Os Isoladores de Vibração

Isoladores de vibração

 Chelder, Jairo, Rodrigo

Faculdade Anhanguera de Jaraguá do Sul - SC

Controle de vibrações

Professor Marcelo Pereira, M. Engenharia Mecânica.

 

   Resumo - Objetivo deste artigo é abordar as forças de vibrações, onde veremos construção, funcionamento e aplicações.

Palavra-chave: Isoladores de vibrações.

1.  INTRODUÇÃO

Este estudo é parte do processo de aprendizagem do curso de Engenharia Mecânica solicitado pelo professor da disciplina controle de vibrações, tendo como objetivo apresentar o entendimento do funcionamento e características de isoladores de vibrações e suas principais aplicações.

1. DESENVOLVIMENTO

2.1 Construção

Ainda hoje o controle de vibração em sistemas mecânicos é um desafio em engenharia, o isolamento de vibração é uma técnica de controle de vibração em que o isolador é acoplado entre a fonte de vibração e o sistema que requer proteção para reduzir o nível da vibração transmitida da fonte para o sistema em questão. De acordo ainda com Ruzicka e Derby (1971), sistemas de isolamento de vibração podem ser lineares ou não lineares, ativos ou passivos, e sua inserção no isolador de vibração faz com que o sistema composto pelo sistema mecânico, isolador e fonte de vibração gere um comportamento de ressonância na resposta em frequência. Para frequências mais altas, os isoladores fazem com que a resposta em frequência tenda a diminuir.

Figura mostra componentes de um modelo de isolamento de vibração.

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Figura 1

1. Sistema de isoladores lineares e não lineares,

Os elementos que compõem um isolador de vibração, no entanto, são mais do que simplesmente molas, amortecedores lineares, isto é, as forças reativas que  tais elementos exercem muitas vezes são mais complexas do que se tem idealmente. A construção desses elementos acarreta, geralmente, em características não lineares que podem, segundo Harris e Piersol (2010), criar novos e inesperados fenômenos. Tais fenômenos não podem ser detectados por meio da análise linear, isto é, a análise linear é insuficiente para descrever o comportamento do sistema em questão. Assim, modelos de isoladores compostos por molas, amortecedores não lineares poderiam descrever melhor comportamentos de determinados sistemas mecânicos. De acordo com Harris e Piersol (2010), alguns sistemas que possuem características não lineares são: pêndulo simples, sendo a não linearidade um seno dependente do deslocamento angular na equação diferencial; sistema massa-mola simples com deformações maiores da mola apresentam os fenômenos de endurecimento ou amolecimento e, tal não linearidade, é representada na equação diferencial por meio da famosa “Rigidez Duffing”, que depende da própria deformação; sistemas com cordas esticadas, sendo a não linearidade representada por alteração da constante de rigidez; sistemas com amortecimento viscoso quadrático ou superior, ou ainda, com força de dissipação proporcional à velocidade de enésima ordem; sistemas com amortecimento por fricção; sistemas com assimetria de rigidez; sistemas com rigidez, amortecimento e/ou inertância geometricamente não lineares; entre outros. A figura 2 mostra exemplos de rigidez e de amortecimento não lineares. a força de mola linear e as forças de mola com hardening e softening são mostradas, enquanto que na, a força de amortecedor linear e as forças de amortecedor por atrito e quadrático são mostradas.  

e . Os resultados obtidos para os isoladores com amortecedores não lineares mostraram que tais sistemas também podem melhorar ou piorar o isolamento em determinadas faixas de frequência quando comparados à um isolador com amortecimento linear. A demonstração de que existe pelo menos um tipo de amortecimento que possui bom desempenho de isolamento tanto na região de ressonância (embora pior se comparado à um sistema com amortecimento linear) quanto para frequências mais altas (amortecimento geometricamente não linear).

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Figura 2

2.1.2. O sistema de isolação de vibração ativa ou passiva, ela reduzirá, respectivamente, a amplitude da força transmitida do sistema para a base , ou a amplitude do movimento transmitido da base para o sistema  O isolador de vibrações, obviamente, é um conjunto de molas (rigidez equivalente k) e amortecedores (coeficiente de amortecimento equivalente c). A medida do isolamento de vibrações é feita através de um parâmetro denominado transmissibilidade. A transmissibilidade, simbolizada por TR, é definida de acordo com o tipo de suspensão.

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Figura 4

Os isoladores passivos diferem dos ativos por não precisarem utilizar energia para o controle da vibração, enquanto que os isoladores ativos requerem uma fonte de energia, além de uma malha de controle fechada (sensor) para controlarem devidamente a vibração. Enquanto que os isoladores passivos possuem a vantagem de não gastarem energia, os isoladores ativos possuem a vantagem de controlar vibrações com diferentes frequências e amplitudes. De qualquer forma, ambos os tipos de isoladores possuem aplicações. Suspensões de veículos, por exemplo, utilizam geralmente isoladores passivos, enquanto que controladores de superfícies de comando de asas de aviões utilizam atuadores, que agem como isoladores ativos. Um meio de verificar a desempenho de um isolador de vibração é por meio da função de transmissibilidade de deslocamento absoluto. Vários autores desenvolveram diversos trabalhos verificando a transmissibilidade de isoladores para sistemas mecânicos,

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Figura 3

2.2 Algumas definições

2.2.1 A isolação da fonte de vibração pode ser feito quando não for possível eliminar a fonte, esta pode ser isolada, para que o trabalhador não entre em contato direto com a vibração. Esse isolamento pode ser feito pela distância, afastando-se a fonte ou usando-se algum tipo de material isolante para enclausurar a fonte de vibrações.

O isolamento das fontes de vibrações por separação física ou por uso de elementos isolantes leva em consideração os seguintes fatores. A Frequência de ressonância, f0 (Hz), associada com a rigidez da mola isolante k (Newtons/metro) e a massa suportada m (kg) e dada por, f0 = [1 / (2 π)]√k / m Hz, deve estar bem abaixo (menor do que a metade) a frequência mais baixa é que deve ser isolada. A frequência de ressonância é calculada para conhecermos o quanto a mola comprime d (cm) sob o peso da máquina (deflexão estática); Isto é, , f0 = 4,98 √d Hz. A Frequência de excitação, f (Hz), para uma maquina rotacional montada em um isolador é geralmente igual a velocidade rotacional, expressa em revoluções por segundo. A Transmissibilidade, T, de um isolador é dado por T =√ 1 + (2ζX) 2 / (1 – X2 ) 2 + (2 ζX)2 (1) Onde X = f / f0 e ζ é a razão do amortecimento critico que é aproximadamente 0,005 para molas de aço, 0,05 para montagem de borracha, 0,12 a 0,15 para silicone ou baixo T elastômeros , 0,1 a 0,2 para fibra de vidro e 0,3 para material composto. O aumento do amortecimento reduz a amplitude de vibração do sistema isolado quando a frequência passa pela ressonância (da maquina operando), mas decresce o isolamento quando a frequência de z