Mecânica Curiosa: Projeto de Molas

As molas são projetadas para gerar uma força de tração, compressão ou torque dependendo da aplicação, podendo armazenar energia em decorrência de ações externas.

-Constante de Mola:

Onde F é a força aplicada e y a deflexão, que pode ser determinada pela geometria e tipo de carregamento em cada situação. Em muitas situações é eficiente uma mola linear para controlar o carregamento. Podendo haver diferentes configurações, podemos citar duas delas:

Série: possuem a mesma constante em todas que contribui com a deflexão normal.

Paralela: tem a mesma deflexão, porem a força é dividida.

-Configurações da Mola:

· Molas de fio: helicoidais de tração, compressão, torção.

· Molas planas: tipo viga biapoiada, em balanço.

· Molas arruelas: curvadas, onduladas, dedo, Belleville

· Molas enroladas: tipo relógio.

Molas de constante variável podem possuir algumas expiras com constante menor, e quando se fecham, aumentam a constante efetiva.

-Materiais para Mola.

Para a construção de uma mola é necessário se atentar a quatro pontos principais: alta resistência a tração, ponto de escoamento alto, baixo modulo de elasticidade, alta resistência a fadiga. Grande parte das molas de uso não intenso produzidas são de perfil circular feitas com aço repuxado e trabalho a frio, para as molas de uso intenso são feitas de forma laminada a quente ou forjadas.

-Molas Helicoidais de Compressão.

A mais comum utilizada é a de diâmetro de expira e passo constante com seção circular, muitas outras formas são possíveis e apresentam eficiência em sua aplicação, alguns parâmetros para dimensionamento:

O diâmetro do fio é d, o diâmetro médio da espira é D, o comprimento livre Lf, o número de espiras Nt e o passo de espiras p, são usadas para definir a geometria da mola para fins de fabricação. O diâmetro externo, Do e o diâmetro interno Di são de interesse para definir o tamanho do furo no qual será colocada.

-Índice de Mola.

É a razão entre o diâmetro de espira, D, e o diâmetro de fio, d.

Quando C < 4, a mola é de difícil fabricação;

Quando C > 12, tem propensão à flambagem;

-Deflexão da Mola.

Para uma mola helicoidal de compressão a deflexão pode ser estabelecida como:

D o diâmetro médio das espiras;

d o diâmetro do fio;

Na o número de espiras ativas;

G o módulo de cisalhamento do material;

Fazendo um rearranjo da equação da constante de mola, temos a equação da deflexão para mola helicoidal de compressão:

Possuindo uma constante de mola linear durante a maior parte de sua operação. Quando a mola atinge o seu Ls, sua constante não é mais linear desse jeito a constante se torna a própria rigidez das espiras sólidas.

-Tensões em Espiras de Molas Helicoidais de Compressão.

De acordo com o diagrama de corpo-livre pode haver duas componentes de tensão na seção de uma espira: uma por torção, T, e uma devido à força cortante, F. Essas duas tensões se adicionam diretamente.

Na parte interna da mola há um concentrador de tensão que pode ser determinada pelo fator de Wahl, sendo válido para índice de mola maiores ou iguais a 1,2:

-Molas de Espira Helicoidal de Fio não Redondo.

Molas com fio redondo são os mais usados, porém para algumas aplicações é mais eficiente a utilização de fios quadrados ou retangulares, que são usados quando é necessária uma maior capacidade de carga, e a mesma não pode ser obtida com a tradicional. Isso se dá pelo fato do momento de inércia ser maior, porém a desvantagem é que haverá uma concentração muito maior de tensão a partir da curvatura, fazendo com que a equação de Wahl não seja viável. Desse modo a tensão pode ser encontrada por:

Onde: s =ln(C);

-Tensões Residuais

Após um fio ser dobrado em forma de hélice, tensões residuais de tração são geradas na parte interna e tensões de tração na parte externa, nenhuma delas é benéfica e assim podem ser removidas pelo processo de recozimento.

-Flambagem de Mola de Compressão.

Assim como nas vigas, as molas podem flambar se forem muito esbeltas desse modo de forma similar podemos achar uma razão entre o comprimento livre e o diâmetro da espira, se esse fator gerar um valor menor que 4, terá grande chance de flambar.

-Ressonância de Molas em Compressão.

Elas podem vibrar de duas formas: longitudinal e lateralmente, para uma vibração longitudinal pode ocorrer impactos entre as espiras gerando uma falha na mola, a fim de evitar esse acontecimento, não colocar um carregamento de forma cíclica próxima a frequência natural da mola em si, preferencialmente 13 vezes maior do que qualquer esforço/carga. Para extremidades engastadas:

Onde γ é a densidade em peso do material.

-Dimensionamento de Molas Helicoidais em Fadiga.

Para o dimensionamento em fadiga, uma mola carregada dinamicamente irá operar entre dois valores de força, gerando componentes alternadas e médias:

O fator de segurança se dá pela razão entre a resistência alternada e a tensão alternante aplicada.

-Molas Helicoidais de Extensão.

São similares aos de compressão, porém trabalham em tração, geralmente usam ganchos ou laços para que a força seja aplicada, em sua extremidade há uma flexão da última espira em 90º. Todas as espiras são consideradas como ativas e seu comprimento livre é medido através do interior de uma volta até o mesmo ponto na próxima.

-Constante de Mola para Molas de Extensão.

As espiras são enroladas de forma muito apertada de forma a criar uma pré-carga, desse modo pode ser expressa como:

-Tensões de Extremidade em Molas de Extensão.

Ganchos e laços possuem dois pontos de alta tensão, um deles próximo do ângulo de 90º, ponto B, que gera tensão de torção, e outro de tensão em A.

Para o ponto B:

-Ressonância em Molas de Extensão.

-Molas Helicoidais de Torção.

Diferentemente das molas de compressão e tração, nas de torção as extremidades são estendidas para formar braços onde pode ser aplicado momento, são enroladas semelhante as de tração e com a aplicação do momento gera uma flexão e deve ser de forma a fechar as espiras.

-Número de Espiras em Mola de Torção.