86
1
1 Introdução
1.1 Motivação
A motivação para o desenvolvimento do presente trabalho veio a partir da observação da
falta de equipamentos no mercado destinados à movimentação de cargas em superfícies
inclinadas. Esse tipo de equipamento seria útil para eventuais necessidades de mover
cargas sobre aclives, como nos casos de socorro a animais feridos em encostas, de resgate
em situações de emergência em terrenos acidentados, na possibilidade de um maior
aproveitamento dos espaços disponíveis em armazéns, almoxarifados, depósitos,
tornando possível a estocagem de material sobre rampas de acesso, por exemplo.
1.2 Objetivo e requisitos do projeto
Dada as observações descritas na seção 1.1, o projeto tem por objetivo desenvolver um
conceito diferenciado de equipamento para elevação de carga, bem como demonstrar seu
funcionamento, dimensionamento e especificação de seus componentes.
O equipamento em estudo deverá ser capaz de atender aplicações comuns de elevação de
carga em superfícies planas, e também a modos de utilização diferenciados:
Movimentação sobre superfície irregular;
Movimentação sobre superfície levemente inclinada.
O foco do projeto será sua viabilidade técnica. O viés econômico para a fabricação e
montagem de tal equipamento será considerado, porém não em detalhes. Aspectos
referentes ao estudo da influência do comportamento do solo sob compressão não serão
abordados. Limitações de tamanho e peso serão consideradas de modo a garantir boas
condições de manobra ao deslocamento manual e certa portabilidade à máquina.
Serão formuladas as equações que regem o carregamento do equipamento sobre
superfícies planas e superfícies inclinadas. Em seguida serão atribuídos valores às
variáveis com base na configuração final definida para o equipamento, e determinados os
esforços, torques necessários e máximas inclinações permitidas para o equipamento em
análise.
2
1.3 Movimentação de carga
É o nome dado a atividade que consiste no levantamento, transporte e deslocamento de
determinada carga. Pode ser feita manualmente, ou com a utilização de equipamentos e
acessórios destinados a esse tipo de atividade.
Desde o princípio das civilizações o homem se utiliza da movimentação de cargas,
originalmente para construção civil, onde as cargas a serem movimentadas são de grande
massa. No começo se utilizava de engenhosos mecanismos para facilitar a tarefa de
carregar, descarregar mercadorias, construir. Desde alavancas, sistemas de polias até
mesmo guindastes de madeira, nos quais os aspectos de segurança eram precários, e na
maioria das vezes era necessário o esforço manual de enormes quantidades de operários,
tal como mostrado na Figura 1.
Figura 1 - Construção do Obelisco do Vaticano em 1586 (https://en.wikipedia.org/wiki/Domenico_Fontana)
Foi durante a Revolução industrial que as máquinas de movimentação de carga passaram
por grandes evoluções tecnológicas, como a utilização de outros materiais como ferro
3
fundido e aço na produção dos equipamentos. Com o desenvolvimento de máquinas
hidráulicas e das máquinas a vapor, substituiu-se o esforço manual como fonte de
potência nesse tipo de tarefa, permitindo um grande avanço em termos de capacidade de
levantamento e velocidade. A Figura 2 ilustra uma ponte rolante movida à vapor, do
fabricante DEMAG, em uma linha de produção no período pós revolução industrial.
Figura 2 - Exemplo de ponte rolante movida a vapor em 1875 (http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/2365934)
A mecanização dessa classe de equipamentos gerou um enorme aumento da
produtividade nas indústrias, construção civil, nos portos, escavações em minas, centros
distribuidores, comércio.
Atualmente, as máquinas de elevação e transporte devem atender a diversas normas de
segurança, operação, projeto, fabricação, ergonomia, de modo a mitigar os riscos
inerentes envolvidos no processo de transferência de carga.
4
Existe uma enorme variedade de equipamentos destinados a operações de movimentação
de carga. Rudenko (RUDENKO, 1976) classifica as máquinas de levantamento em três
grandes categorias, conforme mostrado na Figura 3.
Figura 3 - Principais tipos de máquinas de elevação
Os equipamentos, segundo Brasil (BRASIL, 1988) podem ser descritos da seguinte
maneira:
Macacos – Destinam-se a elevação de cargas pequena altura, com ou sem
deslocamento horizontal, a pequena distância;
Talhas – São máquinas constituídas essencialmente por um redutor de velocidade
ligado a um tambor e polias de acionamento e suspensão de carga;
Dispositivos especiais – Tem a mesma finalidade das talhas usando, porém, sistemas
patenteados de multiplicadores de força;
Máquinas de elevação e transporte
Máquinas de elevação
• Macacos
• Talhas
• Talhas manuais portáteis
• Carrinhos manuais de talhas
• Talhas elétricas portáteis
• Monovias elétricas
• Teleférico monotrilho
• Guinchos
• Carrinhos de guindaste
Guindastes
• Guindaste giratório estacionário
• Guindastes móveis sobre trilhos
• Guindastes sem trilho
• Guindastes de locomotiva e de esteira
• Guindastes tipo ponte
• Guindastes flutuantes
• Guindastes de cabos
Elevadores
• Talhas pneumáticas
• Funiculares
• Empilhadeiras
• Elevadores verticais
• Elevadores tipo mastro
• Elevadores de cabine
5
Guinchos – Compostos essencialmente de tambor com cabo, freio, redutor, motor,
chassi, destinam-se a elevação ou ao arraste de carga a grande altura ou distancia;
Monovias – São talhas dotadas de um sistema de translação sobre a aba inferior de
viga “I”, motorizadas ou manuais;
Pontes rolantes – Possuem uma estrutura horizontal em ponte que permite o
movimento transversal de um guincho;
Pórticos rolantes – Diferem das pontes por possuírem estrutura própria e autonomia
para sua translação;
Guindastes – Classifica-se como guindaste qualquer máquina de levantamento
dotada de lança. Também nessas máquinas a peça básica é o guincho.
Empilhadeiras – São equipamentos específicos para manuseio de cargas em pátios
de estocagem ou almoxarifados. Eles têm capacidade variando de 0,6 t a 6,0 t nas
linhas normais de fabricação.
Esse trabalho buscou estudar alternativas para o desenvolvimento de um conceito
diferenciado de equipamento, buscando uma configuração adequada dentro de duas das
principais categorias de equipamentos de elevação: Pontes e pórticos rolantes e
Empilhadeiras.
1.4 Pontes e pórticos rolantes
Pontes e pórticos rolantes são equipamentos capazes de erguer e movimentar cargas.
Podem atender a uma grande variedade de aplicações, podendo chegar a erguer milhares
de toneladas.
1.4.1 Pontes rolantes
Equipamentos de elevação e transporte de cargas. Geralmente tem propulsão própria.
Podem ser constituídos por uma viga ou duas vigas, que circulam ao longo de um caminho
de rolamento. O dispositivo de elevação de carga pode ser uma talha com guincho, no
caso de pontes monoviga, ou um carro guincho, no caso de pontes biviga.
Seus principais tipos de configuração são: Monoviga (Figura 4) e Biviga (Figura 5).
6
Figura 4 - Ponte rolante Monoviga (http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page114461.html#)
Figura 5 - Ponte rolante Biviga (http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page114461.html#)
1.4.2 Pórticos rolantes
Pórticos rolantes são similares as pontes rolantes, porém apresentam a diferença de ter
uma estrutura própria que sustenta a viga principal. Assim como as pontes rolantes,
podem ter uma ou duas vigas, e apresentam a liberdade de poderem movimentar-se sobre
trilhos ou não e ainda com a possibilidade de fazer curvas, no caso de pórticos rolantes
sobre rodas.
Seus principais tipos de configuração são: Monoviga (Figura 6), Biviga (Figura 7),
cavalete móvel (Figura 8) e Semi-pórtico (Figura 9).
7
1.5 Empilhadeiras
Define-se empilhadeira como um veículo auto propelido ou manual, com pelo menos três
rodas, projetado para realizar movimentação de cargas.
Empilhadeira são equipamentos versáteis, que auxiliam a movimentação de carga de
maneira ágil e eficaz, principalmente utilizadas para levantar, transportar e posicionar
cargas paletizadas. As empilhadeiras são equipamentos muito utilizados para transportes
Figura 6 – Pórtico rolante monoviga sobre rodas
(https://www.logismarket.pt/gh/projectos-
especiais/1999602185-1228749840-p.html)
Figura 7 - Pórtico rolante biviga sobre trilhos
(https://www.logismarket.pt/tecponte/portico-
rolante/2015147337-1228749840-p.html)
Figura 9 - Semi-pórtico monoviga
(http://www.brevil.ind.br/produto-
detalhe/6/semiportico-monoviga)
Figura 8 - Pórtico cavalete móvel
(http://www.demagcranes.pt/cms/site/pt/lang/pt/page1
14797.html)
8
interno. Destinam-se tanto à movimentação vertical, como horizontal de materiais de
praticamente todos os tipos.
São aplicáveis nas mais variadas situações: Em linhas de produção (alimentação de
maquinas, movimentação de produtos de processo, produtos acabados ou matéria prima)
e na armazenagem, (carga e descarga, colocação em estoque seleção de itens para
expedição). Sendo utilizadas na movimentação de paletes, bobinas, fardos, sacaria, tubos
ou toras, tambores, peças volumosas, materiais quentes ou corrosivos, caçambas,
contêineres, contentores. (TOMÁZ, 2010)
Podem inclusive ser montadas com diversos tipos de implementos para diferentes
serviços (Figura 10).
Figura 10 - Diversos tipos de implementos para empilhadeiras (http://www.goodsenseforklift.com/en)
De uma maneira geral possuem menor robustez e menor capacidade de carga se
comparadas a guindastes e pontes rolantes, porém dado sua grande versatilidade, muitas
vezes podem substituir esses equipamentos.
9
Existe uma enorme gama de capacidades possíveis dependendo do tamanho e tipo da
empilhadeira, podendo chegar a capacidades de mais de 50 toneladas, nas empilhadeiras
para serviços ultra pesados.
Os principais tipos de empilhadeira são diferenciados por sua configuração e aplicação,
e também pelo modo de propulsão, podendo ser motor de combustão (gás liquefeito,
gasolina ou diesel), motor elétrico, motor hidráulico ou mesmo manual.
Basicamente, os principais tipos de empilhadeira são:
Empilhadeira motorizada:
O tipo mais difundido, por sua versatilidade, capacidade de carga, e fácil manuseio. Trata-
se de um veículo auto propelido dotado de uma torre de elevação com as forquilhas para
o levantamento e transporte de carga. Possuem um contrapeso que garante que o
equipamento não tombe quando carregado. Podem ser elétricas, com energia proveniente
de baterias, o que as torna mais silenciosas e menos poluentes, ideal para serviços em
ambiente fechado. Ou movidas por motor de combustão, que normalmente tem maiores
capacidades de carga, mas apresentam a desvantagem de serem mais barulhentas e
emitirem gases tóxicos.
Figura 11 - Empilhadeira a diesel contrabalançada (http://www.equipmentondemand.com/product/10000-lb-
pneumatic-tire-forklifts/)
Empilhadeira manual:
Uma alternativa a empilhadeiras contrabalançadas. Geralmente é mais leve e mais
compacta, requer menos manutenção e seu manuseio é ainda mais simples. Existem
10
modelos totalmente não motorizados, onde tanto a manobra e tração do equipamento,
quanto o acionamento do mecanismo de levantamento são feitos manualmente pelo
operador. Outros modelos apresentam uma unidade de potência, hidráulica ou
elétrica, que auxilia o manuseio da empilhadeira pelo operador, e permite um ganho
em termos de capacidade de carga e/ou velocidade de deslocamento. A Figura 12,
mostra modelos de empilhadeiras, totalmente manual e com unidade de potência
elétrica.
Figura 12 - Empilhadeira manual e empilhadeira semielétrica (http://www.paletrans.com.br/pt-br/produtos)
11
2 Concepção do modelo
Para o desenvolvimento do equipamento, foram avaliados alguns modelos de
configurações possíveis, visando atender a proposta de aplicação em terrenos planos e
terrenos com pequenas inclinações. A escolha do modelo final foi feita pesando as
vantagens e desvantagens de cada modelo.
2.1 Modelo 1
O modelo 1 (Figura 13) é um Pórtico cavalete móvel adaptado para trabalhos em terrenos
inclinados.
Contém uma viga principal, por onde corre um trole com uma talha manual, ao qual a
carga é fixada e movimentada ao longo da viga principal. A coluna lateral que suporta a
viga principal está pinada à base do pórtico, e pode girar em torno dessa fixação através
do avanço do pistão dos cilindros hidráulicos que estão ligados às colunas laterais e às
bases.
Viga
Principal
Colunas
laterais
Cilindros
hidráulico
s
Rodas
Base
Figura 13 - Modelo 1: Pórtico cavalete móvel
12
Quando utilizado em uma superfície plana, a operação de movimentação de carga se dá
de forma similar a um pórtico móvel convencional, com a carga suportada pela viga e
pelos cilindros hidráulicos.
Quando há a necessidade de um trabalho em aclive, os cilindros avançam até que a coluna
se encontre na vertical, e a viga principal paralela ao plano horizontal (Figura 14).
Figura 14 - Configuração convencional versus configuração alterada
É necessário que não haja deslizamento entra a roda do pórtico e a superfície do terreno
inclinado, o atendimento dessa condição depende do coeficiente de atrito entre a
superfície do pneu e do terreno, e do ângulo de inclinação do terreno.
A configuração convencional da Figura 14 ilustra como seria a utilização de um pórtico
convencional sobre um plano inclinado, havendo o risco de tombamento do equipamento,
em torno do ponto A. O não tombamento irá depender de inúmeras variáveis, como: as
dimensões do pórtico, a magnitude da carga içada, o peso próprio do pórtico e o ângulo
de inclinação do terreno.
A configuração alterada, obtida com o avanço dos cilindros hidráulicos, garante que,
idealmente, mesmo carregado, o pórtico não gire em torno do ponto A, ficando necessário
apenas garantir no projeto que não irá ocorrer deslizamento entre a roda e o terreno.
Contudo, esse modelo apresenta desvantagens. Como o fato de necessitar de grandes
cilindros hidráulicos, que são pesados e de alto custo, também não é facilmente operável
e nem apresenta uma boa portabilidade. Além disso, tem sua condição de estabilidade
13
facilmente prejudicada, pois, como o levantamento é feito por cabos (ou corrente),
pequenos deslocamentos da carga podem ocasionar o tombamento do pórtico.
2.2 Modelo 2
O modelo 2 (Figura 15) é uma empilhadeira motorizada.
Figura 15 - Modelo 2: Empilhadeira hidráulica motorizada
O modelo 2 é uma empilhadeira hidráulica motorizada.
O funcionamento da empilhadeira é similar ao de empilhadeiras convencionais “All
terrain”, com rodas adequadas para a utilização em terrenos irregulares. Porém, além dos
rodízios, a empilhadeira conta com um par de cilindros hidráulicos laterais responsáveis
pelo nivelamento da torre de elevação. Os cilindros estão ligados por pinos à torre de
elevação e aos braços de apoio, o que permite a rotação da torre em relação aos braços.
Esse sistema permite, tanto a utilização em terreno tanto plano, quanto inclinado.
Torre de
elevação
Roldana
Corrente
de rolos
Cilindro de
levantamento
Rodas de
carga (2x)
Cilindros de
nivelamento
(2x)
Motor
hidráulico
Roda de
tração
Unidade
de
potência
Alavanca
de
comando
Conjunto das
forquilhas
Braços de apoio
14
Para a utilização em superfícies inclinadas, um dos cilindros irá apresentar um avanço
maior que o do outro de modo a manter a carga erguida sempre na direção vertical (Figura
16).
Figura 16 – Vista frontal do nivelamento da carga sobre terreno inclinado
O equipamento conta com uma unidade de potência hidráulica, responsável por acionar:
O motor hidráulico ligado à roda de tração que irá auxiliar o deslocamento e manobra
do equipamento;
Os cilindros de nivelamento, responsáveis por garantir o nivelamento do
equipamento, tanto em operação em declive quanto em operação em superfície plana.
O cilindro de levantamento, responsável por erguer o garfo da empilhadeira junto a
carga.
O modelo 2 apresenta vantagens de tamanho, facilidade de utilização e maior estabilidade
se comparado ao modelo 1. Por essas razões, o modelo 2 foi o escolhido para esse projeto.
15
3 Conceito do equipamento
O modelo de equipamento escolhido soma as aplicações de uma empilhadeira
convencional, ou seja, que opera sobre superfícies lisas e planas, a outras aplicações
específicas: a possibilidade de ser usada sobre terrenos irregulares e a capacidade de içar
cargas sobre pequenos aclives.
O conceito para o equipamento envolve um circuito hidráulico, com uma unidade de
potência responsável por acionar os atuadores lineares e rotativos. Um motor hidráulico
é responsável por fornecer torque a roda de tração auxiliando o deslocamento do
equipamento. O cilindro de levantamento suspende a corrente, que por consequência,
ergue o conjunto das forquilhas causando o levantamento da carga.
Quando for necessário utilizar o equipamento em uma superfície inclinada, dois outros
atuadores lineares laterais são responsáveis por nivelar a torre de elevação com a carga,
de modo a evitar um possível tombamento do equipamento. Tal mecanismo foi inspirado
na patente US4869054 (HOSTETLER, DAVID L e HOWARD 0. HERSHBERGER,
1989).
A escolha adequada das rodas irá garantir que o equipamento possa operar sobre terrenos
com superfícies acidentadas e irregulares e terrenos inclinados.
3.1 Aplicações previstas
3.1.1 Utilização em terreno plano
Aplicação convencional de empilhadeiras manuais e motorizadas. O equipamento pode
ser deslocado manualmente com pouco esforço em pavimentos planos e lisos, em
qualquer direção, e ser facilmente manobrado. Sendo aplicados para serviços de carga e
descarga, assim como para trabalhos de montagem e manutenção. Geralmente utilizados
para trabalhos em chão de fábrica, depósitos, armazéns, oficinas, conforme exemplifica a
Figura 17.
16
Figura 17 - Empilhadeira manual (http://www.saur.com.br/pt/industrial/equipamentos-para-movimentacao-
manual/m-empilhadeira-manual)
3.1.2 Utilização em terreno irregular
Um tipo de operação específica que requer rodízios (ou rodas) adequados para a
movimentação. Alguns tipos de empilhadeiras manuais no mercado são capazes de
atender a essa aplicação. A operação se dá sobre superfície plana, tanto lisa, quanto
irregular, como pavimento mal-acabado, grama, terra batida, entre outras. Geralmente o
equipamento conta com um motor hidráulico ou elétrico para facilitar a movimentação,
como é o caso do equipamento da Figura 18.
Figura 18 - Empilhadeira do tipo "All terrain" (http://www.conhersa.com/elevadores-electricos)
3.1.3 Utilização em terreno inclinado
Esse tipo de aplicação introduz o conceito motivador para o desenvolvimento desse
equipamento. Permitindo a utilização da empilhadeira manual para diversos trabalhos em
aclives, o que nenhuma outra, dessa categoria no mercado, se propõe a atender.
17
Figura 19 - Conceito de empilhadeira com mecanismo de nivelamento
O ângulo máximo para utilização sobre superfícies inclinadas depende dos coeficientes
de atrito estático e de rolamento entre a superfície das rodas e do terreno e das dimensões
do equipamento. Dessa maneira, alguns tipos de terreno (Tabela 1) serão considerados
para operação do equipamento, e o ângulo limite para operação será estabelecido com
base no tipo de terreno mais crítico.
Tabela 1 - Valores para coeficiente de atrito entre pneus de borracha e outras superfícies (EATON, 1998)
Valores aproximados - coeficiente de atrito
Superfícies em contato Estático - μs de Rolamento – μr
Pneu de borracha
Asfalto 0,8 0,012
Concreto 0,8 0,01
Macadame 0,7 0,015
Terra firme 0,5 0,025
Grama 0,4 0,045
3.2 Análise das solicitações
Para que o equipamento possa atuar de forma segura em todas as suas aplicações, deve-
se analisar as solicitações em cada caso. Deve-se garantir, que o equipamento não irá
deslizar plano abaixo quando necessitar se movimentar ou estacionar sobre um aclive.
Também é necessário certificar-se de que o equipamento não irá tombar lateralmente
quando executar a tarefa de levantamento.
18
Essa seção se presta a analisar genericamente as condições de equilíbrio nos casos da
aplicação do equipamento, de modo a obter equações que permitam calcular os esforços
atuantes no equipamento, bem como o máximo ângulo de inclinação possível para cada
tipo de terreno.
3.2.1 Movimentação longitudinal
O conceito da empilhadeira prevê sua utilização sobre pequenos aclives de maneira
segura, assim como outras empilhadeiras existentes, a movimentação sobre superfícies
inclinadas segue uma recomendação específica, conforme ilustra a figura 20.
Nesse caso, as empilhadeiras se movem com os garfos na posição inferior, carregadas ou
não.
Figura 20 - Recomendação para movimentação de empilhadeiras sobre plano inclinado
(https://www.osha.gov/SLTC/etools/pit/workplacehazards/ramps.html)
Portanto, serão avaliadas as condições de equilíbrio das principais situações as quais a
empilhadeira está sujeita durante sua a movimentação longitudinal sobre plano inclinado.
São elas, a empilhadeira em movimento, ou parada no plano. A formulação desenvolvida
é uma adaptação da sequência demonstrada para veículos automóveis (NICOLAZZI,
MACHADO e ROSA, 2012).
19
3.2.1.1 Determinação da posição do Centro de gravidade (CG)
Figura 21 - Diagrama de corpo livre (DCL) da empilhadeira em superfície plana;
Para encontrar a distância longitudinal do CG, faz-se primeiramente o diagrama de corpo
livre da empilhadeira sobre uma superfície plana (Figura 21). Supondo que RDI e RDII
sejam e as reações normais no eixo dianteiro e RT no eixo traseiro, e P o peso total do
veículo. Analisando no plano yz (Figura 22), o equilíbrio de forças na direção vertical,
tem-se que:
Figura 22 - DCL no plano longitudinal (yz)
20
Do balanço das forças verticais:
∑ 𝐹𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 = 0:
𝑃 = 𝑅𝐷 + 𝑅𝑇
Onde,
𝑅𝐷 = 𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼
Definindo uma variável x, tal que:
𝑥 = 𝑅𝑇
𝑃
Para obter a posição do CG:
∑ 𝑀𝐷 = 0:
𝑃 𝑎1 = 𝑅𝑇 𝑙
𝑎1 =𝑅𝑇 𝑙
𝑃
Ou ainda,
𝑎1 = 𝑥 𝑙
De forma similar, para o eixo traseiro:
∑ 𝑀𝑇 = 0:
𝑃 𝑎2 = 𝑅𝐷 𝑙
Ou ainda,
𝑎2 = (1 − 𝑥) 𝑙
Onde
𝑙 → Distância entre eixos
𝑎1 → Distância do CG ao eixo dianteiro
21
𝑎2 → Distância do CG ao eixo traseiro
𝑅𝐷 → Reação resultante no eixo dianteiro medida no plano horizontal
𝑅𝑇 → Reação no eixo traseiro medida no plano horizontal
Para o cálculo da altura h do centro de gravidade em relação ao solo, fez-se uma análise
do carregamento da empilhadeira em plano com inclinação θ em relação a horizontal,
como mostrado na figura 23.
Figura 23 - DCL da empilhadeira parada em um aclive com inclinação θ
Novamente, analisando o plano yz com foco nas forças verticais:
Figura 24 - Esquema para cálculo da posição vertical do CG
22
Do equilíbrio dos momentos em torno do ponto S, obtém-se:
∑ 𝑀𝑆 = 0:
𝑅′𝐼 (𝑐 + 𝑑) − 𝑃 𝑐 = 0
Do triângulo ABS, tem- se as seguintes relações:
(𝑐 + 𝑑) = (𝑙 + 𝑦) 𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑐 = 𝑎2 𝑐𝑜𝑠𝜃 − (ℎ − 𝑟𝑐) 𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑦 = (𝑟𝑇−𝑟𝑐) ∙ 𝑡𝑔𝜃
Reescrevendo a equação de equilíbrio de momentos:
𝑅′𝐼 (𝑙 + 𝑦) 𝑐𝑜𝑠𝜃 − 𝑃 𝑐 = 0
Ou ainda,
𝑅′𝐼 (𝑙 + 𝑦) = 𝑃 [𝑎2 − (ℎ − 𝑟𝑐) 𝑡𝑔𝜃]
Rearranjando a equação,
(ℎ − 𝑟𝑐) 𝑡𝑔𝜃 =𝑃 𝑎2 − 𝑅′
𝐼 (𝑙 + 𝑦)
𝑃
Definindo uma nova variável x’, tal que:
𝑥′ = 𝑅′𝐼𝐼
𝑃
1 − 𝑥′ = 𝑅′𝐼
𝑃
Rearranjando a equação com as definições de a2 e R’I, encontra-se a posição vertical do
CG:
ℎ = 𝑅𝐷 𝑙 − 𝑅′
𝐼 (𝑙 + 𝑦)
𝑃 𝑡𝑔𝜃+ 𝑟𝑐
𝑅′𝐼 → Componente vertical da reação na roda dianteira medida no plano inclinado
𝑅′𝐼𝐼 → Componente vertical da reação na roda traseira medida no plano inclinado
23
𝑟𝑐 → Raio da roda de carga
𝑟𝑇 → Raio da roda de tração
𝜃 → Ângulo de inclinação com relação a horizontal
3.2.1.2 Empilhadeira parada em aclive
Figura 25 – DCL da empilhadeira parada sobre aclive
Equilíbrio de forças e momentos:
∑ 𝑀𝑇 = 0:
𝑅𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2 − 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 ℎ
Sabendo que,
𝑎2 =𝑅𝐷 𝑙
𝑃
Substituindo, tem-se:
𝑅𝐼 = 𝑅𝐷 𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑃 ℎ 𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑙
∑ 𝑀𝐷 = 0:
24
𝑅𝐼𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1 + 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 ℎ
Sabe-se que,
𝑎1 =𝑅𝑇 𝑙
𝑃
Substituindo, tem-se:
𝑅𝐼𝐼 = 𝑅𝑇 𝑐𝑜𝑠𝜃 +𝑃 ℎ 𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑙
Determinação do máximo aclive
Para o caso da empilhadeira estacionada em um plano inclinado com freio na roda
traseira:
Para que não haja deslizamento, a componente da força peso na direção do aclive, não
deve superar a força de atrito estática.
Do equilíbrio de forças na direção x, tem-se que:
𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝜇𝑒 𝑅𝐼𝐼
Substituindo RII e rearranjando:
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [𝜇𝑒
𝑎1
𝑙
1 − 𝜇𝑒 (ℎ𝑙
)] (1)
O tombamento longitudinal ocorre quando RI se iguala a zero, assim, o máximo ângulo
para que não ocorra o tombamento longitudinal é:
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [𝑎2
ℎ ] (2)
25
3.2.1.3 Empilhadeira em movimento
Com o movimento do veículo surgem outras forças, além do peso. São elas: a força de
atrito de rolamento na superfície de contato pneu-pista, a resistência aerodinâmica, que
atua no centro de pressão do veículo, e a resistência de inércia, que atua no centro de
gravidade. Dado que as velocidades previstas são baixas e aproximadamente constantes,
e de modo a simplificar os cálculos, serão consideradas nulas as resistências
aerodinâmicas e de inércia, restando apenas a resistência ao aclive – que depende do peso
– e a resistência de rolamento. Além disso, é considerado que a tração é traseira.
Figura 26 - DCL da empilhadeira subindo um aclive
Equilíbrio de forças e momentos:
Do equilíbrio de forças na direção do movimento do equipamento (direção x), como o
mostrado na figura 26, tem-se:
𝐹𝑀 = 𝑄𝑟 + 𝑄𝑆
Sendo:
FM → Força motriz no eixo traseiro
𝑄𝑟 = 𝑄𝑟𝐷 + 𝑄𝑟𝑇 → Resistência de rolamento
Q𝑟𝐷 , Q𝑟𝑇 → Resistência ao rolamento dos eixos dianteiro e traseiro.
𝑄𝑆 = Psenθ → Resistência ao aclive
26
Assim sendo,
∑ 𝑀𝑇 = 0:
𝑅𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2 − 𝑄𝑠 ℎ
Substituindo QS e a2, tem-se:
𝑅𝐼 = (1 − 𝑥) 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 − (𝐹𝑀 − 𝑄𝑟) ℎ
𝑙
Analogamente para o eixo dianteiro:
∑ 𝑀𝐷 = 0:
𝑅𝐼𝐼 𝑙 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1 + 𝑄𝑆 ℎ
Substituindo QS e a2, tem-se:
𝑅𝐼𝐼 = 𝑥 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝐹𝑀 − 𝑄𝑟) ℎ
𝑙
Determinação da máxima força motriz
Para o caso do veículo com tração traseira:
𝐹𝑀𝑚á𝑥 = 𝜇𝑒 𝑅𝐼𝐼
𝐹𝑀𝑚á𝑥 = 𝜇𝑒 [𝑥 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 + (𝐹𝑀
𝑚á𝑥 − 𝜇𝑟 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃) ℎ
𝑙]
𝐹𝑀𝑚á𝑥 = 𝜇𝑒 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 [
𝑥 − 𝜇𝑟 (ℎ𝑙
)
1 − 𝜇𝑒 (ℎ𝑙
)] (3)
A resistência de rolamento foi tomada como sendo:
𝑄𝑟 = 𝜇𝑟 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃
27
Onde,
μe → Coeficiente de atrito estático
μr → Coeficiente de atrito de rolamento
Determinação do máximo aclive
Para o caso da empilhadeira em movimento em um plano inclinado com tração traseira
(Figura 26).
Do equilíbrio de forças na direção x, tem-se que:
𝐹𝑀 = 𝑄𝑟 + 𝑄𝑆
Substituindo Qr e QS:
𝐹𝑀 = 𝑃(𝑠𝑒𝑛𝜃 + 𝜇𝑟𝑐𝑜𝑠𝜃)
Igualando essa força com a força motriz máxima, 𝐹𝑀𝑚á𝑥, obtém-se o ângulo de inclinação
máximo para que não haja deslizamento do equipamento durante o movimento.
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 {𝜇𝑒 [𝑥 − 𝜇𝑟 (
ℎ𝑙
)
1 − 𝜇𝑒 (ℎ𝑙
)] − 𝜇𝑟} (4)
Para que não haja tombamento da empilhadeira em movimento, RI deve ser maior do que
zero, no limite:
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (𝑎2
ℎ) (5)
A partir das equações literais obtidas, é possível calcular os esforços resultantes nos eixos
das rodas, o ângulo limite para operação da empilhadeira, e a máxima força trativa
permitida para qualquer tipo de veículo com tração traseira movimentando-se sobre
superfície inclinada.
28
Nesse projeto serão estabelecidos os ângulos limites de operação para variados tipos de
terreno, e o torque requerido para propelir o equipamento, sempre respeitando a premissa
de que o equipamento não deverá tombar nem deslizar qualquer que seja a situação.
3.2.2 Tombamento lateral
Quando atuando em um plano inclinado, uma empilhadeira convencional está sujeita a
tombar lateralmente plano abaixo, conforme ilustrado na figura 16. Para a empilhadeira
em análise, um mecanismo de nivelamento garante que a empilhadeira não corra risco de
tombar, mesmo sobre um aclive.
A solução encontrada foi inspirada na Patente US4869054 (HOSTETLER, DAVID L e
HOWARD 0. HERSHBERGER, 1989), que conceitua um tipo de mecanismo para uma
máquina que realiza o roçamento de vegetações. Esse equipamento possui lâminas que
estão sempre paralelas ao terreno e que, ao girarem, fazem o corte da vegetação rente ao
solo. Para que as lâminas consigam sempre realizar o roçamento, independente da
inclinação do terreno, o equipamento é dotado de um mecanismo que permite responder,
através da atuação de cilindros hidráulicos, a alterações no terreno, mantendo sempre a
sua estrutura principal orientada verticalmente, o que evita um possível tombamento da
máquina. Esse mecanismo permite ao veículo roçar terrenos em diversas inclinações,
conforme observa-se na Figura 27.
29
Figura 27 - Estado da arte da patente com suas aplicações
Esse tipo de tecnologia se provou viável e inclusive a companhia detentora da patente, e
outras concorrentes, comercializam máquinas roçadeiras com esse conceito de
nivelamento, como pode ser visto na Figura 28.
Figura 28 - Máquina roçadeira ATM 162HD em operação em terreno inclinado
(http://www.harperturfequipment.com/media/resources/turf/slope-mowers/Mower_20151231.pdf)
30
Existe ainda, no mercado diversos equipamentos com mecanismos similares que
aumentam a produtividade dos equipamentos ao possibilitar que eles operem sobre
superfícies inclinadas. Outro exemplo de aplicação é o sistema de nivelamento utilizado
em colhedeiras, conforme mostra a figura 29.
Figura 29 - Sistema de nivelamento da Hillco Technologies empregado em uma colhedeira John Deere
(https://www.hillcotechnologies.com/john-deere-leveling-systems.html)
Serão analisadas as condições de equilíbrio da empilhadeira para a ocasião do
levantamento de carga em plano inclinado, em comparação com o caso de uma
empilhadeira convencional.
A figura 30 representa o diagrama de corpo livre de uma empilhadeira convencional
carregada em um plano com inclinação θ.
Figura 30 - Empilhadeira na configuração convencional sobre plano inclinado
31
Do equilíbrio dos momentos no plano yz:
Figura 31 - DCL no plano yz
∑ 𝑀𝑥𝐴 = 0:
𝑅𝑇 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1
𝑙
∑ 𝑀𝑥𝑇 = 0:
𝑅𝐷 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2
𝑙
Do equilíbrio de forças e momentos no plano xy:
32
Figura 32 - DCL no plano xy
∑ 𝐹𝑦 = 0:
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 + 𝑅𝑇 = 𝑃 cos 𝜃
Onde,
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 = 𝑅𝐷
∑ 𝑀𝑧𝐴 = 0:
𝑅𝐷𝐼 𝑘 + 𝑅𝑇 𝑘
2+ 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑃 cos 𝜃
𝑘
2
Substituindo RT e rearranjando a equação, obtém-se que:
𝑅𝐷𝐼 = 𝑃 [cos 𝜃 (𝑙 − 2 𝑎1
2 𝑙) − 𝑠𝑒𝑛 𝜃
ℎ
𝑘]
O tombamento em torno do ponto A ocorre quando RDI se iguala a zero. O ângulo θ limite
para que não haja tombamento é dado por:
A
33
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [
𝑘 (𝑙 − 2 𝑎1)
2 ℎ 𝑙 ] (6)
Dessa maneira, para esse tipo de configuração, o máximo ângulo de inclinação sob o qual
o equipamento poderia operar, depende diretamente das suas dimensões principais. Com
o mecanismo de nivelamento, essa dependência pode ser contornada, permitindo ao
equipamento operar sobre maiores aclives.
A figura 33 ilustra novamente a empilhadeira sobre um plano inclinado, porém dessa vez
sob sua configuração alterada, com o mecanismo de nivelamento atuando.
Figura 33 - Empilhadeira na configuração alterada sobre plano inclinado
Do equilíbrio dos momentos no plano yz:
34
∑ 𝑀𝑥𝐴 = 0:
𝑅𝑇 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎1
𝑙
∑ 𝑀𝑥𝑇 = 0:
𝑅𝐷 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑎2
𝑙
Do equilíbrio de forças e momentos no plano xy:
Figura 34 - DCL no plano xy
35
∑ 𝐹𝑦 = 0:
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 + 𝑅𝑇 = 𝑃 cos 𝜃
Onde,
𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 = 𝑅𝐷
∑ 𝐹𝑦 = 0:
𝜇𝑒 (𝑅𝐷𝐼 + 𝑅𝐷𝐼𝐼 + 𝑅𝑇) = 𝑃 sen 𝜃
Substituindo-se, encontra-se o máximo ângulo abaixo do qual não há deslizamento das
rodas sobre a superfície do terreno.
𝜃𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (𝜇𝑒) (7)
∑ 𝑀𝑧𝐴 = 0:
𝑅𝐷𝐼 𝑘 + 𝑅𝑇 𝑘
2+ 𝑃 𝑠𝑒𝑛𝜃 ℎ cos 𝜃 = 𝑃 cos 𝜃 (
𝑘
2+ ℎ 𝑠𝑒𝑛 𝜃)
Substituindo RT e rearranjando a equação, obtém-se que:
𝑅𝐷𝐼 = 𝑃 cos 𝜃 (1
2−
𝑎1
2 𝑙 )
Nota-se que o tombamento não mais é influenciado pelo ângulo de inclinação θ. Assim
sendo, o ângulo limitante será aquele que faz com que ocorra um deslizamento das rodas
sobre a superfície.
36
4 Dimensionamento e seleção dos principais componentes
Para esse trabalho, por se tratar de um produto conceitual, que à princípio está destinado
às mesmas aplicações de empilhadeiras convencionais, com o diferencial de poder atuar
em plano inclinado e em terrenos irregulares, as dimensões dos componentes da
empilhadeira, bem como outras especificações desejadas, foram determinadas baseadas
em valores encontrados em empilhadeiras similares no mercado.
A comparação (Tabela 2) foi feita com modelos dos fabricantes nacionais Paletrans e
Vonder, e com o fabricante espanhol Conhersa.
Tabela 2 - Especificações de outras empilhadeiras do mercado
Especificações Paletrans
LM 516
Vonder
6889000500
Conhersa ET
1000
Capacidade de carga kg 500 500 1000
Peso do equipamento kg 136 - 495
Elevação mm 1600 1600 1600
Comprimento útil do garfo mm 1150 1150 1150
Largura externa do garfo mm 535 550 -
Comprimento total mm 1540 1150 1900
Largura total mm 590 550 1500
Altura total mm 2010 2080 2140
Após a pesquisa acerca dos produtos similares do mercado, definiu-se as principais
especificações para o projeto da empilhadeira, conforme mostra a tabela 3.
A máxima inclinação será determinada para cada tipo de terreno na seção 4.5, com base
nas equações desenvolvidas na seção 3.2.
Tabela 3 - Especificações básicas da empilhadeira em análise
Carga a ser
erguida [kg]
Altura máxima das
forquilhas [mm]
Comprimento útil
do garfo [mm]
500 1600 1150
37
4.1 Seleção do material
A escolha do material adequado a ser utilizado para a fabricação da estrutura do
equipamento e das suas forquilhas é fundamental, pois as propriedades desse material
irão influenciar diretamente no cálculo dos esforços e deflexões máximas atuantes nos
componentes, determinando se os componentes irão resistir ou não aos esforços durante
sua utilização. No caso da empilhadeira em análise, a escolha do material também deve
levar em conta os tipos de aplicação prevista para o equipamento.
Para a escolha do material adequado as propriedades levadas em conta foram,
principalmente:
Facilidade de obtenção do material - a escolha de um material de fácil obtenção é
importante para facilitar a fabricação e diminuir os custos envolvidos, melhorando a
viabilidade do produto;
Resistência mecânica - pode-se conceituar resistência mecânica como sendo, a
capacidade dos materiais de resistir a esforços de natureza mecânica, como tração,
compressão, cisalhamento, torção, flexão e outros sem romper e/ou deformar-se
(GONÇALVES e MARTINS, 2008).
Soldabilidade - é a capacidade que os materiais têm de ser unidos pelo processo de
soldagem, tendo por objetivo a continuidade das propriedades físicas (mecânicas) e
químicas, ou seja, a continuidade metalúrgica da junta soldada.
Resistência à corrosão – corrosão é definida como um ataque destrutivo e não
intencional de um metal. Para materiais metálicos, o processo de corrosão é
normalmente eletroquímico, isto é, uma reação química na qual existe a transferência
de elétrons a partir de uma espécie química para uma outra. Átomos metálicos,
caracteristicamente perdem ou cedem elétrons na que é chamada uma reação de
oxidação (CALLISTER JR., 2012). Essa reação geralmente tem o efeito de causar
degradação no material afetando negativamente suas propriedades mecânicas.
Considerando a aplicação prevista para o equipamento, o qual poderá ser utilizado
tanto indoor quanto outdoor, estando sujeito a impactos e ao efeito do tempo, uma
boa resistência mecânica e boa resistência à corrosão são desejáveis.
Dadas as propriedades de interesse para o material das forquilhas e da estrutura do
equipamento, a opção natural foi buscar um tipo de aço que melhor se encaixasse nas
características desejáveis. A opção pelo aço se dá devido às notáveis propriedades desta
38
liga, à abundância das suas matérias-primas, sua enorme variedade de características –
existem mais de 3500 diferentes tipos de aço - e finalmente, pelo seu preço competitivo.
A figura 35 mostra uma divisão dos materiais metálicos:
Figura 35 - Tipos de materiais metálicos (PANNONI)
Esse trabalho buscou analisar alguns tipos de aço, de modo a escolher o material adequado
para a empilhadeira. Foram eles: Aços carbono comuns, aços microligados e aços
inoxidáveis.
4.1.1 Aços carbono comuns e microligados
É a quantidade de carbono presente no aço que define sua classificação. Basicamente,
pode-se definir o aço como sendo uma liga Ferro-Carbono, contendo geralmente de
0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de certos elementos secundários
(como Silício, Manganês, Fósforo e Enxofre), presentes devido aos processos de
fabricação. (CHIAVERINI, 2002)
Aços de alto teor de carbono possuem mais do que 0,6% de carbono e apresentam
elevada dureza e resistência após têmpera. São comumente utilizados em trilhos,
molas, engrenagens, componentes agrícolas sujeitos ao desgaste, pequenas
ferramentas, entre outros.
39
Aços de médio teor de carbono possuem de 0,3% a 0,6% de carbono e são utilizados
em engrenagens, bielas e outros componentes mecânicos. São aços que, temperados
e revenidos, atingem boa tenacidade e resistência.
Aços de baixo teor de carbono possuem um máximo de 0,3% deste elemento e
apresentam grande ductilidade. São bons para o trabalho mecânico e soldagem, não
sendo temperáveis. Muito utilizados na construção de edifícios, pontes, navios,
automóveis, dentre outros. Nessa categoria estão os aços comuns e os aços
microligados. Podem ser de baixa liga (menos de 8% de elementos de ligas), ou de
alta liga (mais de 8% de elementos de liga). Estes aços apresentam maior resistência
mecânica que os aços de baixo carbono idênticos, mantendo a ductilidade e a
soldabilidade, e são destinados às estruturas onde a soldagem é um requisito
importante (Carbono baixo). Os principais aços estruturais de baixo carbono
comercializados pela fabricante Gerdau são: ASTM A36, ASTM A572 e ASTM
A588, conforme mostra a figura 36, extraída do catálogo.
Figura 36 - Características dos aços da linha ASTM (GERDAU)
40
4.1.2 Aços inoxidáveis
Os aços inoxidáveis são altamente resistentes à corrosão numa variedade de ambientes,
especialmente o ambiente atmosférico. Seu elemento de liga predominante é o cromo;
uma concentração de pelo menos 11% de Cr em peso é requerida.
Aços inoxidáveis variam em sua composição desde ligas de ferro relativamente simples
com cerca de 11-12% de Cromo, a ligas complexas que incluem até mais de 25% de
Cromo, com quantidades substanciais de Níquel, Molibdênio e outros elementos de liga.
Principais características dos aços inoxidáveis:
Resistência à corrosão, manchas, ferrugem e pits;
Resistência à oxidação até 700°C e, em alguns casos, acima de 1000°C;
Limites elásticos variando de 200 N/mm2 até acima de 1500 N/mm2;
Resistência ao impacto e tenacidade em temperaturas criogênicas;
Pode ser fundido, forjado, usinado, polido e ligado através de técnicas de
soldagem;
Longa duração, aparência atraente;
Baixo custo de manutenção;
Baixa rugosidade superficial;
Material reciclável.
Os aços inoxidáveis podem ser divididos em três grupos principais, com base na fase
constituinte predominante na sua microestrutura metalúrgica: austeníticos, ferríticos e
martensíticos. Cada grupo apresenta propriedades próprias que lhes confere vantagens e
desvantagens.
Austeníticos:
Os mais comumente usados;
Excelente resistência à corrosão (18 % Cr);
Endurecem em trabalho;
Sujeitos a trincas a quente e precipitação de carbonetos
Normalmente não são necessários nem pré nem pós aquecimento;
Mais facilmente soldáveis;
Não magnéticos.
41
Ferríticos:
Cromo (15-30%);
Boa resistência à corrosão;
Sujeito a crescimento de grãos;
É recomendado um recozimento posterior a solda;
Magnético.
Martensíticos:
Cromo (12-17%);
Resistência moderada à corrosão;
Endurecimento ao ar (têmpera);
Recomenda-se pré-aquecimento e recozimento após soldagem;
Magnético.
Dada as características de cada grupo, considerando a aplicação do equipamento em
análise. O grupo de aços inoxidáveis mais adequado para uma possível escolha é o
grupo dos aços inoxidáveis austeníticos, devido ao seu maior percentual de cromo, o
que lhe confere melhor resistência a corrosão (Figura 37), a sua melhor soldabilidade
em comparação com os outros grupos, e por ser o tipo mais comumente utilizado.
Figura 37 - Representação gráfica da resistência do aço inoxidável à corrosão/oxidação de acordo com o teor de
cromo
Entretanto, dentro do grupo dos aços inoxidáveis austeníticos, existem diversos tipos
classificados conforme a composição química (Figura 38), os quais apresentam
diferentes propriedades mecânicas e são próprios para diferentes tipos de aplicações.
42
Figura 38 - Aços inoxodáveis da série 300 (CARBÓ, 2008)
4.1.3 Escolha
Após análise dos aços carbono comuns, aços carbono microligados e dos aços
inoxidáveis, três opções foram selecionadas como possíveis escolha final. O aço carbono
comum ASTM A36, o aço de baixo teor de liga ASTM A588 e o aço inoxidável 304.
Ainda que os aços ASTM A588 e o 304 apresentem ótima resistência à corrosão, o aço
ASTM A36 leva vantagem nos outros quesitos, como custo, melhor soldabilidade, e por
ser um item de catálogo dos fabricantes, não sendo necessária a fabricação de perfis sob
encomenda. Por esses fatores, o aço A36 foi escolhido para ser o principal material da
empilhadeira, estando presente na estrutura principal do equipamento, como os braços de
apoio e a torre de elevação, bem como no conjunto das forquilhas.
A tabela 4 resume as principais propriedades do aço estrutural ASTM A36.
43
Tabela 4 - Principais propriedades do ASTM A36
(http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=afc003f4fb40465fa3df05129f0e88e6&ckck=1)
Propriedades Valor Unidades
Módulo de elasticidade 200 GPa
Coeficiente de Poisson 0,26 -
Módulo de cisalhamento 79,3 GPa
Massa específica 7850 kg/m³
Resistência à tração 400 - 500 MPa
Limite de escoamento 250 MPa
4.2 Forquilhas
As Forquilhas (ou garfos), formam o componente móvel da empilhadeira, que está em
contato direto e suporta a carga a ser movida. As forquilhas (Figura 39) estão unidas a
estrutura da empilhadeira por correntes, e sua movimentação se dá através do movimento
do cilindro hidráulico.
Figura 39 - Forças atuando no conjunto das Forquilhas
Cada forquilha será modelada como uma viga com uma extremidade engastada e uma
extremidade livre e carregada uniformemente. Conforme ilustra a Figura 40.
44
Figura 40 - Viga em balanço com carga uniforme (BUDYNAS e NISBETT, 2011)
4.2.1 Escolha do perfil
Para a escolha do perfil de viga para as forquilhas, buscou-se uma viga capaz de fornecer
resistência suficiente para aguentar o peso da carga de projeto, e que fosse de certa forma
leve, para não tornar o equipamento demasiadamente robusto, uma vez que uma das
premissas do conceito para essa empilhadeira é que a mesma seja portátil e facilmente
manobrável.
A principal característica que cada forquilha deve apresentar é uma elevada resistência a
flexão. Da equação 8, nota-se a importância de se buscar um perfil com elevado momento
de inércia de área, quanto maior ele for menor será a tensão normal devido ao momento
fletor:
𝜎 = −𝑀 𝑦
𝐼𝑥 (BUDYNAS e NISBETT, 2011) (8)
Onde,
σ = tensão normal devido ao momento fletor;
M = momento fletor;
y = distância ao áxis neutral;
Ix = Momento de inércia de área.
45
O momento de inércia de área, também chamado de segundo momento de área ou
segundo momento de inércia, é uma propriedade geométrica da seção transversal de
elementos estruturais. Fisicamente ele está relacionado com as tensões e deformações que
aparecem por flexão em um elemento estrutural e, portanto, junto com as propriedades
do material determina a resistência de um elemento estrutural sob flexão. O momento de
inércia de área da seção transversal de uma viga, em relação a um eixo que passe pelo seu
centro de gravidade, mede a sua rigidez, ou seja a sua resistência à flexão em relação a
esse eixo.
A viga também estará sujeita a uma tensão de cisalhamento devido ao momento criado
pela carga suportada:
𝜏 =𝑉 𝑄
𝐼 𝑏 (BUDYNAS e NISBETT, 2011) (9)
Onde
τ = tensão de cisalhamento devido ao momento;
V = força de cisalhamento;
Q = primeiro momento da área sujeita a força de cisalhamento;
I = momento de inércia de cisalhamento;
b = largura da seção.
Portanto, o perfil de viga escolhido para as forquilhas, foi a viga em “U”. Ela possui um
momento de inércia relativamente alto, não é tão pesada e acima de tudo possui boa
aplicabilidade para forquilhas.
A Figura 41 mostra as vigas “U” de mercado, da fabricante Gerdau, e o perfil que foi
escolhido.
46
Figura 41 - Catálogo de vigas perfil "U" (GERDAU)
Para as forquilhas, dado a criticidade de sua operação, escolheu-se um material com maior
resistência mecânica e com proteção adicional contra corrosão. A opção foi pelo aço
patinável ASTM A588. A tabela 5 destaca suas principais propriedades.
Tabela 5 - Principais propriedades do ASTM A588 grau B
(http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=3012ccf84b234c0f9603f388acc20995&ckck=1)
Propriedades Valor Unidades
Módulo de elasticidade 205 GPa
Coeficiente de Poisson 0,28 -
Módulo de cisalhamento 80 GPa
Massa específica 7870 kg/m³
Resistência à tração 483 MPa
Limite de escoamento 350 MPa
4.2.2 Análise dos esforços
Para analisar os esforços na forquilha, a massa do perfil de viga pode ser obtida
multiplicando a massa linear (peso nominal) pela massa específica do material utilizado.
Como a figura 41 refere-se ao aço A36, o peso nominal nela descrito não se aplica ao aço
A588. Para obtenção do peso nominal do A588, basta multiplicar a área do perfil, pela
massa específica do aço A588.
A Figura 42 demonstra o Diagrama de Corpo livre do conjunto das forquilhas.
47
Figura 42 - Diagrama de corpo livre do conjunto das forquilhas modelado como viga em balanço uniformemente
carregada
R1: Reação no engaste
𝑅1 = 𝑤 𝐿, onde
w (densidade de carga distribuída) = 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
2𝐿𝐹𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎+
𝑃𝐹𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎
𝐿𝐹𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎
L (comprimento carregado da forquilha) = 1,15 m’
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 500 kgf = 4905 N
𝑃𝑓𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎 = L × Peso Nominal𝐴588 × g = (1,15 × 15,66) × 9,81 = 176,7 N
Logo,
𝑅1 = 2629,2 N
V: Esforço cortante
𝑉(𝑥) = 𝑤 (𝐿 − 𝑥)
R1
M1
w
L
x
48
Figura 43 - Gráfico do esforço cortante x Comprimento das forquilhas
Vmáx = V(0) = 2629,2 N
Vmín = V(L) = 0 N
M: Momento fletor
𝑀(𝑥) = −𝑤
2 (𝐿 − 𝑥)2 (10)
Figura 44 - Gráfico do momento fletor x Comprimento das forquilhas
Mmáx = M(0) = 1511,8 N.m
Mmín = M(L) = 0 N.m
Esforço cortante – V (N)
Comprimento - L (m)
Momento Fletor – M (Nm)
Comprimento - L (m)
49
y: Deflexão da viga
𝑦(𝑥) =
𝑤 𝑥2
24 𝐸 𝐼 (4 𝐿 𝑥 − 𝑥2 − 6 𝐿2) (11)
Figura 45 - Gráfico da deflexão x Comprimento das forquilhas
ymáx = y(L) = 5,55 mm
ymín = y(0) = 0 mm
σ: Tensão de flexão
Como 𝑊𝑦 = 𝐼𝑦
𝑦 , substituindo na equação 8, tem-se que:
𝜎(𝑥) = −
𝑀 (𝑥)
𝑊𝑦 (12)
Deflexão – y (m)
Comprimento - L (m)
50
Figura 46 - Gráfico da tensão de flexão x Comprimento das forquilhas
σmáx = σ (0) = 163,61 MPa
σmín = σ (L) = 0 Mpa
τ: Tensão cisalhante
De modo a simplificar o problema, a equação 9 foi ajustada. A variável Q aproximada
para o valor de Wy do catálogo, e sabendo que b = tw, tem-se:
𝜏 (𝑥) =
𝑉(𝑥) 𝑊𝑦
𝐼𝑦 𝑡𝑤 (13)
Figura 47 - Gráfico da tensão cisalhante x Comprimento das forquilhas
Tensão – σ (Pa)
Comprimento - L (m)
Tensão – σ (Pa)
Comprimento - L (m)
51
τmáx = τ (0) = 8,46 MPa
τmín = τ (L) = 0 Mpa
Critério de falha de Von Mises:
Para um carregamento multiaxial, é necessário considerar a combinação de todas as
componentes de tensão presentes no elemento estrutural. O critério de falha escolhido
para o projeto será o Critério da Energia de Distorção ou Critério de Von Mises. Esse
critério é baseado na energia de distorção de um dado elemento e pode ser enunciado
como: "um elemento estrutural (dúctil) irá falhar se a energia associada à mudança de
forma de um corpo, submetido a um carregamento multiaxial, ultrapassar a energia de
distorção de um corpo de prova submetido a um ensaio uniaxial de tração". Para o caso
em análise, de um estado plano de tensões, a expressão matemática para a tensão
equivalente de Von Mises é:
σ𝐸𝑄 = √σ𝑥𝑥2 + σ𝑦𝑦
2 − σ𝑥𝑥σ𝑦𝑦 + 3𝜏𝑥𝑦2 < 𝜎𝑒𝑠𝑐
Onde σesc é a tensão de escoamento do material, obtida através de ensaio de tração e
indicada na tabela 5.
No carregamento da forquilha, uma das tensões principais é zero, a equação da tensão
equivalente de Von Mises pode ser reescrita como:
σ𝐸𝑄 = √[(σ𝑚á𝑥)2 + 3 ∙ (τ𝑚á𝑥)2] < 𝜎𝑒𝑠𝑐 (14)
Para o cálculo da tensão equivalente na equação 14, foram considerados as máximas
tensões envolvidas, por questões de sobrecarga e segurança, muito embora elas não
ocorram no mesmo ponto.
Portanto, para o carregamento das forquilhas, a tensão equivalente obtida é:
σ𝐸𝑄 = 164,27 𝑀𝑃𝑎
52
O coeficiente ou fator de segurança para o dimensionamento desse componente é obtido
através da equação:
𝐹𝑆 =𝜎𝑒𝑠𝑐
𝜎𝐸𝑄=
350 𝑀𝑃𝑎
164,27 𝑀𝑃𝑎= 2,13
O fator de segurança obtido foi considerado satisfatório, uma vez que leva em conta a
criticidade do equipamento e visa manter as forquilhas compactas.
4.3 Torre de elevação
Para empilhadeiras convencionais, a torre de elevação atua como mero guia das
forquilhas, não estando sujeita a grandes esforços. Para o projeto da empilhadeira em
questão, devido ao mecanismo de nivelamento e à aplicação sobre terreno inclinado,
surgem esforços na torre de elevação.
Entretanto, como o nivelamento da torre ocorre com a carga no ponto mais baixo possível,
gerando um menor momento nas vigas da torre, e considerando ainda que existem chapas
de reforço nas vigas, os esforços de deflexão foram considerados desprezíveis.
4.3.1 Escolha do perfil
A escolha do perfil foi feita considerando que a principal função da torre de elevação é
servir de guia para os roletes das forquilhas e permitir que o levantamento de cargas seja
feito de modo seguro. Ainda assim, buscou-se um perfil com boa resistência.
Assim sendo o perfil escolhido foi o perfil U de abas paralelas. A figura 48 mostra as
características do perfil da viga U escolhida.
53
Figura 48 - Dimensões do perfil da viga U (COMERCIAL GERDAU)
4.4 Cilindros hidráulicos
Cilindros hidráulicos são atuadores lineares capazes de transformar a energia hidráulica,
proveniente da pressurização de um fluido (geralmente óleo mineral), em energia
mecânica.
Basicamente os cilindros hidráulicos são constituídos de uma camisa metálica oca, com
um êmbolo móvel solidário a uma haste, elementos de vedação e conexões hidráulicas
para entrada e saída do óleo. O êmbolo divide o interior do cilindro em duas câmaras, ao
pressurizar-se cada uma delas, o êmbolo juntamente com a haste irá se deslocar realizando
o movimento linear do atuador, conforme mostra a figura 49.
Figura 49 - Principais partes de um cilindro hidráulico (http://www.ashm.mx/blog/page/3/)
54
São diversos os tipos de cilindros hidráulicos: Cilindros de ação simples, de dupla ação,
diferencial, telescópico, amortecedor, entre outros. Sendo os principais tipos os de
simples ação e os de dupla ação.
Além disso, inúmeros são os tipos de ponteiras (Figura 50) que podem ser ligados à haste
por meio de solda, rosca, prendedores, tirantes.
Figura 50 - Alguns tipos de ponteiras para cilindros hidráulicos (http://www.grices.it/en)
4.4.1 Simples ação
Cilindros que possuem uma única conexão para entrada do fluido no interior do cilindro.
O cilindro ao ser acionado pela unidade de potência hidráulica move-se em uma direção.
O seu retorno para a posição da haste em repouso ocorre com o auxílio de uma mola
interna ou pela ação da gravidade. A figura 51 mostra esquematicamente o funcionamento
de um cilindro de simples ação com retorno por mola.
Figura 51 - Cilindro simples ação com retorno por mola
(http://www.peninsularcylinders.com/HH_Links/HH_LH_NFPA_Cylinders/HH_LH_NFPA_Spring%20Extend%20a
nd%20Return.htm)
55
4.4.2 Dupla ação
Possuem duas conexões, uma para entrada e outra para o retorno do óleo. Nesse tipo de
cilindro, a movimentação da haste tanto para o avanço quanto para o recuo é feita
pressurizando-se o fluido de pressão em cada uma das câmaras, ou seja, são cilindros que
realizam trabalho tanto no avanço quanto no recuo. Na figura 52 pode-se observar a
configuração de um cilindro de dupla ação em uma vista em corte.
Figura 52 - Cilindro hidráulico de dupla ação (http://www.skf.com/my/products/seals/industrial-seals/hydraulic-
seals/general-technical-information/introduction-to-fluid-power/hydraulic-cylinders/index.html)
4.4.3 Simbologia de cilindros hidráulicos
A simbologia para cilindros hidráulicos, bem como de todos os outros componentes que
podem compor um circuito hidráulico ou pneumático, segue o padrão estabelecido na
norma específica, no caso a ABNT 8897, representado na figura 53.
Figura 53 - Simbologia para atuadores lineares segundo a norma ABNT 8897
56
4.4.4 Regra dos 80%
A regra dos 80% é uma regra prática utilizada no dimensionamento de equipamentos
hidráulicos, e ele estabelece os limites de segurança dos cilindros hidráulicos. Todo
equipamento deverá ser utilizado no máximo até 80% de sua carga máxima para evitar
acidentes e incidentes. Caso o equipamento utilizado esteja acima da faixa de segurança,
deve-se utilizar um equipamento mais potente para realizar o trabalho com segurança.
Essa regra se aplica ao curso e a capacidade do cilindro.
Ao utilizar 100% do curso, corre-se o risco de provocar danos ao anel de vedação presente
no pistão do cilindro (anel de parada).
A importância da regra dos 80% para a capacidade de carga é que, a maioria das cargas
não é içada em seu centro verdadeiro. Isto resulta em cargas laterais para o cilindro. Levar
em conta um fator de segurança é a maneira mais simples de compensar as características
fora do centro no levantamento de um ponto. (TORVEL)
4.4.5 Seleção do cilindro hidráulico de levantamento
O cilindro de levantamento será responsável por erguer a carga até a altura desejada.
Conforme foi pré-estabelecido, essa altura para o projeto será de 1,6 m, o que determina
o tamanho total para o cilindro hidráulico estendido como sendo de no máximo 1,6 m.
O cilindro deve ser capaz de exercer uma força superior ao dobro da soma do peso do
conjunto das forquilhas e do peso da carga máxima permitida (500 kgf), conforme
observa-se no esquema da Figura 54.
Figura 54 - Força (F) do cilindro de levantamento
𝐹 > 2 × (𝑃𝑓𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎 + 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎)
57
Esse resultado deve ser multiplicado por um fator de sobrecarga, por medida de
segurança.
Utilizando o Solidworks para o cálculo da massa, tem-se que:
(𝑃𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑜𝑟𝑞𝑢𝑖𝑙ℎ𝑎 + 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎) = 5680,0 𝑁
O valor mínimo para a força do cilindro:
𝐹 = 11360,0 𝑁
Para a escolha do cilindro adequado, o fabricante consultado foi a Parker Hannifin, que
trabalha com cilindros em diversos grupos de pressões nominais, de 17 a 345 bar.
Dado que o esforço que o cilindro irá executar não é tão elevado, a busca foi por faixas
de pressões menores, de modo a simplificar o dimensionamento da unidade de potência.
O diâmetro do pistão do cilindro hidráulico de interesse é dado pela equação:
𝑃 =𝐹
𝐴→ 𝐴 =
𝜋𝑑2
4=
𝐹
𝑃→ 𝑑 = √
4𝐹
𝜋𝑃
A tabela 6 mostra a máxima força do cilindro para os grupos de menores pressões e os
diâmetros do pistão que são necessários.
Tabela 6 - Diâmetros mínimos para haste em cada faixa de pressão (PARKER HANNIFIN, 2009)
Diâmetro
do pistão
(mm)
Força de empurre (KN) do cilindro
em várias faixas de pressão (bar)
17 34 52 69 103
51 3,5 7,0 10,5 14,0 21,0
64 5,5 10,9 16,4 21,8 32,8
76 7,9 15,7 23,6 31,4 47,2
83 9,2 18,5 27,7 36,9 55,4
89 10,7 21,4 32,1 42,8 64,2
102 14,0 28,0 41,9 55,9 83,9
114 17,7 35,4 53,0 70,7 106,1
127 21,8 43,7 65,5 87,4 131,0
140 26,4 52,8 79,3 105,7 158,5
152 31,4 62,9 94,3 125,8 188,6
178 42,8 85,6 128,4 171,2 256,8
58
Dadas as possíveis opções, priorizou-se buscar valores intermediários para o diâmetro, de
modo a manter o equipamento portátil. Assim, a escolha final ficou pela faixa de pressão
de 34 bar.
Finalmente, o fator de segurança para o cilindro de levantamento pode ser determinado
por:
𝐹𝑆 = 𝐹𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑖𝑑𝑜
𝐹𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜=
21400
11360= 1,89
Esse fator de segurança foi considerado adequado, considerando que apresenta uma boa
sobrecarga às condições de capacidade de carga de projeto e se adequa à regra dos 80%
com sobras.
Com relação ao comprimento do cilindro, a fabricante oferece cilindros com avanços até
3000 mm. Para esse projeto, a escolha será por avanço de 900 mm, ou seja, o cilindro
totalmente estendido chega a uma altura de 1800 mm, permitindo que o cilindro não opere
com seu máximo curso, conforme a boa prática aconselha.
4.4.6 Seleção dos cilindros hidráulicos de nivelamento
Os cilindros hidráulicos de nivelamento são responsáveis por nivelar a torre de elevação
quando o equipamento for operar em aclive. O nivelamento deverá ocorrer sempre com
as forquilhas na posição inferior.
Para a correta seleção do cilindro, se faz necessário calcular o seu curso. O comprimento
do cilindro na posição recuada é a distância entre os seus olhais de fixação, enquanto que
na posição avançada, o incremento obtido pode ser calculado por meio da lei dos
cossenos. A Figura 55 mostra a comparação entre o cilindro na posição recuada, e na
posição totalmente estendida.
59
Figura 55 - Esquema da atuação do cilindro de nivelamento
Percebe-se que o curso necessário para o cilindro é:
𝑐𝑢𝑟𝑠𝑜 = 𝐴𝐶′ − 𝐴𝐶
Da geometria determinada para o equipamento, tem-se que:
𝐴𝐶 = 500𝑚𝑚 ; 𝐴𝐵 = 400 𝑚𝑚; 𝐵𝐶 = 300 𝑚𝑚
E que, pela lei dos cossenos:
𝐴𝐶′2= 𝐵𝐶2 + 𝐴𝐵2 − 2 𝐵𝐶′𝐴𝐵 𝑐𝑜𝑠 (𝜃 + 90) (15)
60
Onde, o ângulo a ser considerado deve ser o máximo permitido para a utilização segura
do equipamento. Tal ângulo foi estabelecido na seção 4.5.
𝜃 = 15,1°
Assim, o curso máximo será de, aproximadamente:
𝐶𝑢𝑟𝑠𝑜 = 60 𝑚𝑚
A escolha será por cilindros com um curso superior, conforme recomenda a boa prática.
Sendo assim, buscou-se cilindros com o curso de 200 mm.
A força que o cilindro deve exercer para mover a torre de elevação carregada das
forquilhas e da carga máxima de projeto é:
𝐹 = (𝑃𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜)
𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑐𝑜𝑠𝛽 (16)
Onde,
Pconjunto : Força peso resultante do somatório dos pesos de cada um dos componentes que
se move durante a ação de nivelamento.
Logo, a mínima força que o cilindro de nivelamento precisa superar é:
𝐹 = 2323,1 𝑁
Novamente buscou-se nas tabelas do catálogo da Parker, e optou-se pelo faixa de pressão
de 17 bar e pelo cilindro com pistão de 64 mm.
Dessa forma, o fator de segurança para o cilindro de nivelamento pôde ser determinado
por:
𝐹𝑆 = 𝐹𝑒𝑠𝑐𝑜𝑙ℎ𝑖𝑑𝑜
𝐹𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜=
5500
2323,1= 2,36
Considerando que o carregamento em superfície inclinada é crítico, dado que uma falha
pode não só ferir o operador e danificar a carga, como também causar um tombamento
no equipamento, o fator de segurança obtido foi considerado adequado.
61
4.5 Motores hidráulicos
Os motores hidráulicos são atuadores rotativos, e tal como os cilindros hidráulicos,
transformam a energia de trabalho hidráulico, proveniente da pressurização de um fluido
(geralmente óleo mineral), em energia mecânica, porém nesse caso, em energia mecânica
rotativa, que é transferida ao objeto resistivo por meio de um eixo.
Basicamente, os motores hidráulicos consistem em uma carcaça com conexões de entrada
e saída, e um conjunto rotativo ligado a um eixo.
Motores são semelhantes a bombas construtivamente, no entanto, enquanto as bombas
recebem uma atuação rotativa para mover um fluido para fora do seu interior, os motores
hidráulicos recebem o fluido pressurizado em seu interior e entregam uma atuação
rotativa no seu eixo.
4.5.1 Principais tipos
Existe uma grande variedade de tipos e princípios construtivos para motores hidráulicos.
Cada tipo possui vantagens e desvantagens dada a aplicação.
Motores de palheta
As palhetas são montadas no rotor do motor, que por sua vez é montado deslocado do
centro da carcaça. Basicamente, o fluido ao passar pela cavidade da carcaça empurra as
palhetas causando a rotação do eixo. As palhetas são livres para entrar e sair do rotor, e
tem seu contato com a parede da carcaça garantido pela atuação de molas.
Figura 56 - Funcionamento de motores de palheta (PARKER HANNIFIN CORP, 2003)
62
Motores de engrenagem
Um motor de engrenagem é um motor de deslocamento positivo que desenvolve um
torque de saída no seu eixo através da ação da pressão hidráulica nos dentes da
engrenagem. Consiste basicamente em uma carcaça com aberturas de entrada e de saída
e um conjunto rotativo composto de duas engrenagens. Uma das engrenagens, a
engrenagem motora, é ligada a um eixo que está ligado a uma carga. A outra é a
engrenagem movida, como mostrado na figura 57.
Figura 57 - Funcionamento do motor hidráulico de engrenagens (PARKER HANNIFIN CORP, 2001)
Motor orbital
O princípio de funcionamento dos motores orbitais é baseado na configuração de uma
engrenagem interna montada a um encaixe externo. O fluido ao ser impulsionado para a
cavidade do motor, move a engrenagem interna, que gira, entregando torque e rotação no
eixo de saída, que é solidário a engrenagem interna. A figura 58 mostra a visão das
engrenagens sem o eixo montado.
63
Figura 58 - Motor orbital (www.orbitalmotors.net)
Motores de pistão axial
O motor de pistão é um motor de deslocamento positivo que desenvolve um torque de
saída no seu eixo por meio da pressão hidráulica que age nos pistões. O conjunto rotativo
de um motor de pistão consiste basicamente de placa de deslizamento, tambor de cilindro,
pistões, placa retentora, mola de retenção, placa de orifício e eixo.
Figura 59 - Motor de pistão axial (PARKER HANNIFIN CORP, 2003)
4.5.2 Simbologia de motores hidráulicos
A simbologia para atuadores rotativos, entre eles os motores hidráulicos, segue o padrão
estabelecido na norma específica, a ABNT 8897, representado a figura 60.
64
Figura 60 - Simbologia para atuadores rotativos segundo a norma ABNT 8897
4.5.3 Motor hidráulico da roda de tração
Para a seleção de um motor para a roda de veículos móveis, alguns fatores devem ser
levados em conta para a determinação do máximo torque requerido, e posterior escolha
do motor adequado.
O motor hidráulico será responsável por fornecer torque para a roda de tração, o que irá
permitir ao equipamento uma melhor condição de deslocamento e manobra.
Como trata-se de uma empilhadeira manual, que será deslocada por uma pessoa
caminhando, o motor não precisa apresentar altas rotações, dado que a velocidade
requerida para o equipamento é baixa.
O torque de saída do motor deve ser suficiente para garantir que o equipamento possa
operar em todas as situações inseridas no seu conceito de funcionalidade, ou seja,
deslocar-se em superfícies planas e em aclives.
Os seguintes dados serão necessários para a escolha do motor adequado:
Peso do equipamento (P):
A força peso a ser utilizada é com o equipamento carregado, ou seja, considerando o peso
do equipamento mais a carga máxima de projeto. Para esse cálculo fez-se necessário
estimar o peso da unidade de potência, que não foi dimensionada no projeto. Essa unidade
contém basicamente, um motor, bomba hidráulica, filtro, conexões, mangueiras e
válvulas. Seu peso foi estimado em 40 kg. A massa do restante da estrutura pôde ser
obtida utilizando-se o software Solidworks.
Assim,
𝑃 = 9094 𝑁
65
Raio da roda de tração (rT):
A roda de tração foi determinada na seção 4.7.
𝑟𝑇 = 415 𝑚𝑚
Velocidade máxima desejada (Vmáx):
A máxima velocidade linear desejada é a velocidade de uma caminhada normal, ou seja,
em torno de 5km/h.
𝑉𝑚á𝑥 = 5 𝑘𝑚 ℎ⁄ = 1,4 𝑚 𝑠⁄
Tempo de aceleração desejado (ta):
É o tempo que leva para tirar o equipamento do repouso e levá-lo até sua máxima
velocidade de projeto. Para o projeto, esse tempo será:
𝑡𝑎 = 5 𝑠
Máximo ângulo de inclinação (θmáx):
A partir da formulação desenvolvida na seção 3.2 determinou-se os ângulos máximos
inclinação nas situações de operação. A tabela 7 mostra todos os valores obtidos para
cada condição.
Considerou-se a posição vertical do centro de massa sendo aproximadamente 30% do
comprimento entre eixos, de modo a simular o equipamento carregado e com as
forquilhas na posição inferior.
66
Tabela 7 - Máximos ângulos para cada tipo de terreno
Empilhadeira
Parada
Empilhadeira em
movimento
Piso μe μr
θ máx para
não
deslizamento
θ máx para
não
tombamento
θ máx para
não
deslizamento
θ máx para
não
tombamento
Asfalto 0,8 0,012 19,6 º 64,5 º 18,8 º 64,5 º
Concreto 0,8 0,01 19,6 º 64,5 º 18,9 º 64,5 º
Macadame 0,7 0,015 16,6 º 64,5 º 16,3 º 64,5 º
Terra firme 0,5 0,025 11,2 º 64,5 º 9,5 º 64,5 º
Grama 0,4 0,055 8,6 º 64,5 º 5,1 º 64,5 º
Assim sendo, os valores destacados na tabela 7 representam a inclinação crítica para cada
tipo de piso. Por questão de segurança, a máxima inclinação operacional será somente
80% do valor da inclinação crítica.
Para a escolha de um motor capaz de produzir torque suficiente para propelir o
equipamento em questão, é necessário determinar a Força Trativa Total (FTT) requerida
para a empilhadeira. A força trativa total é a soma das forças que se opõem ao movimento
do equipamento, ou seja, a força mínima necessária para que a empilhadeira consiga se
mover.
𝐹𝑇𝑇 = 𝑅𝑅 + 𝑅𝐴 + 𝐹𝐴
Onde:
FTT = Força trativa total
RR = Força necessária para superar a resistência ao rolamento
RA = Força necessária para superar a resistência ao aclive
FA = Força necessária para acelerar o veículo até sua velocidade final
Cada parcela da equação foi determinada à fim de se obter a força trativa total.
67
Determinando a resistência ao rolamento
𝑅𝑅 = 𝑃 𝜇𝑟 𝑐𝑜𝑠 (𝜃𝑚á𝑥) (17)
A tabela 8 mostra os valores da resistência de rolamento para cada tipo de terreno
estudado.
Tabela 8 - Força de resistência ao rolamento para cada tipo de terreno
Piso θ máx (º) RR [N]
Asfalto 15,0 105,4
Concreto 15,1 87,8
Macadame 13,0 132,9
Terra firme 7,6 225,3
Grama 4,1 395,2
Determinando a resistência ao aclive:
𝑅𝐴 = 𝑃 𝑠𝑒𝑛 (𝜃𝑚á𝑥) (18)
Os valores obtidos para cada tipo de terreno estão ilustrados na tabela 9.
Tabela 9 - Força de resistência ao aclive na máxima inclinação para cada tipo de terreno
Piso θ máx (º) RA [N]
Asfalto 15,0 2356,9
Concreto 15,1 2373,8
Macadame 13,0 2049,6
Terra firme 7,6 1203,8
Grama 4,1 645,1
Determinando a força de aceleração:
𝐹𝐴 =
𝑃 𝑉𝑚á𝑥
𝑔 𝑡𝑎 (19)
68
Assim,
𝐹𝐴 = 259,6 𝑁
Determinando a Força Trativa Total:
A força trativa representa a mínima força que deve ser imprimida para vencer as forãs
contrárias e permitir o movimento. Foram calculadas para cada tipo de terreno, no pior
cenário, ou seja, sobre a máxima inclinação operacional permitida. Conforme mostra a
tabela 10.
Assim,
Tabela 10 - Força trativa total para a inclinação limite de cada tipo de terreno
Piso θ máx (º) FTT [N]
Asfalto 15,0 2721,8
Concreto 15,1 2721,1
Macadame 13,0 2442,0
Terra firme 7,6 1688,7
Grama 4,1 1299,9
Determinando o torque requerido na roda de tração:
Para verificar que o veículo irá cumprir os requisitos desejados, é necessário calcular o
torque, baseado na força trativa total necessária e no raio da roda de tração.
𝑇 = 𝐹𝑇𝑇 × 𝑟𝑇 × 𝑟𝐹
Onde:
T: Torque na roda de tração
rT: Raio da roda de tração
rF: Fator de resistência
O fator de resistência considera algumas perdas, principalmente devido ao atrito entre as
rodas e seus eixos. Valores típicos entre 1,1 e 1,15. Para esse projeto o valor de 1,1 foi o
escolhido.
69
Assim sendo, a tabela 11 ilustra os valores dos torques requeridos para cada tipo de
terreno na sua aplicação crítica, ou seja, na sua máxima inclinação permitida.
Tabela 11 - Torques requeridos para cada tipo de terreno
Piso θ máx (º) T [Nm]
Asfalto 15,0 564,8
Concreto 15,1 564,6
Macadame 13,0 506,7
Terra firme 7,6 350,4
Grama 4,1 269,7
Verificação do deslizamento:
Por último, deve-se verificar que o veículo seja capaz de transmitir o torque da roda de
tração para o terreno. O máximo torque trativo (MTT) que a roda de tração pode transmitir
é igual a máxima força trativa possível, formulada na seção 3.2 - equação 3, vezes o raio
da roda de tração. O torque na roda de tração deve ser menor do que o máximo torque
trativo para que a roda não patine sobre o terreno.
𝑀𝑇𝑇 = 𝐹𝑀𝑚á𝑥 × 𝑟𝑇
Assim, para cada caso, o comparativo (Tabela 12) entre o torque necessário para
movimentar o equipamento sobre o aclive e o torque limite que faz com que a roda
deslize.
Tabela 12 - Comparativo do torque requerido com o máximo torque permitido
T [Nm] MTT [Nm]
564,8 641,5
564,6 642,7
506,7 536,7
350,4 359,2
269,7 303,8
70
4.5.4 Seleção do motor hidráulico
Para esse projeto, a escolha será por um motor do tipo orbital (ou gerotor), pois são
motores de baixa velocidade e alto torque, o que elimina a necessidade de utilizar
redutores, além de serem compactos e de fácil manutenção.
O máximo torque requerido irá pautar a escolha do motor. Para o equipamento em análise,
o máximo torque requerido ocorre quando o equipamento precisa operar em asfalto em
um plano inclinado de 15 graus.
Consultando o catálogo de motores orbitais do fabricante Danfoss, buscou-se o motor
orbital que atendesse a esse torque.
A busca foi feita em motores de tamanho médio. Séries OMP, OMR e OMH. A figura 61
mostra a faixa de torque máximo contínuo e de pico para cada série e modelo. Onde o
eixo horizontal representa o tamanho do motor, e o vertical os máximos torques.
Figura 61 - Faixas de torques para motores de médio serviço Danfoss (DANFOSS, 2016)
Como o torque máximo requerido é de 564,8 N.m, o motor escolhido deverá estar na faixa
de 500 a 600 N.m de torque máximo. O máximo torque será estabelecido como sendo
575 N.m. Dessa maneira, os motores que atendem são os maiores das séries OMP e OMR,
e todos os motores da série OMH. Buscando o motor mais compacto possível, o motor
escolhido foi o OMH 250.
71
A figura 62 mostra o gráfico de performance do motor escolhido, e a tabela 13 destaca os
seus parâmetros.
A rotação necessária para o motor é:
𝑛 =𝑉𝑚á𝑥
𝑅=
1,4
0,415= 3,4 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ = 32,5 𝑟𝑝𝑚
Figura 62 - Curva de performance do motor OMH 250 (DANFOSS, 2016)
Tabela 13 - Dados da condição de máximo torque do motor selecionado
Parâmetros do motor
Torque 575,0 Nm
Pressão 150 bar
Rotação 35 rpm
Vazão 15 l/min
Os parâmetros do motor hidráulico são fundamentais na etapa de dimensionamento da
unidade de potência hidráulica, etapa essa, que não será abordada nesse trabalho.
72
4.6 Corrente
As correntes (Figura 63) são elementos de máquinas flexíveis, tal como correias e cabos
de aço. Elas são utilizadas para a transmissão de potência ou movimentação e transporte
de carga.
Figura 63 - Corrente de rolos dupla (FILHO, 2010)
4.6.1 Transmissão por correntes
As correntes são muito eficientes para a transmissão de potência onde é grande a distância
entre eixos, inviabilizando a utilização de engrenagens. Possuem um ótimo rendimento
(acima de 95% quando bem dimensionadas), são adequadas para trabalhos em condições
severas e diferentemente das correias, as correntes não apresentam o risco de
escorregamento. Por outro lado, operam em menores velocidades e demandam maiores
cuidados com lubrificação.
Os principais parâmetros a serem observados na hora de selecionar as correntes desejadas
no projeto são: a potência transmitida, relação de transmissão, características da máquina
movida e da motora, espaço disponível, confiabilidade requerida, condições de operação,
resistência a tração e o custo.
São diversos os tipos de correntes: Galle, Zobel, Fleyer, Correntes Silenciosas, Correntes
de Rolos, tal como mostram as figuras 64 a 68.
73
4.6.2 Seleção da corrente
As correntes de rolos são o tipo mais utilizado e mais difundido no mercado, também são
as mais utilizadas em empilhadeiras. São mais baratas e de mais fácil manutenção, pois a
troca de rolos danificados é feita facilmente. Por essas razões, esse tipo de corrente será
o escolhido para o projeto. A figura 69 representa a vista lateral e a seção de uma corrente
de rolos, sua geometria e a respectiva nomenclatura.
Figura 65 - Corrente tipo Zobel (FILHO,
2010) Figura 64 - Corrente tipo Galle (FILHO,
2010)
Figura 67 - Correntes silenciosas (FILHO,
2010) Figura 66 - Corrente tipo Fleyer
(FILHO, 2010)
Figura 68 - Corrente de rolos (FILHO, 2010)
74
Figura 69 – Dimensões de correntes de rolos simples e múltiplas (RENOLD)
A → passo [mm]
B → largura interna [mm]
C → diâmetro do rolete [mm]
D → altura do elo [mm]
E → espessura do elo interno [mm]
F → espessura do elo externo [mm]
G → diâmetro do pino [mm]
H→ Comprimento do pino [mm]
J → Extensão da conexão [mm]
K → Distância entre correntes múltiplas [mm]
Para esse projeto, a corrente irá transmitir potência à uma baixa velocidade, sendo apenas
uma forma de transmissão de movimento, erguendo e baixando o conjunto das forquilhas
mediante a atuação do cilindro de levantamento e não estará submetida a uma operação
contínua. Uma das extremidades estará pinada a estrutura da torre de elevação, enquanto
outra estará pinada ao conjunto das forquilhas, a interação com o cilindro hidráulico será
75
através de uma polia guia conectada ao cilindro e onde a corrente estará apoiada, tal como
mostrado na Figura 70.
Figura 70 - Detalhe da montagem da corrente (http://www.paletrans.com.br/pt-br)
Portanto, os principais parâmetros a serem levados em consideração e especificados,
serão o comprimento da corrente, seu número de elos, as condições de operação e sua
mínima resistência a tração.
Especificação da corrente de rolos
Como mostrado na seção 4.4.4, a máxima força de tração na corrente acontece quando se
ergue a máxima carga de projeto, 500 kgf.
𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 = 5680 𝑁
Dado que os esforços envolvidos não são tão elevados, a escolha foi por correntes de rolo
simples. O catálogo consultado foi o do fabricante Renold (Figura 71)
76
Figura 71 - Catálogo de corrente de rolos no padrão ANSI (RENOLD)
A corrente selecionada foi a corrente de rolos simples ANSI 40A1, e o real fator de
segurança obtido devido a essa escolha é dado por:
𝐹𝑆 =𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐹𝑡𝑟𝑎çã𝑜 =
21800
5680 = 3,84
É desejável um maior fator de segurança dado a criticidade do componente, e visando a
segurança na operação da empilhadeira. Um rompimento da corrente pode colocar em
risco a vida do operador e de pessoas próximas, bem como afetar a integridade da carga.
O fator segurança foi balizado pela recomendação para correntes de elevação de
fabricantes referência no segmento (GUNNEBO INDUSTRIES), que determinam fatores
próximos a 4 como adequados.
Para finalizar a especificação, é necessário calcular o número de elos da corrente:
Do projeto, tem-se que o comprimento da corrente é:
𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 1285 𝑚𝑚
Do catálogo, o passo:
𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜 = 15,875 𝑚𝑚
77
Logo o número de elos será:
𝑁º 𝑒𝑙𝑜𝑠 =𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑃𝑎𝑠𝑠𝑜=
1285
15,875= 81 𝑒𝑙𝑜𝑠
4.7 Seleção das rodas
A escolha das rodas é fundamental para o bom funcionamento da empilhadeira. Em geral,
empilhadeiras manuais convencionais costumam ter rodízios de poliuretano, enquanto
que empilhadeiras motorizadas possuem rodas pneumáticas.
As rodas de carga e as rodas de tração diferem principalmente por sua furação. As rodas
de carga têm apenas com um furo para a montagem do pino de fixação, enquanto que a
roda de tração necessita ter a furação para receber o cubo da roda que possibilita a
montagem do motor hidráulico.
De modo a simplificar as especificações do projeto, opta-se por selecionar os dois tipos
de roda como se estivessem sujeitas ao mesmo carregamento, ou seja, a roda de tração
terá o mesmo material e mesma capacidade de carga das rodas de carga.
A seleção das rodas será baseada no critério de seleção do fabricante alemão Blickle.
4.7.1 Seleção do produto
Primeiramente deve-se escolher o produto (Figura 72). Por se tratar de um equipamento
que será auto propelido, a escolha foi por utilizar rodas, facilitando o acoplamento com o
motor hidráulico, e permitindo facilidades em termos de manutenção.
Figura 72 - Opções de rodízios e rodas
4.7.2 Determinação da capacidade de carga necessária
A capacidade de carga necessária das rodas é calculada como sendo a soma do peso morto
do equipamento com sua máxima carga adicional, dividido pelo número de rodas. O
78
resultado é multiplicado por um fator de segurança, determinado escolhendo um valor
intermediário no guia do fabricante.
𝑇 =
𝐸 + 𝑍
𝑛 × 𝑆 (20)
Onde,
T: Capacidade requerida para cada roda;
E: Massa do equipamento descarregado = 387 kg
Z: Máxima carga adicional = 500 kg
n: Número de rodas utilizadas = 3
S: Fator de Segurança = 1,7
Logo,
𝑇 = 500 𝑘𝑔
4.7.3 Seleção do material da roda
Para uma escolha adequada do material para o rodízio ou roda, convém saber as
características de cada tipo, de modo a selecionar as que melhor se adequam a utilização
proposta do equipamento, ou seja, sobre qual tipo de piso o equipamento opera. A tabela
14 mostra uma breve descrição dos principais materiais disponíveis no mercado.
Tabela 14 - Descrição dos materiais disponíveis para rodas (NOVEX, 2015)
Material Descrição básica
Resina
termoplástica
Resistente à água, graxas, sais, ambientes com alcoóis, glicóis, ácidos orgânicos,
minerais fracos e vapor saturado. Excelente para aplicação em pisos lisos em bom
estado de conservação, para uso de cargas leves. Melhor opção em qualidade e
economia.
Poliuretano
injetado
Indicada para as mais diversas aplicações e ambientes industriais em geral exceto
em trabalhos com cargas estáticas. Resistente à abrasão, rasgo, umidade, graxas,
sais, ambientes com álcoois, glicóis, ácidos orgânicos, minerais fracos e alguns
solventes.
Policarbonato
Indicada para aplicações como, móveis, displays, expositores etc. Beleza, design
e qualidade, apresentam boa resistência química, não deformam com carga
estática, facilita a movimentação e possui alta durabilidade.
79
Polipropileno
Indicada para cargas leves, oferece muita carga facilidade de movimentação e
baixa deformação com carga estática. Excelente relação custo benefício.
Resistente à água e ácidos, inclusive ao ácido sulfúrico em média concentração.
Nylon
Leveza e ampla gama de capacidade de carga, muito resistente a ambientes
agressivos, locais onde é comum presença de água, gorduras, óleos vegetais e
derivados de petróleo, sais e alguns ácidos. Oferece facilidade de movimentação,
menor esforço do operador para manobras e baixa deformação estática.
Pneumático
Indicada para aplicações em pisos irregulares e malconservados, onde é
necessário a facilidade de movimentação e amortecimento dos impactos e
vibrações, exceto em locais onde há componentes perfurantes como, pregos,
cacos de vidros etc. Oferece baixa resistência ao rolamento sobre superfícies
desniveladas.
Borracha sólida
Indicada para pisos rústicos e malconservados. Movimentação com suavidade,
baixo nível de ruídos, absorve choques, vibrações, resistente ao rasgo, à abrasão,
à tensão de ruptura e a produtos químicos exceto ambientes com óleos orgânicos
e minerais, soluções básicas, vapor saturado ou pisos claros. Dispensa
calibragem.
Celeron
Roda integral de Celeron, polímero à base de tecido de algodão com resina
fenólica, indicada em ambientes agressivos e altas temperaturas. Não provoca
faísca elétrica e é isolante, não deforma com carga estática proporcionando
facilidade de movimentação, suporta impactos, produtos químicos, óleos e
graxas.
Ferro fundido
Indicada para trabalhos que exigem a facilidade de movimentação, cargas e
temperaturas elevadas. Não indicada para áreas que necessitem de redução de
ruídos e conservação do piso.
Para esse projeto, a categoria da roda escolhida será a de rodas pneumáticas, pois esse
tipo de roda oferece o conjunto de características que mais se adequa à aplicação
idealizada para a empilhadeira. Essa escolha irá garantir que o equipamento possa atuar
em uma grande variedade de pisos e ser operado sobre superfícies irregulares, inclinadas,
e planas de maneira satisfatória.
4.7.4 Escolha
Consultou-se o catálogo do fabricante Blickle, para a escolha das rodas de carga. Três
opções se mostram mais adequadas (Figuras 73 e 74), dentro da categoria de rodas
pneumáticas (séries P, PS e PK), com capacidade de carga de no mínimo 500 kg.
80
Figura 73 - Opções na série P (BLICKLE, 2016)
Figura 74 - Opção na série OS (BLICKLE, 2016)
As três opções atendem ao tipo de aplicação desejado. Entretanto a escolha foi pela roda
da série PS (Figura 75) PS 315/25-75K, por ter uma maior resistência (indicada pelo ply
rating), e também por ter um menor diâmetro e espessura, o que deixa o equipamento
mais compacto.
Figura 75 - Rodas pneumáticas da série PS (BLICKLE, 2016)
Já para a roda de tração, é necessário que a roda tenha a furação para o acoplamento do
flange de roda e do motor hidráulico (Figura 76). Nesse caso, a roda mais adequada é a
PA 420/4, conforme foi observado no catálogo (Figura 77).
81
Figura 76 - Roda com furação para montagem do flange no cubo
Figura 77 - Opções na série PA
4.8 Pinos
São cinco os pinos de articulação que necessitam ser devidamente dimensionados para
suportar os esforços cisalhantes envolvidos na operação da empilhadeira: os quatro pinos
conectados aos olhais dos cilindros de levantamento, e o pino central conectado aos
braços de apoio e a estrutura da torre de elevação. Os pinos podem ser carregados em
cisalhamento simples ou duplo, conforme mostrado na figura 78.
Figura 78 - Pino de articulação em cisalhamento simples (a) e duplo (b) (NORTON, 2011)
Para cada caso a tensão de cisalhamento é obtida por:
82
𝜏 =𝑃
𝐴 (𝑠𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒𝑠)
𝜏 =𝑃
2𝐴 (𝑑𝑢𝑝𝑙𝑜)
Onde P é a carga aplicada e A é a área sob cisalhamento. Nota-se que o cisalhamento
duplo é mais vantajoso para projetos de pinos de articulação, pois a tensão de
cisalhamento gerada é a metade daquela do carregamento simples. Logo, essa será a
solução adotada para todos os pinos.
Os pinos conectados ao cilindro hidráulico de levantamento deverão resistir ao esforço
cisalhante que atuará sobre eles durante a atuação do cilindro. Já o pino central dos braços
de apoio deverá resistir ao esforço cisalhante devido ao peso do equipamento. A tensão
cisalhante é inversamente proporcional ao diâmetro dos pinos, entretanto um pino de
grande diâmetro necessita de um olhal mais robusto conectado ao cilindro. Portanto, foi
decidido que todos pinos terão diâmetro de 20 mm, ficando assim, determinado também,
a diâmetro dos furos dos olhais dos cilindros, da estrutura do equipamento e dos braços
de apoio. Como os pinos terão mesmo diâmetro e serão do mesmo material, será
considerada as forças cisalhantes aplicadas no pior caso, que ocorre para o pino central
dos braços de apoio. Nesse caso, a máxima força cisalhante a qual o pino estará sujeito,
é a máxima força peso do equipamento, que ocorre quando o equipamento ergue a carga
máxima de projeto.
Pela teoria de Von Mises, no caso de cisalhamento puro, tem-se que:
𝜎′ = √(𝜎1 − 𝜎2)2 + (𝜎2 − 𝜎3)2 + (𝜎1 − 𝜎3)2
2 (21)
Onde,
𝜎1 = 𝜏, 𝜎2 = −𝜏, 𝜎3 = 0
Logo,
𝜎′ = √(2𝜏)2 + (−𝜏)2 + (𝜏)2
2= √
6𝜏2
2
83
𝜎′ = 𝜏√3 =𝐹√3
2𝐴
Considerando que os pinos terão 20 mm e calculando a tensão cisalhante para o pior caso,
que é o do pino central dos braços de apoio:
𝜎′ =√3
2
𝐹
𝐴=
√3
2
9094 𝑁
𝜋 ∙ (20 𝑚𝑚)2
4
= 25 𝑀𝑃𝑎
A escolha do material será feita de modo a alcançar um fator de segurança alto, devido a
criticidade do componente.
Portanto, escolhendo-se o aço 1020 laminado a quente, com Sy = 125 MPa:
𝐹𝑆 =125 𝑀𝑃𝑎
25 𝑀𝑃𝑎= 5,0
O alto fator de segurança obtido foi considerado necessário, dado que os pinos são
elementos de responsabilidade e não podem cisalhar. A fixação dos pinos será por meio
de contra pinos.
84
5 Conclusão
Analisando os resultados do projeto, e considerando a principal razão do desenvolvimento
desse trabalho, que foi a de demonstrar a viabilidade técnica do desenvolvimento de uma
máquina de elevação capaz de atuar sobre diversos pisos, nota-se que o objetivo foi
alcançado. É sim possível, do ponto de vista teórico e técnico, projetar um equipamento
que possa atuar com segurança tanto sobre superfícies planas e lisas, quanto sobre
superfícies levemente inclinadas. Foram demonstrados os meios de calcular as reações
normais, máximas inclinações, e torques necessários para a utilização em qualquer tipo
de terreno, bastando-se fazer as adequações necessárias nos valores das variáveis
envolvidas. O software SolidWorks permitiu a atribuição de valores as variáveis, obtidas
na formulação dinâmica e estática dos carregamentos, de maneira rápida e precisa,
principalmente ao calcular automaticamente as massas dos diversos componentes e a
posição do centro de massa do equipamento, tanto carregado, quanto descarregado.
No que diz respeito ao dimensionamento e especificação, os principais componentes
foram calculados com uma boa margem de segurança. Em condições normais de
operação, as forquilhas não irão fletir drasticamente e nem se deformar plasticamente. Já
os cilindros hidráulicos foram especificados de modo que serão capazes de suportar os
esforços envolvidos com sobra. A escolha dos cilindros foi pelo fabricante Parker
Hannifin, devido a seu grande renome e qualidade notória, e também ao material
disponibilizado online, o que permite a escolha do atuador considerando todos os
detalhes. Evidentemente um fabricante como esse não possui os cilindros mais baratos,
porém, é possível estudar outros fabricantes de modo a selecionar cilindros mais
acessíveis seguindo o procedimento adotado no projeto. A corrente de rolos foi
selecionada sob o mesmo ideal utilizado na seleção dos cilindros hidráulicos,
consultando-se um fabricante de grande qualidade, a Renold, e especificando uma
corrente que atenda o serviço com um robusto coeficiente de segurança, garantindo que
o elevar e abaixar de cargas seja feito em condições seguras. Foi ainda elaborado um guia
bem completo para seleção de motores de rodas, sejam eles hidráulicos ou elétricos. Tal
guia pode ser utilizado em outros projetos similares, de máquinas de elevação sobre rodas,
ou totalmente diferentes, no âmbito da robótica por exemplo. Da mesma maneira, os
motores foram selecionados segundo catálogos de fabricantes referência, nesse caso a
Parker.
85
Percebe-se que o projeto apresentou ampla abrangência, desde as questões teóricas do
carregamento estático e dinâmico do equipamento sobre superfícies planas e inclinadas,
até o dimensionamento preciso dos principais componentes, passando pela escolha de
materiais, dos perfis de viga, cálculo dos esforços de deflexão, englobando diversas áreas
de conhecimento da engenharia mecânica.
O projeto foi especialmente desafiador por apresentar o conceito de um equipamento
único, sem igual no mercado. Equipamento esse, voltada para aplicações específicas,
como ocorre em diversos outros tipos de equipamentos, seguindo uma tendência de
equipamentos desenvolvidos para atividades individualizadas.
Ainda assim, o projeto pode ser mais aprofundado, chegando ao nível de um projeto
detalhado. Para projetos futuros, sugere-se o dimensionamento e seleção dos
componentes da unidade de potência hidráulica, especificando os circuitos hidráulico e
elétrico envolvidos. O dimensionamento do sistema de freios. Outra sugestão é o
desenvolvimento de um sistema de controle integrado, capaz de detectar uma variação na
inclinação da superfície, por meio de sensores de inclinação, e acionar o avanço dos
cilindros de nivelamento automaticamente.
86
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25/MANUAL_TORVEL_GERAL.pdf>.
490
1668 1
511
1600
209
0
1881
A
C
B
Item DescriçãoA Conjunto Forquilha
B Montagem Braços de apoio
C Montagem Estrutura Empilhadeira
CotasEscalaOrientador
Autor
mmArmando Carlos de Pina
Universidade Federal do Rio de JaneiroRafael Montes do Amaral
Empilhadeira hidráulica com mecanismo de auto-nivelamento Equipamento - Vistas Ortográficas
1º Diedro1 : 20
1668
160
0 CotasEscalaOrientador
Autor
mmArmando Carlos de Pina
Universidade Federal do Rio de JaneiroRafael Montes do Amaral
Empilhadeira hidráulica com mecanismo de auto-nivelamento
Máxima elevação do conjunto das forquilhas
1 : 20 1º Diedro
580
462
1
150
152
1405
A1
A2
A3
A4
A6
A5
Item Qtd DescriçãoA1 2 Perfil U abas inclinadasA2 1 Tubo retangularA3 2 ChapaA4 2 ChapaA5 1 Tubo retangularA6 2 Rolete guia
Notas:
As peças serão unidas por meio de soldagem.
CotasEscalaOrientador
Autor
mmArmando Carlos de Pina
Universidade Federal do Rio de JaneiroRafael Montes do Amaral
Empilhadeira hidráulica com mecanismo de auto-nivelamento Montagem Conjunto Forquilha
1º Diedro1 : 10
B3
B5
B7
B9
B8
B11
B4
B6
B1
B2
B10
Notas:
1 - O cilindro e os pinos de fixação de um do braço esquerdo foram omitidos para facilitar a visualização;
2 - Os pinos serão fixados por meio de contrapinos.
Item Qtd Descrição
B1 1 Braço direito
B2 1 Braço Esquerdo
B3 4 Espaçador
B4 2 Bucha
B5 2 Parafuso M 16
B6 2 Porca M16
B7 2 Roda
B8 2 Cilindro hidráulico nivelamento
B9 4 Pino
B10 1 Pino
B11 1 Peça de conexão
CotasEscalaOrientador
Autor
mmArmando Carlos de Pina
Universidade Federal do Rio de JaneiroRafael Montes do Amaral
Empilhadeira hidráulica com mecanismo de auto-nivelamento Montagem Braços de apoio
Explodida1 : 10
C1
C2C1
C3
C4
C5
C6
C9
C8
C7
C11
C12
C13
C23
C22
C21
C20
C19C18C17
C16
C15
C14
Item Qtd DescriçãoC1 1 Polia de subidaC2 1 ClévisC3 1 PinoC4 1 Grampo UC5 1 Cilindro Hidráulico levantamentoC6 1 Torre de elevaçãoC7 1 Porca M8C8 2 Emenda da correnteC9 1 Parafuso esticador de corrente
C10 1 Corrente de rolos 50A1 - 81 elosC11 2 Porca M10C12 1 Alojamento da Unidade de potênciaC13 1 PinoC14 1 Alavanca de controleC15 1 Roda de traçãoC16 4 Porca M14,5C17 1 Flange de rodaC18 4 Parafuso M14,5C19 2 Porca M13,5C20 1 Suporte da roda de traçãoC21 1 PinoC22 1 Motor hidráulicoC23 2 Parafuso M13,5
Notas:1 - A unidade de potência deverá ser soldada à torre de elevação na montagem;
2 - Os pinos serão fixados por meio de contrapinos.
CotasEscalaOrientador
Autor
mmArmando Carlos de Pina
Universidade Federal do Rio de JaneiroRafael Montes do Amaral
Empilhadeira hidráulica com mecanismo de auto-nivelamento
1 : 10 Explodida
Montagem estrutura da empilhadeira
