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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Leonardo Silva Saldanha
ANÁLISE EM ELEMENTOS FINITOS DOS PARÂMETROS DE PROJETOS DE UMA LUVA DE ENGATE DE TRANSMISSÕES MANUAIS
Belo Horizonte 2013
Leonardo Silva Saldanha
ANÁLISE EM ELEMENTOS FINITOS DOS PARÂMETROS DE PROJETOS DE UMA LUVA DE ENGATE DE TRANSMISSÕES MANUAIS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Claysson Bruno Santos Vimieiro
Belo Horizonte
FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pela Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
Saldanha, Leonardo Silva
S162a Análise em elementos finitos dos parâmetros de projetos de uma luva de
engate de transmissões manuais / Leonardo Silva Saldanha. Belo Horizonte,
2013.
92f.: il.
Orientador: Claysson Bruno Santos Vimieiro
Dissertação (Mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica.
1. Sinterização. 2. Automóveis - Dispositivos de transmissão. 3. Métodos de
elementos finitos. I. Vimieiro, Claysson Bruno Santos. II. Pontifícia Universidade
Católica de Minas Gerais. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
III. Título.
CDU: 629.113-58
Leonardo Silva Saldanha
ANÁLISE EM ELEMENTOS FINITOS DOS PARÂMETROS DE PROJETOS DE UMA LUVA DE ENGATE DE TRANSMISSÕES MANUAIS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
_________________________________________________
Claysson Bruno Santos Vimieiro (Orientador - PUC Minas)
_________________________________________________
José Rubens Gonçalves Carneiro - PUC Minas
_________________________________________________
Daniel Neves Rocha - UFMG
_________________________________________________
Willian de Melo Silva - PUC Minas
Belo Horizonte, 12 de Julho de 2013.
Aos meus pais,
pelo amor e incentivo.
AGRADECIMENTOS
A todos que contribuíram para a realização deste trabalho, fica expressa aqui
a minha gratidão, especialmente:
Ao Professor Claysson Vimieiro, pela orientação, pelo aprendizado e apoio
em todos os momentos necessários.
Aos meus colegas de trabalho da Fiat Powertrain, pela contribuição com os
resultados deste trabalho.
Aos amigos José Neto e Guilherme Machado pela ajuda incondicional.
A todos que, de alguma forma, contribuíram para esta realização.8
Mas na profissão, além de amar tem de saber. E o saber
leva tempo para crescer. (Rubem Alves, 1997)
RESUMO
O presente trabalho está inserido na área de projetos mecânicos, especificamente
direcionado para as transmissões mecânicas aplicadas em veículos automotores.
Foi proposto alterar o processo de fabricação e a matéria prima utilizada no projeto
das luvas de engate empregadas nas transmissões C510 adotada nos veículos Fiat
de até 1.8cc. Para validar a proposta foi desenvolvido um modelo em elementos
finitos para as luvas de engate comparando o resultado do modelo obtido com o
processo atual de manufatura e a nova proposta utilizando o processo de fabricação
de sinterização com o emprego do material sinterizado FLN-4405-19HT. Para
aumentar a precisão da validação proposta pelo método de elementos finitos, foi
elaborada uma técnica para simular a presença de poros característicos da estrutura
metalográfica dos materiais sinterizados na malha do modelo. Foi realizada uma
comparação entre o material atual (aço cromo-manganês 19CrMn5) e o aço
sinterizado (FLN-4405-19HT), considerando o modelo sem a presença da
porosidade e com a técnica elaborada para simular a presença da porosidade.
Comparando os resultados observa-se que o aço 19CrMn5 mostrou um
desempenho melhor na absorção de energia apresentando valores menores para a
fadiga do material, porem para os valores da tensão de escoamento, os dois
materiais apresentam faixas dentro do valores do limite de escoamento da
especificação dos materiais. Pelos resultados obtidos observa-se que é possível
atingir a condições de custo e resistência de operação utilizando a matéria prima
sinterizada (FLN-4405-19HT) em substituição ao material aço cromo 19MnCr5.
Palavras-chave: Sinterização, Transmissão Mecânica, Luva de engate
ABSTRACT
This study is inserted in mechanical engineering projects toward to mechanical
transmission applied to vehicles. Was proposed change the manufacturing process
and the material applied on the project of the sleeves applied on the C510
mechanical transmission adopted in the Fiat vehicles up to 1.8cc. To validated the
proposal was developed a finite element model to the sleeves comparing the results
obtained of the model with the current manufacturing process and the new proposal
utilizing the manufacturing process of sintering with the sinter steel FLN-4405-19HT.
To have a better precision regarding the proposal validation by the finite element
method, was created a technique to simulate the porous presence, common in the
metallographic structure of the sinter materials in the model and compared the
results between the current steel chrome-manganese 19CrMn5 and the sinter steel
FLN-4405-19HT considering the model without the porosity presence and the
technique elaborated to simulated the porosity.
Comparing the results observes that the steel 19CrMn5 demonstrated a better
performance to soak the energy presenting minors values to the material fatigue,
however to the yield stress to the both materials presented values within the limits of
the material yield stress specification. By the results obtained observe that is possible
reach the cost and operation resistant using the sinter material (FLN-4405-19HT) to
replace the steel chrome 19MnCr5.
Keywords: Sintering, Transmissions, Sleeves
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Transmissão mecânica..........................................................................12
FIGURA 2 – Forças de resistência ao movimento veicular........................................14
FIGURA 3 – Sistema de sincronização......................................................................16
FIGURA 4 – Elementos do sistema de sincronização................................................17
FIGURA 5 – Comando câmbio...................................................................................18
FIGURA 6 – Fases da sincronização.........................................................................20
FIGURA 7 – Luva de engate de cinco marchas.........................................................22
FIGURA 8 – Funcionamento da luva..........................................................................22
FIGURA 9 – Influência do ângulo de engate..............................................................23
FIGURA 10 – Composição das perdas nas transmissões.........................................26
FIGURA 11 – Processo de sinterização.....................................................................32
FIGURA 12 – Mecanismo de sinterização.................................................................34
FIGURA 13 – Porcentagem de utilização do material x energia requerida...............36
FIGURA 14 – Comparação da resistência de materiais e processo..........................37
FIGURA 15 – Campos de aplicação de materiais x resistência.................................37
FIGURA 16 – Elementos de FEA ..............................................................................39
FIGURA 17 – Deformação de um elemento de volume do material..........................43
FIGURA 18 – Critério de Von Mises...........................................................................45
FIGURA 19 – Comparação entre os métodos............................................................47
FIGURA 20 – Curvatura das esferas..........................................................................46
FIGURA 21 – Distribuição randômica de esferas.......................................................50
FIGURA 22 – Operações de usinagem......................................................................52
FIGURA 23 – Cunhagem limitada com punção.........................................................54
FIGURA 24 – Operações de usinagem substituídas..................................................55
FIGURA 25 – Montagem virtual para cálculo.............................................................62
FIGURA 26 – Malha do modelo..................................................................................64
FIGURA 27 – Aplicação do carregamento..................................................................65
FIGURA 28 – Ponto de apoio do cálculo....................................................................65
FIGURA 29 – Entradas e saídas de cálculo ..............................................................66
FIGURA 30 - Carta Abaqus........................................................................................67
FIGURA 31 – Modelo interno com porosidade...........................................................68
FIGURA 32 – Malha de deleção montada no modelo................................................68
FIGURA 33 – Malha de deleção inserida na malha externa......................................69
FIGURA 34 – Protótipo...............................................................................................71
FIGURA 35 – Usinagens eliminadas..........................................................................72
FIGURA 36 – Densidade pós-sinterização.................................................................72
FIGURA 37 – Densidade pós-rolagem.......................................................................73
FIGURA 38 – Exame de microscopia / Amostra sinterizada......................................74
FIGURA 38 – Trinca flanco do dente..........................................................................77
FIGURA 40 – Região foco de análise.........................................................................76
FIGURA 41 – Tensão de contato sincronizador aço 19MnCr5 T = 792 MPa.............77
FIGURA 42 – Tensão sincronizador sinterizado T = 808 MPa...................................77
FIGURA 43 – Tensão sincronizador sinterizado e porosidadeT = 865 MPa..............78
FIGURA 44 – Tensão sincronizador aço 19MnCr5 T = 1178 MPa............................79
FIGURA 45 – Tensão sincronizador sinterizado T = 1112 MPa.................................79
FIGURA 46 – Tensão sincronizador sinterizado e porosidade T = 1136 MPa...........80
FIGURA 47 – Tensão Von Mises cubo aço 19MnCr5 T = 837 MPa..........................81
FIGURA 48 – Tensão Von Mises cubo sinterizado = 879 MPa..................................81
FIGURA 49 – Tensão Von Mises cubo sinterizado e porosidade T = 889 MPa.........82
FIGURA 50 – Tensão Von Mises dente aço 19MnCr5 T = 686 MPa..........................83
FIGURA 51 – Tensão Von Mises dente aço sinterizado T = 718 MPa.......................83
FIGURA 52 – Tensão Von Mises dente sinterizado e porosidade T = 725 MPa........84
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1 – Tendência das transmissões .............................................................13
GRÁFICO 2 – Força tratativa ....................................................................................15
GRÁFICO 3 – Distância da superfície e Dureza........................................................56
GRÁFICO 4 – Limite de fadiga e tamanho dos poros................................................59
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Critérios dos parâmetros de qualidade para transmissões...................31
TABELA 2 – Características funcionais x propriedades............................................57
TABELA 3 – Propriedades dos materiais..................................................................57
TABELA 4 – Propriedades dos materiais FEA..........................................................63
TABELA 5 – Resultados FEA.....................................................................................85
LISTA DE SÍMBOLOS
φ - Campo de variável do nó
N - Função de interpolação
u - Densidade de energia de deformação
σ - Tensão uniaxial
Ɛ - Deformação
E - Modulo de elasticidade
σmed - Tensão média
v - Volume
X - Diâmetro do pescoço
ΔL - Comprimento a área de contato
L0 - Comprimento área de contato inicial
R - Raio da interface do pescoço que se forma (raio R
D - Diâmetro curvatura das esferas (diâmetro D)
P(r) - Distribuições de tamanho de partículas
r - Raio da esfera
x - Média da distribuição
σ - Desvio padrão
D - Densidade
A - Massa da amostra sem impregnação
B - Massa da amostra impregnada
C - Massa da amostra impregnada de óleo
E - Massa do volume deslocada
ρw - Densidade da água
Tcc - Tensão de contato cubo
Tcs - Tensão de contato sincronizador
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÂO........................................................................................................9 1.1 Justificava..............................................................................................................9 2 OBJETIVO.................................................................................................................10 2.1 Objetivo Geral.......................................................................................................10 2.2 Objetivos Específicos...........................................................................................10 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................................................11 3.1 Transmissão Mecânica.........................................................................................12 3.2 Sistema de Sincronização....................................................................................15 3.2.1 Comando câmbio..............................................................................................17 3.3 Funcionamento do Sistema de Sincronização.....................................................19 3.4 Luvas de Engate...................................................................................................21 3.5 Interações tribológicas do sistema.......................................................................25 3.6 Atrito nas Luvas....................................................................................................26 3.7 Desgaste..............................................................................................................27 3.7.1 Desgaste por adesão........................................................................................27 3.7.2 Desgaste por abrasão.......................................................................................28 3.7.3 Desgaste por Fadiga Superficial.......................................................................29 3.8 Parâmetros de qualidade da transmissão............................................................30 3.9 Processo de sinterização.....................................................................................31 3.9.1 Mecanismo de Sinterização..............................................................................33 3.10 Sinterização e outros processos de fabricação..................................................35 3.11 Conceito de elementos finitos ............................................................................38 3.11.1 Programa de elementos finitos........................................................................40 3.11.2 Critério de energia de distorção.......................................................................40 3.12 Conceitos para simular porosidade....................................................................45 3.12.1 Geração e distribuição das partícula...............................................................48 3.12.2 Confiabilidade do método das esferas ...........................................................50 4.METODOLOGIA.....................................................................................................51 4.1 Estudo do processo.............................................................................................51 4.2 Especificações do pó sinterizado.........................................................................55 4.3 Verificações da Porosidade e Densidade.............................................................58 4.4 Análise de elementos Finitos...............................................................................61 4.4.1 Pré-processamento...........................................................................................61 4.4.2 Domínio geométrico dimensional do sistema..................................................61 4.4.3 Tipologia de elementos utilizados.....................................................................62 4.4.4 Propriedade do material para os elementos.....................................................63 4.4.5 Malha dos elementos........................................................................................64 4.4.6 Condições de contorno física............................................................................64 4.4.7 Definição dos Carregamentos e restrições de apoio e fixação.........................64 4.5 Modelo com deleção aleatória de elementos da matriz......................................66 5. RESULTADOS E DISCUSSÔES...........................................................................71
5.1 Avaliações do protótipo........................................................................................71 5.1.2 Avaliação da densidade da peça sinterizada após a sinterização....................72 5.1.3 Avaliação da dureza da peça sinterizada..........................................................73 5.1.4 Avaliação da densidade após processo de sinterizaçao e rodagem.................73 5.1.5 Avaliação de microscopia e porcentagem de porosidade no protótipo.............73 5.1.6 Avaliação Integridade estrutural........................................................................74 5.1.7 Resultados da análise de elementos finitos......................................................75 6. CONCLUSÕES......................................................................................................87 7. PROPOSTAS DE ESTUDOS FUTUROS..............................................................88 REFERÊNCIAS..........................................................................................................89
9
1. INTRODUÇÂO
Este trabalho está inserido na área de projetos mecânicos de caixas de
transmissão aplicadas a veículos automotores e lança seu olhar sobre a
oportunidade de promover a inovação com melhoria de desempenho os
componentes empregados nas transmissões automotivas direcionando sua
investigação para as transmissões com até 21 Kgf*m de torque. O objeto de
investigação será a transmissão modelo C510 adotada nos veículos automotores da
Fiat até 1.8cc.
Os componentes utilizados nesta transmissão mantêm seus projetos originais
ao longo de vários anos de seu ciclo produtivo, assim, podem guardar oportunidades
para investigar a melhoria do sistema.
A análise dos componentes da transmissão investiga as luvas de engate e os
elementos que compõem o sistema da sincronização da transmissão e em conjunto
com as luvas realizam a função de transmitir o torque proveniente do motor.
1.1 Justificava
A indústria automobilística ao longo dos últimos anos está passando por um
processo de mudança intenso e constante, em decorrência da inovação tecnológica
em seus processos, dos investimentos em pesquisa e desenvolvimento,
intensificação da concorrência setorial, busca por novas oportunidades tecnológicas,
exigências de mercado, pressões econômicas, legislação ambiental e até questões
comportamentais impostas pela sociedade moderna que a colocam na direção
inevitável de buscar por desenvolvimentos cada vez mais sustentáveis,
ecologicamente corretos, duráveis e de baixo custo.
Mediante essas colocações, este trabalho anseia contribuir para melhorar o
projeto e processo de fabricação das luva aplicadas nos sistemas de transmissões
mecânicas veiculares. Com foco na otimização destes componentes pretende-se
gerar importante fonte de conhecimento na área de projeto de transmissões
mecânica e fomentar a busca de inovações nos seus projetos atuais de maneira que
os tornem produtos mais factíveis e alinhados com a realidade atual da indústria
automotiva mundial, assim contribuir para trabalhos futuros para esta indústria.
10
2 OBJETIVO
2.1 Objetivo Geral
Propor substituir o processo de fabricação das luvas de engate aplicadas na
transmissão mecânica C510, pelo do processo de fabricação da metalurgia do pó
também conhecido como sinterização, e desenvolver um modelo de elementos
finitos para validar esta proposta, comparando o modelo obtido entre processo atual
de manufatura e a nova proposta utilizando o material sinterizado FLN-4405-19HT.
2.2 Objetivos Específicos
Aperfeiçoar o processo de fabricação das luvas aplicadas nas transmissões
mecânicas.
Desenvolver um modelo em elementos finitos para analisar as luvas de
engate aplicadas nas transmissões mecânicas.
Avaliar o comportamento mecânico da luva fabricada pelo novo processo de
fabricação.
Comparar os resultados obtidos para o novo processo de fabricação com o
projeto atual.
Promover redução de custo na fabricação do componente, garantindo
desempenho igual ou superior ao projeto atual.
Criar base de conhecimento para estudos futuros.
11
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Crescentes exigências de eficiência ambiental, desempenho, custo e
segurança de colisão, trouxeram uma demanda maior do que nunca para
transmissões manuais, de maneira que elas possam contribuir para a melhoria do
consumo de combustível, redução de peso e tamanho mais compacto, bem como
para operacionalidade da transmissões manuais permitindo aos condutores trocar as
marchas com suavidade, rapidez e precisão conforme a necessidade operacional.
(Nemoto, 2002).
Atualmente, considera-se normal que o motor de um veículo tenha uma vida
útil aproximada de 150.000 quilômetros, enquanto há menos de 25 anos atrás, a
vida esperada era de somente 1/3 deste valor. É interessante salientar, também, que
um carro moderno contém acima de 2.000 contatos tribológicos, de modo que não é
surpreendente que a tribologia seja um assunto de importância crescente para os
engenheiros.
O sucesso e a confiabilidade da aplicação das transmissões mecânicas
veiculares requer a investigação de uma grande variedade de fenômenos que
envolvem aspectos que apresentam diferentes interesses nas diversas áreas do
conhecimento tecnológico, como o estudo de novos materiais, processos,
revestimentos, técnicas de fabricação, melhoria de desempenho, estudo da
qualidade superficial e suas relações com a tribologia, e ainda os conceitos
específicos que caracterizam aplicações destes conhecimentos como atrito,
desgastes por fadiga, adesão, abrasão, vibração, perfil das superfícies, tipo de
lubrificações utilizadas entre outros interesses como manutenabilidade e aspectos
econômicos, sendo que o significado econômico da tribologia, é tão evidente que
mereceria muitos comentários. Entretanto, como a economia obtida em casos
individuais é muito pequena, a importância da aplicação de melhorias práticas
tribológicas não é suficientemente compreendida, mas é devido à enorme
quantidade de contatos tribológicos nas máquinas uma pequena economia em cada
um destes elementos permite alcançar somas significativas para o conjunto como
um todo. Basta lembrar, que cerca da metade da energia produzida no mundo é
utilizada para vencer o atrito, o que permite deduzir que melhores projetos
tribológicos têm um significância considerável para o futuro da própria humanidade.
12
Por esse motivo, os governos das sociedades industrializadas têm dado ênfase
crescente nos aspectos econômicos da tribologia (Jost,1990).
3.1 Transmissão Mecânica
A figura 1 mostra um sistema veicular de transmissão mecânica. Este tipo de
sistema foi inicialmente conceituado em 1895 pelos irmãos Lanchester, que
lançaram o eixo de transmissão, e não muito satisfeitos lançaram ainda naquela
década, a caixa de mudança de engrenagens planetárias e a transmissão por eixo
cardam. Mais tarde, a transmissão automática era lançada nos Estados Unidos por
Sturtevant (Lechner, 1999).
Figura 1 – Transmissão mecânica
Fonte: Fiat Powertrain Technologies, 2012
Existem várias tipologias de transmissão; híbridas, automatizadas,
automáticas, CVT - transmissão continuamente variável, transmissão de energia
mecânica por meio de fluidos, embreagens hidráulicas e a transmissão mecânica.
Embora transmissão mecânica, seja um sistema adotado há anos, as tendências de
aplicação deste tipo de transmissão no mercado conforme mostrado no gráfico 1,
demonstram que a transmissão mecânica ainda será uma das tipologias de sistema
mais amplamente utilizadas nos próximos anos assumindo uma participação
considerável de 40% o mercado mundial (Roberts, 2010).
13
Gráfico 1 – Tendência das transmissões
Fonte: Roberts, 2010
A ampla participação de mercado desta tipologia de sistema de transmissão é
justificada pela boa eficiência e baixo custo do sistema de transmissão manual, mas
estes números também mostram a importância de continuar os estudos nesta área,
na direção de buscar o aprimoramento da técnica e métodos para estes sistemas
em função da crescente demanda por concorrência no mercado em que novos
modelos de transmissão estão conquistando maior participação (Roberts, 2010).
A tecnologia desenvolvida para os sistemas de transmissões implicaram em
grande avanço para os veículos e impactaram na mudança dos seus elementos
como na posição dos motores, que junto com a transmissão podem estar alojados
na parte dianteira ou traseira do veículo, ou ainda, posicionados longitudinalmente
ou transversalmente no chassi, este tipo de conceito gera a classificação entre
transmissões longitudinais e transversais, sendo este ultimo, o caso particular da
transmissão C510. Assim, quando a direção de montagem do motor estiver
posicionada transversalmente em relação ao chassi não é necessária nenhuma
alteração na direção do movimento, pois os eixos do motor e da transmissão estão
paralelos aos eixos das rodas. Entretanto, se o motor estiver montado
longitudinalmente, será necessário o uso de um diferencial que fará o desvio na
direção num ângulo de 90°. Essas alterações foram motivadas pelas competições
automobilísticas, que de fato contribuíram para o progresso e para a história dos
veículos, sobretudo no que se refere às transmissões, ou mais especificamente à
embreagem, câmbio e diferencial (Lechner, 1999).
14
A transmissão mecânica ou caixa de câmbio, é um conjunto de dispositivos,
componentes, engrenagens, eixos, sincronizadores, hastes, garfos, luvas de engate,
molas, arruelas, parafusos, vedações e juntas, graxas, óleo lubrificante, carcaças e
rolamentos utilizados para transmitir a força produzida no motor às rodas motrizes,
essa força permite que o veículo supere as forças contrárias como peso, gravidade,
e atrito (Figura 2) e entre em veiculo movimento.
Figura 2 – Forças de resistência ao movimento veicular
Fonte: Elaborada pelo autor
O movimento de rotação da árvore comando de manivelas (virabrequim) do
motor, provocado pelo conjunto biela e pistão, é transmitido às rodas por órgãos
mecânicos que compõem o sistema de transmissão. O sistema de transmissão
ainda é composto pela embreagem, caixa de marchas, diferencial, semiárvores,
homocinéticas e rodas. Esses componentes estão ligados e possuem
interdependência de funcionamento e impõem às rodas a potência do motor
transformada em energia mecânica (Priwitzer, 1982).
A transmissão permite através da troca de relações entre os conjuntos de
engrenagens um ajuste do torque proveniente do motor, adequando o torque à
necessidade para operar nas diferentes condições de torque, velocidade, consumo,
e rendimento conforme a demanda do veículo.
O gráfico 2 mostra o impacto com a seleção de diferentes relações de marcha
para a operação do veículo utilizando um câmbio de 5 marchas. As curvas indicam
que alteração na rotação e velocidade do veículo oriundas das trocas da relação de
marcha resulta na alteração da curva de força do sistema em relação ao rendimento,
representado pelas curvas de força tratativa em negrito. Esta variação é percebida
pelo condutor do veículo conforme a situação de operação do veículo no momento
da exigência da trocar de marcha e impacta também na relação de consumo de
combustível do veiculo.
15
Gráfico 2 – Força tratativa
Fonte: Automotive Transmissions – Gisbert Lechner e Harald Naunheimer, 1999
Em resumo quando um veículo está em movimento às resistências que
opõem a este movimento são as mais variadas. O veículo está sob a resistência do
ar, do solo, do atrito dos pneus, e ainda, da inércia do veículo e devido há estes
fatores, o torque fornecido pelo motor deve variar de acordo com essas resistências
e esta variação deve ser produzida de maneira eficaz pela transmissão.
3.2 Sistema de Sincronização
Como explicado no tópico anterior pode-se ilustrar que a função primária da
transmissão mecânica é transferir o torque proveniente da árvore motriz em
quantidade suficiente para superar as forças de resistência que se opõem para
colocar um veículo em movimento. Para isso, o sistema de transmissão deve
possuir, geralmente, cinco ou seis relações de composições de engrenagens que
possibilitam variar o troque fornecido ao veiculo de acordo com a necessidade da
aplicação ou condutor. Essas relações são obtidas através da seleção feita pelo
condutor com uso do comando câmbio que após seu acionamento aciona o
mecanismo mecânico de engate e posteriormente ocorre a execução do engate
pelos componentes do sistema sincronização.
O sistema de sincronização figura 3, pode-se dizer que é o dispositivo mais
importante, ou que merece atenção especial. O sistema de sincronização é um
16
dispositivo que possibilita realizar a troca de marchas e o acoplamento sem trancos
das engrenagens das árvores primária e secundária, engatando-as ao eixo da
transmissão, assim desempenha um importante papel na interface entre o motorista
e o veículo. Sendo este sistema o elemento principal na percepção do uso da
transmissão impactando diretamente na sensação “fun-to-drive” sentida pelo
motorista durante a troca de marcha na operação dos veículos (Goto, 1988).
Figura 3 – Sistema de sincronização
Fonte: Fiat Powertrain Technologies, 2012
O sistema é composto de um cubo conectado no eixo de transmissão através
de estrias projetadas para proporcionar rigidez neste acoplamento, uma luva de
engate que tem um movimento de deslocamento axial sobre o cubo, um dispositivo
com mola para prover o posicionamento do sincronizador, uma engrenagem de
transmissão, um cone de fricção rigidamente conectado a engrenagem e por último
o sincronizador, amplamente aplicado nas transmissões manuais que tem como
função garantir um engate seguro, suave e um bom comportamento durante a
fricção que ele realiza para equalizar as velocidades angulares no momento
fracionário de segundo em que o sistema troca de marchas realizando assim o
engate das engrenagens (Priwitzer, 1982). Os detalhes dos componentes do sistema
de sincronização podem ser vistos na figura 4.
17
Figura 4 – Elementos do sistema de sincronização
Fonte: Fiat Powertrain Technologies, 2012
A luva de engate, componente de interesse deste estudo, a partir de agora
será denominada somente como luva, tem a função de promover junto com o anel
sincronizador a troca das marchas transmitindo ao cubo que está conectado à
árvore secundária através de estrias a rotação da relação de marcha que foi
selecionada. É por isso, que a árvore de transmissão e os demais componentes
giram com a mesma rotação da engrenagem que foi selecionada, e como ponto de
característica importante este processo da troca de marcha tem que acontecer de
forma a proporcionar um engrenamento suave do sistema (Priwitzer, 1982).
O sistema de troca de marchas inclui além do sistema de sincronização
composto pelos componentes: garfos e hastes que interagem com a luva
transmitindo a força necessária para o engate que é oriundo do sistema de seleção
de marcha feito pelo comando câmbio operado pelo condutor do veículo.
A troca de marcha nas transmissões manuais é realizada pelo sincronismo da
rotação do eixo primário que é conectado ao motor do veiculo com multiplicado pela
relação da engrenagens montadas no eixo secundário da transmissão que são
selecionadas pelo motorista e então acopladas ao eixo primário, fazendo o sistema
girar em com rotação definida pela relação do par de engrenagens selecionado.
Uma boa qualidade da troca de marcha é importante, pois este fator impacta
diretamente no desempenho do veiculo e na sensação do motorista ao dirigir
(Priwitzer, 1982).
3.2.1 Comando câmbio
O comando câmbio representado na figura 5, é o dispositivo responsável pela
seleção da marcha que é feita pelo condutor do veiculo. O comando câmbio mais
comumente empregado é concebido com acionamento por cabos, embora existam
outras concepções com tirante e eletrônico para transmissões automatizadas.
18
Este sistema é o elemento que faz a interface entre o motorista e a
transmissão do veículo, possibilitando ao motorista selecionar a marcha conforme há
necessidade da operação do veículo e através deste movimento de seleção é
gerada a força necessária que é transmitida pelo mecanismo para o acionamento do
sistema de sincronização, e como resultado inicia-se o processo de engate de
marcha na transmissão através da relação de engrenagem selecionada. Este
sistema é normalmente aplicado aos veículos de câmbios manuais.
A percepção do usuário da sensação de conforto, segurança e precisarão na
qualidade do engate ao conduzir um veiculo é também passada pelo sistema de
comando câmbio. Este elemento é um dispositivo com função de grande importância
para os parâmetros subjetivos da avaliação da qualidade de uma transmissão,
devido à interface direta que ele tem com o usuário do veiculo, que permite ao
usuário ter a percepção do desempenho da troca marcha nas diversas situações de
operação do veiculo. Sendo que este componente do tipo por cabos e tirante é
utilizado exclusivamente para as transmissões mecânicas. Entender o seu conceito
e funcionamento como elemento de interface primordial e importante para o estudo
no entendimento do impacto do seu funcionamento para o sistema de sincronização
durante o processo da troca de marchas de uma transmissão.
Figura 5 – Comando câmbio
Fonte: Fiat Powertrain Technologies, 2012
O comando câmbio é composto de uma alavanca seletora que permite
movimentos transversais e longitudinais, esta alavanca é conectada com duas
alavancas menores que transferem a solicitação feita pelo usuário a dois cabos de
seleção e engate que através de terminais conectam-se a transmissão, através
destes mecanismos a marcha escolhida pelo condutor é informada ao sistema de
engate e sincronização. Por isto, este sistema é bastante estratégico e têm dois
19
motivos de avaliação subjetiva singulares: faz a interface direta com o usuário e
auxilia na característica de esportividade do veículo. Um engate de marchas
inadequado pode gerar insatisfação no condutor ou lhe dar a sensação de que algo
não está funcionando adequadamente. São por estes motivos que as montadoras
estão melhorando seus sistemas de troca de marcha e frente a isto o mercado se
torna mais competitivo e a engenharia de desenvolvimento recebe desafios cada vez
maiores.
3.3 Funcionamento do sistema de sincronização
O desempenho das caixas de transmissão irá melhorar no futuro, fator este,
que demandará maior solicitação do sistema de sincronização, especialmente
relativo ao desempenho de sincronização e conforto de engate. Para atingir estes
parâmetros, um bom comportamento do sistema de sincronização é necessário.
(Perponcher, 2009).
O sistema de sincronização aparenta ter um funcionamento simples, mas
longe disto o sistema apresenta um funcionamento minucioso que demanda uma
explicação mais detalhada para o melhor entendimento do funcionamento do
sistema. Lechner, 1999 propõem dividir o funcionamento do sistema de
sincronização em fases conforme indicado na figura 6, para melhor entendimento da
interação do sistema.
Os componentes mostrados na figura 6 são;
2 – Cone de fricção;
3 – Anel sincronizador;
4 – Cubo;
5 – Mola de pré-sincronização; (Dispositiva mola)
6 – Esfera/Pino de pré-sincronização; (Dispositivo mola)
7 – Sapata de pré-sincronização; (Dispositivo mola)
8 – Luva de engate.
Fase I. Pré Sincronização – A seleção de marcha feita pelo motorista pelo
comando do câmbio aplica uma força ao sistema de engate que através do
garfo de seleção de marcha e haste de seleção transfere a força para a luva
de engate que irá se deslocar empurrando com ela a esfera, a sapata e
consequentemente o sincronizador que ao ser deslocado removerá a película
de óleo do cone e começará a gerar torque devido a força de atrito, porém,
este torque varia conforme o projeto da mola de pré-sincronização e do perfil
de apoio na luva.
20
Fase II. Sincronização – Após a fase de pré-sincronização os dentes da luva
iniciam o engate com os dentes do anel sincronizador através de um chanfro
denominado ângulo de engate ao fim desde acoplamento toda a força
implicada pelo motorista através do sistema de comando câmbio é transferida
para o anel sincronizador, atingindo o ponto máximo do atrito e
consequentemente seu torque. Neste momento o ocorre alteração da
velocidade do eixo primário para sincronismo com a velocidade da luva.
Figura 6 – Fases da sincronização
Fonte: Automotive Transmissions – Gisbert Lechner e Harald Naunheimer – 1999
21
Fase III. Estabelecida à sincronização para que a luva continue seu
movimento de translação é necessário girar o anel sincronizado em conjunto
com o eixo primário para que seja liberado o estriado e o movimento
necessário para dar sequência ao engate da marcha.
Fase IV. A luva se desloca até tocar a coroinha e novamente com o ângulo de
engate provocará um giro do eixo primário para continuar permitindo seu
deslocamento até o batente final.
Fase V. A luva se desloca até o batente e neste ponto os dentes da luva estão
acoplados aos dentes da coroinha, permitindo assim a transferência de torque
do motor para o eixo secundário através da relação de marcha escolhida.
Os componentes utilizados no sistema de sincronização dependem entre si
para realizarem a interrupção do fluxo de força de forma suave e precisa durante o
engate e desengate de marchas no sistema de transmissão, o esforço para
sincronização na mudança de marcha tem crescido nos últimos anos devido a vários
fatores. Um destes fatores é a tendência ao aumento do torque proveniente do
motor e aumento da rotação do motor, que requer o uso de componentes mais
resistentes e consequentemente com maior esforço na troca da marcha e aumento
dos efeitos adversos para manobrabilidade da transmissão. Quando acionados os
comandos devem proporcionar mudanças de marchas suaves e seguras, sem
permitir que as marchas escapem.
3.4 Luvas de Engate
As luvas de engate (Figura 7) são os componentes que estão alocados entre
as engrenagens de velocidades e os garfos sendo normalmente um tipo de luva
para cada par de seleções de marcha; uma luva de 1ª e 2ª marcha, uma luva de 2ª e
3ª marcha e uma luva para 5ª marcha caso particular deste estudo de um cambio de
5 marchas.
22
Figura 7 – Luva de engate de 5 marcha
Fonte: Fiat Powertrain Technologies, 2012
A luva trabalha no grupo do sincronizador e executa o movimento (Figura 8)
de engate para uma seleção de marcha e tem como função realizar o engate das
marchas de maneira suave e segura e não deve apresentar deformações ou
desgastes. Os garfos são os componentes que transmitem para a luva a força de
engate e os garfos e suas hastes devem deslizar livremente sem folgas excessivas
em suas sedes, os garfos são construídos em ferro fundido com as pontas, que
funcionam acopladas nas luvas, revestidas com uma fina camada de cobre e
alumínio ou material antiatrito como a Poliamida PA6.6, que evitam o desgaste
excessivo das luvas durante a operação.
Figura 8 – Funcionamento da luva
Fonte: Acessado em How Stuff’s works, 2012
23
As luvas empregadas no sistema de transmissão C510 de 18 Kgf*m de
torque, aplicados nos veículos FIAT são confeccionadas de aço ao manganês e
cromo 19MNCR5 e recebem um tratamento térmico de carbonitretação, entende-se
por carbonitretação; tratamento termoquímico também chamado de “cianetação à
gás ou nitrocarbonetação que consiste em submeter o aço a uma temperatura
elevada normalmente acima da temperatura de transformação, numa atmosfera
gasosa para fornecer carbono e nitrogênio simultaneamente (Chiaverini, 2005),
promovendo assim o enriquecimento superficial das peças, visando obter superfícies
extremamente duras e um núcleo tenaz, aliados a outras propriedades mecânicas
como resistência à fadiga, resistência ao desgaste e resistência à torção.
As luvas têm papel importante para os critérios de avaliação experimental e
subjetivos para o estudo do desempenho da transmissão em questão. Segundo
Murata, et al. 1989, a força de acoplamento tem relação direta com o ângulo de
engate da luva como é mostrado na figura 9, à influência do ângulo do perfil do
dente da luva no engate. Esta característica tem um impacto peculiar no projeto
devido a agir sobre a força de engate e assim influenciar na vida útil do componente,
existem dois caminhos que podem ser trabalhados para reduzir a carga que atua no
acoplamento das luvas com o sincronizador. O primeiro é reduzir o angulo de engate
α, e outro, é reduzir a resistência à fricção da superfície do dente (Murata, et al.
1989).
Figura 9 – Influência do ângulo de engate
Fonte: Murata, et al. 1989
Como observado no gráfico 3, a influência do atrito pela melhoria do
acabamento superficial na superfície de engate pode ser reduzida e gerar um
24
impacto menor sobre a carga necessária para o deslizamento no movimento de
engate da luva e a força de engate.
No gráfico 3, são comparadas duas luvas com superfícies de características
dimensionais iguais e acabamentos superficiais diferentes, atuando com um mesmo
sistema de sincronização durante o engate de marcha, é medida a força de engate
durante o deslocamento sobre a superfície no movimento de engate. Os dados
coletados da força atuando no dente em função do deslocamento do movimento de
engate mostram que a superfície com acabamento superficial superior, tem uma
redução efetiva do nível da força e uma estabilização do nível de dissipação da
energia de fricção que reflete na redução da carga de maneira mais continua
durante o acoplamento da luva com o sincronizador, na superfície com tratamento
em relação à superfície sem aplicação do tratamento (Murata, et al. 1989).
Esta análise experimental mostra a tendência de que uma superfície melhor
acabada pode ter um desempenho superior obviamente, mas também indica uma
observação importante para melhor entendimento dos parâmetros de funcionamento
do sistema.
Gráfico 3 – Tratamento superficial na luva X Carga de deslizamento
Fonte: Murata, et al. 1989
25
3.5 Interações tribológicas do sistema
A perda de carga nas transmissões depende da transmissão de carga,
coeficiente de atrito e a velocidade de deslizamento entre as áreas de contato dos
componentes da transmissão.
Para as aplicações automotivas, a melhoria continua dos sistemas está
presente e deve ser pensada em todas as áreas de operação e para todos os
componentes que exigem o mínimo de consumo de energia. A futura escassez de
energia não somente com a exploração de fontes de energia renovável, mas
também com a redução do consumo de energia em todos os seguimentos técnicos
(Winkelmann, 2007).
A redução de peso nos componentes e controle térmico são abordagens
possíveis, assim como a aplicação de sistemas híbridos e informatizados para
gerenciamento das interações dos sistemas automotivos e a redução do atrito entre
os componentes.
O atrito e gravidade são as duas forças com as quais os engenheiros se
deparam com mais frequência ao longo do desenvolvimento de projetos mecânicos,
contudo, essas forças da natureza ainda são pouco compreendidas como vem
sendo mostrado ao longo dos últimos séculos pelos esforços combinados de
engenheiros, cientistas e pesquisadores que têm fracassado em responder questões
a respeito das suas origens e natureza. Tal como, o fogo ou a energia nuclear, o
atrito é extremamente útil e importante em algumas circunstâncias e exerce uma
função vital em freios, embreagens, acoplamentos como na atuação das luvas e nas
propriedades antiderrapantes dos pneus.
Os sistemas de transmissões assim como qualquer máquina ou sistema de
engenharia mecânica, têm milhares de contatos e que são constantemente
submetidos a esforços e solicitações entre suas conexões durante o funcionamento
que geram grande quantidade de perda de energia por atrito ao executarem o
funcionamento previsto no projeto, como nas transmissões existem perdas devido a
estes contatos.
A figura 10, mostra a composição da perda por atrito nos sistemas de
transmissão, e esta composição, é dividida em grupos de componentes:
Engrenagens, rolamentos, cubos, luvas e componentes auxiliares, sendo que as
luvas estão alocadas no grupo das engrenagens devido ao seu perfil de engate.
As luvas possuem perdas que são dependentes da carga do sistema de
transmissão, força de engate, coeficiente de atrito, velocidade de deslizamento e
torque do motor e sofre também perdas não relacionadas à carga, como;
viscosidade do lubrificante, tamanho, peso do componente, tipologia de projeto e
parâmetros do processo de montagem (Klaus, 2009).
26
Figura 10 – Composição das perdas nas transmissões
Fonte: Klaus, 2009
A velocidade de deslizamento, carga do sistema e coeficiente de atrito são
parâmetros determinantes atuando na região de contato. Então, modificações na
geometria da região podem ser pensadas para alterar o acabamento da superfície e
diminuir e o comprimento da região de contato e também, reduzir consideravelmente
a pressão no contato simultaneamente. No caso do estudo das luvas o atrito tem
papel fundamental para definição do projeto deste componente, uma vez que é um
componente sobre constante solicitação mecânica de fadiga e contato, e o esforço
requerido para executar a troca de marcha é um dos critérios que afetam a
manobrabilidade do câmbio, que é o parâmetro que define a qualidade da troca de
marcha. Os desafios são, entretanto; a redução da perda de energética por atrito
com menor impacto para a capacidade de transferência de carga do sistema, ou
seja, a resistência e rigidez do componente (Magalhães, 2009). Objetivando também
a redução de tamanho, peso e menor geração de ruído, adequando estes
compromissos com a proposta do projeto. Entretanto, para compreender melhor
esses efeitos e os resultados destas interações no estudo é importante entender e
definir os conceitos de atrito e desgaste.
3.6 Atrito nas Luvas
Um dos maiores geradores de desperdício de energia é o atrito e a busca
para minimizar seus feitos deve ser pensada em todos os aspectos deste projeto.
27
O atrito em várias situações é altamente indesejável, devido à energia que se
consome em um sistema qualquer para superar as resistências provenientes do
atrito. O estudo da tribologia está concentrado no sentido de minimizar seus efeitos.
Para definirmos o atrito podemos tomar por base a mais elementar das
situações de movimento, ou seja, dois corpos deslizando um sobre o outro, neste
sistema a resistência ao movimento é chamada de atrito. Isto pode ser ilustrado por
um experimento simples, se colocarmos um corpo sólido sobre uma superfície, a
este corpo fixarmos de forma rígida uma escala de mola e imprimirmos uma força F,
podemos obter um registro da variação da força com o movimento.
A partir deste conceito descobrimos que as interações de atrito nas luvas
acontecem nas regiões onde existe área de contato real com os componentes do
sistema como os garfos, cubos e anéis sincronizadores. Estas áreas de contato
reais ocorrem quando colocamos duas superfícies em contato, e somente algumas
regiões na sua superfície estarão em contato, ao passo que outras estarão
afastadas. Estas regiões são denominadas de junções, e as somas das áreas
destas junções constituem a área real de contato, quando em contato nestas regiões
pode-se visualizar os principais pontos de desgastes nas luvas (Arnell, 1993).
3.7 Desgaste
De forma geral, o desgaste também pode ser definido como uma mudança
das dimensões indesejável e cumulativa de um componente ocasionada pela
remoção gradual de partículas discretas da superfície em contato devido ao
movimento relativo entre si provocado pelas ações mecânicas. Segundo a
Organização para Cooperação Econômica e Desenvolvimento da ONU, o desgaste
pode ser definido como sendo um dano progressivo que envolve a perda de
material, perda que ocorre na superfície de um componente como resultado de um
movimento relativo entre um componente adjacente. Na maioria das aplicações
práticas quando ocorre o movimento relativo entre duas superfícies sólidas, este
movimento ocorre na presença de lubrificantes.
A corrosão também interage com o processo de desgaste modificando as
características das superfícies que sofrem ação de desgaste, através da reação com
o meio ambiente.
Dentro as definições para os tipos de desgaste existentes, foram levantados
durante a análise das áreas em contato da luva as condições de operação e
interação com os demais competentes do sistema em estudo quais são as
interações de desgaste que estão sujeitas as luvas, sendo estas principalmente o
desgaste por adesão, abrasão e fadiga superficial (Hallling,1983).
28
3.7.1 Desgaste por Adesão
O desgaste por adesão é a mais comum forma de desgaste encontrada,
sendo que sua teoria tem as mesmas bases da teoria do atrito por adesão, e
apresentam um longo histórico de pesquisa. Segundo a teoria do atrito por adesão,
as peças das superfícies em contato por choque ou movimento podem ter
aquecimento devido à repetição deste ciclo de contato entre as superfícies formando
pontos de soldagem por caldeamento entre alguns pontos de contato nos picos das
superfícies, estas soldagens sofrem rompimento para permitir a continuidade do
escorregamento, e este rompimento gera asperezas soldadas que provoca um dano
severo na superfície sob este efeito, em geral sob a forma de crateras visíveis
(macroscópicas). Este tipo de desgaste pode ser um problema quando se têm dois
materiais de mesma natureza em contato, como por exemplo aços e suas ligas, ou
quando ocorre uma lubrificação deficiente, altas temperaturas de trabalho ou
velocidades de escorregamento elevadas (Arnell, 1993).
O desgaste por adesão é muitas vezes caracterizado como a subcategoria
básica ou fundamental de desgaste já que ocorre, em determinado grau, sempre em
que duas superfícies sólidas atritam e mantêm-se ativo mesmo quando todos os
outros modos de desgaste foram eliminados. O fenômeno do desgaste por adesão
pode ser compreendido se for considerado que toda superfície real, não importa
quão cuidadosamente tenha sido preparada e polida, apresenta uma ondulação
sobre a qual é superposta uma distribuição de protuberâncias ou asperezas. Assim,
mesmo sob cargas aplicadas muito pequenas, as pressões locais nos pontos de
contato são suficientemente elevadas para exceder a tensão de escoamento e
ocasionar o desgaste (Arnell, 1993).
3.7.2 Desgaste por abrasão
O Desgaste por abrasão de uma ou ambas as superfícies em contato
acontece com uma plastificação local da superfície.
Esta é a forma de desgaste que ocorre quando uma superfície rugosa e dura,
ou uma superfície mole contendo partículas duras, desliza sobre uma superfície
mais mole e risca a mesma com uma série de ranhuras nesta superfície. No caso
das luvas, este fenômeno pode ocorrer no deslizamento do anel sincronizador que é
feito de liga de cobre e a luva. O material das ranhuras é deslocado na forma de
partículas de desgaste, geralmente soltas (Arnell, 1993).
O desgaste abrasivo pode ocorrer, também, em uma situação diferente,
quando partículas duras e abrasivas são introduzidas entre as superfícies
29
deslizantes, desgastando-as. O mecanismo desta forma de abrasão acontece da
seguinte maneira: um grão abrasivo adere temporariamente em uma das superfícies
deslizantes, ou o mesmo é incrustado nela e risca uma ranhura na outra. As duas
formas de desgaste, uma envolvendo uma superfície dura e rugosa e a outra um
grão duro e abrasivo, são conhecidas como processo de desgaste abrasivo de dois
corpos e processo de desgaste abrasivo de três corpos, respectivamente.
O desgaste abrasivo do tipo dois corpos não ocorre quando a superfície dura
deslizante é lisa. O desgaste abrasivo do tipo três corpos não ocorre quando as
partículas no sistema são pequenas, ou quando são mais moles que os materiais
deslizantes. Portanto, é possível conseguir que um sistema que seja inicialmente
livre de desgaste abrasivo. Quando o deslizante inicia o desgaste abrasivo este caso
pode-se tornar um problema, porque os fragmentos de desgaste provenientes de
outros processos de desgaste, frequentemente endurecidos por oxidação, começam
a acumular no sistema. Em outros casos as partículas contaminantes podem ser
introduzidas no sistema deslizante, provenientes do meio ambiente (Arnell, 1993).
O desgaste abrasivo também pode ser um efeito desejável quando utilizado
em operações de acabamento (Arnell, 1993).
3.7.3 Desgaste por Fadiga Superficial
Quando duas superfícies atuam em contato com rolamento, o fenômeno de
desgaste é diferente do desgaste que ocorre entre superfícies que escorregam. Em
superfícies em contato com rolamento surgem tensões de contato, as quais
produzem tensões de cisalhamento cujo valor máximo ocorre logo abaixo da
superfície. Com o movimento de rolamento, a zona de contato desloca-se, de modo
que a tensão de cisalhamento varia de zero a um valor máximo e volta à zero,
produzindo tensões cíclicas que podem levar a uma falha por fadiga do material.
Abaixo da superfície pode se formar uma trinca que se propaga devido ao
carregamento cíclico podendo chegar à superfície lascando-a e fazendo surgir uma
partícula superficial macroscópica correspondente a formação de uma cavidade
(também conhecido como piting). Essa ação, chamada de desgaste por fadiga
superficial, é um modo comum de falha em mancais de rolamento, dentes de
engrenagens, eixo cames e em partes de máquinas que envolvem superfícies em
contato com rolamento (Arnell, 1993).
30
3.8 Parâmetros de qualidade da transmissão
No desenvolvimento da uma transmissão e seus componentes é necessário
esclarecer e identificar os critérios ou parâmetros de desempenho que são utilizados
para uma avaliação da qualidade da manobrabilidade da transmissão e que
eventualmente podem ser aprimorados para atingir um melhor desempenho do
sistema.
O melhor entendimento dos parâmetros necessários para avaliar a qualidade
de uma transmissão e como foram escolhidos estes parâmetros, assume um papel
importante no competitivo mercado automotivo competitivo Uma vez que, muitos
destes parâmetros são subjetivos e estão diretamente ligados a sensação que o
motorista ou condutor do veiculo tem durante a operação, e não somente aos
parâmetro quantitativos que poderiam ser coletados mediante a avaliação
experimental. Estes parâmetros variam desde a sensação ao toque no comando
câmbio, esforço, vibração excessiva proveniente da fase de sincronização, ou até
mesmo, um ruído mais acentuado além do que regularmente é sentido pelo condutor
do veiculo (Brancati, 2006).
Identificar os critérios de desempenho que podem melhorar o engate e a
manobrabilidade como: esforço de engate, velocidade de engate, suavidade,
facilidade de engate, precisão de engate, qualidade de engate e confiabilidade
facilita a avaliação da qualidade.
Esforço de Engate: Força imposta ao comando câmbio pelo motorista e sua
resultante através da multiplicação do sistema de alavanca e dinâmica do
comando de troca;
Velocidade de engate: Tempo entre a solicitação da troca e a troca de
marcha;
Suavidade: A sensação de engate livre de dificuldades percebida pelo
motorista na troca de marcha;
Precisão de engate: Engate preciso sem dificuldade;
Qualidade do engate: Medido de maneira subjetiva pela suavidade e
precisão;
Confiabilidade: Durabilidade do sistema de transmissão.
Uma avaliação mais aprofundada dos critérios para escolha destes
parâmetros facilita muito o entendimento destes elementos e sua importância no
julgamento. Uma análise dos critérios foi proposta dividindo os mesmos em
categorias, detalhando a descrição dos elementos que são levados em consideração
para seleção destes parâmetros e os índices quantitativos que podem ser utilizados
para uma avaliação subjetiva conforme descrito na tabela 1:
31
Tabela 1 – Critérios de dos parâmetros de qualidade para transmissões
Fonte: Elaborado pelo autor
3.9 Processo de sinterização
O uso da metalurgia do pó ou sinterização (Figura 11), em larga escala teve
início na virada do século passado com a produção industrial de metais de alto ponto
de fusão como o tungstênio e o molibdênio, para os quais não existiam
equipamentos de fundição apropriados. A partir da década de 60 a metalurgia do pó
passou a apresentar um grande crescimento, com inovações importantes nos pós-
utilizados, mais compressíveis e com novas ligas. Também o desenvolvimento de
aços rápidos sinterizados com desempenho superior aos convencionais, evolução
nos métodos de fabricação e aperfeiçoamento de processo e novos materiais com
base em alumínio e titânio, além de superligas e agora com a nano tecnologia.
32
A sinterização hoje é um processo de manufatura de componentes
cosolidado, maduro e considerado avançado, econômico e ecológico.
A tecnologia da sinterização como método de fabricação de componentes
automotivos, atingiu alto grau de desenvolvimento tecnológico nos últimos 10 anos e
tornou-se um dos processos mais competitivos para produção de peças com formas
complexas com peso até 1 kg e volumes preferencialmente acima de 10.000
peças/mês (Pallini, 2006).
Figura 11 – Processo de Sinterização
Fonte: Jiangsutech.com
Aços baixa liga sinterizados são largamente conhecidos como solução efetiva
de custo para componentes estruturais de alto volume na indústria automobilística,
eletrodomésticos, equipamentos de agricultura e construção e a indústria de
ferramentaria.
A eficiência relativa o parâmetro de custo das ligas sinterizadas contra outros
processos de fabricação para componentes estruturais, tornam as ligas sinterizadas
uma boa opção para novos desenvolvimentos com efetiva redução de custo.
33
A crescente utilização de densidades mais elevadas devido ao uso de novas
técnicas de compactação, aumento de dureza, sinterização às altas temperaturas e
adoção de tratamentos térmicos secundários, são parâmetros que combinados
representam terreno fértil para utilizar estes fatores para aumentar a desempenho do
material (Senad, 2011).
Do ponto de vista físico e químico, definiu-se sinterização como o processo
pelo qual agregados de pós-compactados ou não, são transformados em corpos
sólidos por mecanismos de transporte atômico difusionais às temperaturas abaixo
do ponto de fusão do constituinte principal. Durante o processo ocorre a redução de
energia livre do sistema através da diminuição da superfície especifica do material.
Resulta daí a formação de contornos de grãos e crescimento de junções entre as
partículas, levando o sistema à densificação e consequentemente a contração
volumétrica (Grupo Setorial de Metalurgia do Pó, 2009).
Normalmente a temperatura especificada de sinterização é da ordem de 2/3 a
3/4 da temperatura de fusão da liga considerada. No caso do aço a temperatura de
sinterização varia de 1425 a 1480ºC.
A sinterização é um objeto de estudos de inúmeros trabalhos científicos,
porém a comunidade científica ainda não definiu uma teoria universalmente aceita
para explicar o mecanismo de sinterização, pois este mecanismo depende de
inúmeras características físicas do material e das condições de processo revelando
particularidades para cada configuração de parâmetros. No entanto, com o
conhecimento atual pode-se distinguir estágios em que ocorrem durante o processo
de sinterização; soldagem inicial das partículas, crescimento de junções e
diminuição da área superficial, arredondamento dos poros, fechamento dos canais
que interligam os poros, contração dos poros, densificação e coalescimento e
crescimento dos poros.
3.9.1 Mecanismo de Sinterização
Na fase inicial as ligações se desenvolvem pela difusão atômica entre grãos
adjacentes, formando-se as regiões de junções, sem variação dimensional e elevado
grau de coesão. Com a elevação da temperatura, aumentam as superfícies de
ligação observando-se o crescimento das junções. Posteriormente, inicia-se a etapa
de fechamento dos poros intercomunicantes e simultaneamente o arredondamento
dos poros, provocando deformações que podem ser de contração ou expansão da
peça. Este estágio é particularmente importante na fabricação dos materiais, cuja
estrutura deve ter porosidade aberta e controlada.
Com o aumento da temperatura, ocorre a contração dos poros acompanhada
da diminuição do volume da peça e modificações nas propriedades mecânicas. Este
34
estágio praticamente determina as propriedades do material sinterizado. Finalmente,
no último estágio da sinterização ocorrerá o coalescimento e crescimento dos poros
remanescentes. Este estágio consiste na contração e eliminação dos poros menores
e dispersos e no crescimento de poros maiores, contribuindo para a redução de
energia livre do sistema. Durante o estágio intermediário e final da sinterização,
ocorre o crescimento de grãos do material (figura 12).
Figura 12 - Mecanismo de Sinterização
Fonte: Elaborado pelo autor
O processo de sinterização é basicamente definido pelo rigoroso controle das
variáveis que podem afetar a formação da liga, sendo que as variáveis principais do
processo são temperatura e o tempo. A temperatura tem influência direta no grau de
ligação das partículas que são altamente sensíveis a pequenos aumentos da
temperatura de sinterização. O tempo de sinterização é outra variável importante,
pois, a sua variação aumenta o grau de ligação do material pela influência na
quantidade de material difundido.
A atmosfera do forno de sinterização é uma variável importante, pois sua
função é proteger a peça verde da sinterização da ação do oxigênio e também
influenciar na transferência de calor, portanto, impactando na taxa de aquecimento e
resfriamento e uniformizando a temperatura nas diferentes regiões do forno. A
atmosfera de sinterização é um parâmetro que atua como agente de controle das
reações químicas do processo. No estudo de aplicações mais recentes, verificou-se
também a capacidade de atuar nas propriedades mecânicas superficiais e micro
superficiais do material através deste parâmetro.
O tamanho das partículas de pó metálicas utilizadas no compactado é um
parâmetro que impacta na quantidade de material transportado durante a difusão
entre as áreas de contato das partículas na sinterização, influenciando na distância
de difusão sobre a qual os átomos devem se movimentar durante a transformação. A
35
característica do pó e a porosidade influenciam na taxa de difusão, enquanto menor
a quantidade de poros, maior o grau de ligação da liga assim impactando
diretamente na resistência mecânica do material.
A sinterização é um processo relativamente simples que, no entanto exige
controle rigoroso das variáveis que podem afetar a formação da liga como a
temperatura, que pode afetar o grau de ligação da liga, como o tempo que determina
a quantidade de material difundido e atmosfera do forno que protege o material da
ação do oxigênio e pode funcionar com agente atuante na composição química da
liga por adoção ou remoção de componentes como carbono e nitrogênio. (Grupo
Setorial de Metalurgia do Pó, 2009).
A sinterização tem a inerente capacidade de reduzir peso e inércia das
engrenagens e de consequência reduzir a massa e perda por atrito.
A abordagem que este estudo toma pelo processo sinterização revela-se
como um processo com características e potencial para substituição do processo de
forjaria e usinagem, por quê é um processo capaz de produzir peças com a
geometria próxima da final, permitindo estudar a possibilidade de reduzir as
operações de usinagem posteriores.
Adotando a sinterização é possível analisar os aspectos tribológicos que
poderão ser otimizados no projeto do componente, uma vez que os produtos
sinterizados possuem bom acabamento superficial, sendo assim, é possível reduzir
a resistência de atrito no processo usinagem e consequentemente reduzir o
consumo do ferramental de usinagem (Floding, 2012).
3.10 Sinterização e outros processo de fabricação
Os aços sinterizados são largamente conhecidos pelo seu baixo custo e
vantagens econômicas, quando utilizados para soluções de alto volume de produção
frente a outros processos de fabricação.
O crescimento do uso dos processos de sinterização é largamente atribuído à
redução de custo associado como um processo eficiente comparado com outros
processos de fabricação, como a fundição e a forjaria. Em alguns casos as
conversões de processo de produtos forjados e fundidos em produtos sinterizados
rendem de 30 a 40% de redução no custo final e os produtos gerados pelo processo
de sinterização tem um vantagem competitiva devido ao aproveitamento de até 97%
da matéria prima inicialmente empregada (Mosca, 1999).
Os processos de fabricação convencionais geralmente envolvem operações
de preparação e acabamento para obter o produto final, como por exemplo
operações de usinagem, que podem muitas vezes ser substituídas pela sinterização.
36
Dentre outras vantagens consegue-se a redução de significativos espaços físicos
para estoque de matéria prima que em processos de usinagem, forjaria ou fundição
demandam mais espaço físico. Estas vantagens operacionais também devem ser
levadas em consideração, pois, demandam custo elevado que podem ser otimizados
pela sinterização (Mosca, 1999).
A figura 13, ilustra que o desperdício de material bruto que ocorre em outros
processos de fabricação e este fator pode ser reduzido com a possibilidade de
utilizar tolerâncias dimensionais mais fechadas pelo processo de sinterização e a
relação com custo da energia de transformação pode ser reduzida comparando com
outros processos.
Figura 13 - Porcentagem de utilização do material X energia requerida
Fonte: European Powder Metallurgy Association (EPMA)
A fim de melhorar a qualidade do produto final e reduzir operações de
usinagem os fabricantes estão se esforçando para melhorar robustez do processo e
reduzir as variações dimensionais dos componentes compactado. A figura 14,
mostra um comparativo entre a resistência das ligas sinterizadas e as matérias
primas de aço e ferro-fundido utilizados nos processos de fabricação mais
convencionais de fundição, forja, usinagem e extrusão). Pode-se observar que a
ligas para sinterização apresentam boa resistência em relação a matérias primas
convencionais (Larsson, 2012).
37
Figura 14 – Comparação da resistência de materiais e processo
Fote: Pallini, 2006
Uma das características potenciais dos produtos resultantes do processo de
sinterização é a boa qualidade que pode ser atingida para as dimensões no que
tange as tolerâncias dos produtos finais.
Na figura 15, são qualificados os campos de aplicações em diversos
processos de fabricação em termos de resistência mecânica e tolerâncias. Este tipo
de análise é um bom indicativo da competitividade de aplicação dos materiais em
função da resistência e características dimensionais (Andersson, 2011).
Figura 15 - Campos de aplicação de materiais x resistência
Fonte: Pallini, 2006
38
3.11 Conceitos de elementos finitos
A análise de elementos finitos é uma técnica computacional usada para
aproximar soluções em problemas de engenharia. Em uma explicação simples
problema de engenharia, é um problema matemático em que uma ou mais variáveis
dependentes satisfazem uma equação diferencial qualquer dentro de um domínio de
variáveis independentes e condições de contorno especificas do domínio. As
condições de contorno são também chamados de problemas de campo.
O campo é o domínio de interesse que mais representa a estrutura física do
problema.
As variáveis de campo são variáveis dependentes governadas por uma
equação diferencial. As condições de contorno são valores específicos do campo de
variáveis. Dependendo do tipo do problema físico em análise, o campo de variáveis
pode incluir deslocamento, temperatura, fluxo de calor, escoamento de fluido pra
entre outras possibilidades (Hutton, 2004).
A técnica utilizada dos elementos finitos pode ser descrita na figura 16.
A figura 16a retrata o volume de um material qualquer, ou materiais, que têm
as propriedades físicas conhecidas. O volume representa a condição de contorno do
problema a ser discutido. Para simplificar, neste ponto será adotado o caso
bidimensional para o problema, com um campo de variáveis simples (x,y) para
serem determinadas em todos os pontos do plano P(x,y) e também uma equação
diferencial governante conhecida, que satisfaça cada ponto do sistema. Esta
condição implica na obtenção de uma solução matemática; isto é, uma solução
aproximada de uma expressão algébrica de variáveis independentes (Hutton, 2004).
Em problemas práticos, o domínio pode ser geometricamente complexo como
ele é, de fato. Assim pela equação que governa o domínio a probabilidade de obter
uma solução exata é aproximada. Entretanto, aproximar soluções baseadas em
técnicas numéricas e computacionais é o caminho obtido usualmente na análise dos
problemas de engenharia complexos. A análise de elementos finitos é uma técnica
poderosa para obter soluções aproximadas com boa precisão (Hutton, 2004).
39
Figura 16 – Elementos de FEA
Fonte: Hutton, 2004.
Um pequeno elemento triangular que cobre uma área finita do subdomínio da
área de interesse é mostrado na figura 16b. Este elemento não é um elemento
diferencial de tamanho dx X dy o que faz dele um elemento finito. Neste caso o
exemplo foi tratado como um problema bidimensional assumindo que a espessura
em na direção Z é constante e a dependência da variável Z não é indicada na
equação diferencial. Os vértices do elemento triangular são numerados para indicar
que esses pontos são os nós. Um nó é um ponto específico de um elemento finito do
campo variável que é explicitamente calculado. Nós exteriores localizados nas
fronteiras do elemento finito podem ser usados para conectar um elemento a
elementos finitos adjacentes como na figura 16c. Nós que não estão no interno do
elemento de contorno são nós interiores e não podem ser conectados a nenhum
outro elemento (Hutton, 2004).
O elemento triangular da figura 16b têm apenas nós externos. Os valores do
campo variável dos nós são usados para aproximar os valores dos pontos não
nodais no interior do elemento por interpolação dos valores nodais conhecidos.
Neste caso do triangulo de três nós os nós no exterior e em qualquer outro ponto
entre o elemento do campo de variáveis podem ser descrito pela aproximação da
relação (Hutton, 2004).
40
φ(x,y) = N1 (x,y) φ1 + N2(x,y) φ2 + N3(x,y) φ3
Onde a φ1 e φ2 são os valores do campo de variáveis dos nós e N1 , N2 e N3
são as funções de interpolação. Na abordagem de elementos finitos, os valores dos
nós do campo de variáveis, são tratados como constantes desconhecidas que
devem ser determinadas.
As funções de interpolação são frequentemente representadas na forma de
polinômios de variáveis independentes e derivadas para satisfazer as condições
requisitadas pelos nós. As funções de interpolação são pré-determinadas e são
funções conhecidas de variáveis independentes; e estas funções descrevem a
variação do campo de variáveis entre o elemento finito. O elemento triangular
descrito no exemplo pela equação é chamado de elemento de 3 graus de liberdade
e os valores dos três nós do campo de variáveis são requisitados para descrever o
campo de variáveis em qualquer lugar do elemento, o que, neste caso seria o campo
de variáveis que representa o campo escalar, como temperatura em um problema de
transferência de calor por exemplo (Hutton, 2004).
Este método tem ampla aplicação e neste estudo será a base para analisar o
comportamento das melhorias de projetos propostas para os elementos da
transmissão.
3.11.1 Programa de elementos finitos
Como ferramenta de cálculo de elementos finitos neste trabalho será utilizado
o software Abaqus, que é um programa de elementos finitos, concebido
principalmente para modelar o comportamento de sólidos e estruturas que são
submetidas à ação de carga aplicada externamente. Através de recursos para
resolução de problemas estáticos e dinâmicos, modelagem de forma em sólidos, em
duas e três dimensões.
3.11.2 Critério de energia de distorção
Os Elementos estruturais e os componentes de máquinas são projetados de
modo que o material que os compõem sendo material dúctil, não venha à escoar
pela ação dos carregamentos aplicados. Quando o elemento estrutural ou
componente de uma máquina está submetido a um estado plano de tensões, é
41
necessário utilizar um método especifico para determinação das principais tensões
em um certo ponto. Esse critério tem que considerar o real mecanismo de ruptura do
material que permita comparar os efeitos dos estados de tensões que o material
está sujeito (Beer, 1987).
O critério de energia de distorção é formulado pela determinação da energia
de distorção de um material, ou seja, da energia relacionada com a mudança na
forma do material em oposição à energia relacionada com mudança de volume
nesse material. Este critério é também chamado de critério de Von Mises (Beer,
1987).
Por este critério, um componente estrutural estará em condições de
segurança enquanto maior o valor de energia em distorção por unidade de volume
do material que permanecer abaixo da energia de distorção por unidade de volume
necessária para provocar o escoamento no corpo de prova do mesmo material
submetido a um ensaio de tração, assim, para determinação da energia de distorção
por unidade de volume em um material isotrópico em estado plano de tensões, pode
considerar que um material deformado por um carregamento externo tende a
armazenar energia internamente em todo seu volume (Beer, 1987).
A energia por unidade de volume do material é chamada densidade de
energia de deformação (u), e se ele estiver sujeito a uma tensão uniaxial, , essa
energia é descrita como:
Este critério de falha é baseado nas distorções provocadas pela energia de
deformação. A densidade de energia de deformação em um elemento de volume do
material submetido às três tensões principais 1, 2 e 3, é dada por:
(1)
(2)
42
Se o material se comporta de maneira linear elástica a lei de Hooke se aplica.
Portanto, aplicando a lei de Hooke:
E aplicando a equação (3) na equação (2) e simplificando obtemos:
Essa densidade de energia de deformação é considerada a soma de duas
partes, uma das quais representa a energia necessária para provocar uma mudança
de volume do elemento sem mudar a sua forma; e a outra, a energia necessária
para distorcer o elemento como apresenta a figura 17a.
Especificamente a energia armazenada no elemento como resultado da sua
mudança de volume é provocada pela aplicação da tensão principal média, σmed =
(σ1 +σ2 +σ3 ) (3) , uma vez que essa tensão provoca deformações principais iguais
no material, como apresenta a Figura 17b.
A parte restante da tensão, (σ1 − σmed) , (σ2− σmed) e (σ3 − σmed ), provoca a
energia de distorção como apresenta a Figura 17c.
(3)
(4)
43
Figura 17. Deformação de um elemento de volume do material
Fonte: Elaborado pelo autor
Experimentos demonstram que os materiais não escoam quando submetidos
a uma tensão uniforme (hidrostática), tal como a σmed. Com base neste argumento,
M. Huber em 1904, propôs que ocorre escoamento em um material dúctil, quando a
energia de distorção por unidade de volume do material é igual ou maior que a
energia de distorção por unidade de volume do mesmo material quando ele é
submetido a escoamento em um teste de tração simples.Substituindo-se σ1 , σ2 e
σ3, por (σ1 − σmed) , (σ2 − σmed) e (σ3 − σmed ), respectivamente na equação (4), e
assim:
No caso do estado plano de tensões, σ3 = 0 e assim,
(5)
44
Em um teste de tração uniaxial, σ1 = σ E , σ2 = σ3= 0 e assim:
Como a teoria da energia de distorção máxima requer que ud=( ud)E , então temos
que:
A equação (8) está representada graficamente através da curva da Figura 18
Figura 18 – Critério de Von Mises
Fonte: Elaborado pelo autor
(6)
(7)
(8)
45
Caso um ponto do material estiver tracionado de tal forma que a coordenada
da tensão (σ1 , σ2) esteja posicionada no limite ou fora da área sombreada, diz-se que o material falhou. A comparação dos dois critérios é apresentada na Figura 19.
Figura 19 – Comparação entre os métodos.
Fonte: Elaborado pelo autor
A duas teorias levam os mesmos resultados quando as tensões principais são iguais. Similar a outras áreas da ciência dos materiais, a modelagem de sinterizados
contemplam duas abordagens; de modelos micro estruturais e modelos
macroscópico contínuos. Apesar dos significativos progressos obtidos no
entendimento do processo microestrutural da sinterização, a conexão entre os
modelos micro e macroestrutural é ainda aproximada pelos métodos de distorção de
energia (Braginsky, 2004).
3.12 Conceitos para simular porosidade
Partindo do princípio que o processo de sinterização acontece através da
fusão de pequenas partículas de pó sinterizado, pode-se criar uma suposição de
uma descrição do processo de sinterização baseada na interação de duas esferas
de tamanho idêntico, com um diâmetro D, em contato um com o outro , conforme
46
mostrado na Figura 28. Durante a sinterização, a matéria se move para a região de
contato entre as duas esferas, eventualmente formando um pescoço de diâmetro, X.
Isso é muitas vezes referido como contato de achatamento. Para a sinterização no
estado sólido, os dados empíricos indicam que é possível estimar o contato inicial
utilizando a relação entre o tamanho do pescoço (X / D), conforme a relação:
A força para a transferência de matéria no processo de sinterização é um
gradiente de potencial químico resultante de diferenças entre a curvatura das
superfícies. A curvatura das esferas (diâmetro D) é muito maior do que a curvatura
da interface do pescoço que se forma (raio R) e o gargalo de contato (diâmetro X).
Vários mecanismos de transporte de massa movem a matéria a partir da superfície
em contato ou a partir dos centros das esfera para a região do pescoço. À medida
que o tamanho do pescoço aumenta, o raio de curvatura na região do pescoço
diminui, resultando numa redução da energia superficial (Olevsky, 1998).
Figura 20 - Curvatura das esferas
Fonte: Ennis, 2005
Este processo acontence em multiplas direções e interações no interior da
peça verde durante o processo de sinterização. Podendo ser simulado usando a
mecânica do contínuo com modelos de análise de elementos finitos desenvolvidos
com base na simulação do processo de sinterização, como a deformação de um
material viscoso poroso. Olevsky, 1998 e Cocks, 2001 deram revisões abrangentes
das técnicas e sua aplicação para doze situações distintas de sinterização.
47
A microestrutura é quantificada seguindo a mudança na densidade de
sinterização como referência, e o efeito da porosidade sobre as propriedades do
material é obtido com base em hipóteses sobre o formato do poro (esférica ou
cilíndrica) e da geometria global. A principal desvantagem de empregar esses
modelos constitutivos é a sua dependência dos parâmetros do material para
quantificar o comportamento material. Uma vez que, as propriedades dos materiais
utilizados nos modelos constitutivos são geralmente derivadas a partir de medições
das amostras experimentais em macroescala. Pode ser difícil de prever a influência
em microescala sobre as propriedades do material das variações na distribuição do
tamanho de partícula ou na presença de aglomerações de partículas. Um certo
número de estudos analisaram o arranjo de empacotamento de partículas
modelados para componentes sinterizado simulando os poros como esferas
(Nolan,1994).
A maioria dos modelos podem ser classificados em um, ou dois métodos
gerais:
O primeiro método coloca aleatoriamente uma distribuição de partículas no
interior de um volume específico as partículas são, então, movidas num processo
interativo para eliminar quaisquer sobreposições entre as partículas.
(Pavlovitch,1991).
O segundo método, por vezes referido como o método de deposição balística,
coloca as partículas em um volume acomodando uma partícula de cada vez, neste
caso, as partículas são movidas com base na gravidade quando estão em contato
umas com as outras. O movimento é interrompido quando a partícula atinge uma
posição estável gravitacionalmente (definida quando o centro da partícula está
diretamente sobre a região do plano que liga os pontos de contato das partículas de
suporte). Ambos os métodos, pretendem tratar as partículas sinterizadas como
esferas rígidas com uma distribuição de tamanho de igual (Krishnan, 2005).
As esferas são usadas para modelar as partículas porque a sua geometria é
simples e fácil de usar. A forma do volume pode variar de modelo para modelo, mas
as formas geometricas mais comuns utilizadas para simular a sinterização são
esferas, cilindros ou cubos. Embora existam várias distribuições de tamanho
diferentes que podem ser utilizadas, uma distribuição do tamanho do volume é o
modelo mais utilizado em modelos de sinterização. Os modelos são geralmente
avaliados com base exclusivamente na fração de volume sólido (isto é, o volume
48
ocupado pelas partículas, dividido pelo volume considerado) para o arranjo do
pacote da peça que se deseja investigar inicial. Nolan,1992 investigaram a eficiência
do empacotamento de partículas variando a média e o desvio padrão dos tamanhos
de partículas. A análise dos diferentes arranjos das esferas de forma aleatória
obteve valores com fração de volume variando 0,509-0,638. (Nolan, 1992).
Nos últimos anos, têm sido propostos alguns modelos para simular a
sinterização com um arranjo de embalagem de partículas, utilizando uma
abordagem multiescalar. Jagota e Dawson, 1988 desenvolveram relações
constitutivas para a interação de partículas individuais em uma rede de partículas
ligadas com contato bidimensional entre as partículas. Parhami e McMeeking, 1998
criaram uma rede de esferas de tamanho único usando uma difusão. Nestas
simulações, os modelos multiescala são usado para analisar os fenômenos e
desenvolver algoritmos para governar o comportamento de um par de partículas. O
modelo é então estendido, utilizando o comportamento das partículas discretas para
prever o comportamento das partículas em uma rede de partículas. A principal
desvantagem destes métodos é que os modelos dependem da densidade relativa
para descrever a microestrutura. Todavia aqui os autores buscam investigar o
fenômeno da difusão das partículas durante a sinteriação, porem é uma ideia
plauzivel simular a porosidade através de um pacote de esferas para o modelo da
luva sinterizada definindo um modelo constítuido por esferas e inserido dentro da
forma externa da luva propondo assim uma aproximação da condição da porosidade
após o processo de sinterização.
3.12.1 Geração e distribuição das partículas
As partículas que compreendem são modeladas como esferas para os
modelos constitutivos. O primeiro passo na construção do modelo é criar a
distribuição dos tamanhos de partículas necessárias pelo modelo para simular as
distribuições de tamanho de partícula observados nas peças reais. Embora existam
várias distribuições possíveis disponíveis para os tamanhos de partículas, a
evidência experimental indica que muitos pós reais têm distribuições de tamanho de
partículas que se encaixam uma relação logarítmica normal dada por :
49
em que r é o raio da esfera, x é a média da distribuição, e σ é o desvio padrão (
Nettleship, 2002).
A geração de um conjunto aleatório de tamanhos de partículas com uma
distribuição logarítmica foi realizada em duas fases. Em primeiro lugar uma
distribuição normal (Gaussiana) é criada por meio de rotinas do programa Abacus e
através de uma deleção aleatória padrão para a geração de números aleatórios.
Segundo Leon-Garcia a distribuição normal é então transformada em distribuição
logarítmica utilizando os valores especificados para a média e o desvio padrão da
função exponencial. Os dados de simulação se ajustam aos dados experimentais
sobre a maior parte da distribuição do tamanho de partícula, com apenas pequenos
desvios nos percentuais extremos para valores <10% e > 90% da distribuição.
A partir de um conjunto de esferas considerando uma caixa virtual cheia, um
subconjunto de partículas é utilizado para gerar um elemento de volume
representativo do volume com as esferas para simular a densificação dos poros.
A figura 29 mostra uma caixa cheia para uma simulação de cerca de 14.000
partículas com uma média de sobreposição de partículas de 0,5%. Este arranjo de
partículas tem uma densidade inicial de 0,61 e os limites que definem a caixa cúbica
são maiores em tamanho do que o desejado em aproximadamente 10% em cada
lado. Para que estas esferas se cruzarem dentro do limite dimensional da caixa
proposta com o empacotamento apenas os volumes dentro da caixa serão
incorporados ao modelo de cálculo.
50
Figura 21 - Distribuição randômica de esferas
Fonte: Nathan, 2010
3.12.2 Confiabilidade do método das esferas
Para realizar o método de esferas, a grande dificuldade foi chegar ao número
de esferas e um tamanho dimensional que satisfaça a densidade especificada
normalizada para a liga de pó sinterizado de 7,3 g/cm³, portanto foi proposto um
segundo caminho trabalhado com a malha do elemento da matriz utilizando um
modelo com deleção aleatória dos elementos da matriz.
51
4. METODOLOGIA
Este trabalho foi realizado utilizando um modelo tridimensional das luvas de
transmissão utilizadas nas transmissões C510, para análise da escolha de matéria
prima adequada para sinterização, cálculos de elementos finitos e construção de um
protótipo para avaliar os resultados atingidos.
Como proposta metodológica será estudado o processo atual para propor
reduzir as operações de usinagem pelo processo de sinterização, definir os critérios
para seleção do pó metálico sinterizado, definir condições de contorno e
processamento para realizar o cálculo de FEA com material atual e material
sinterizado, propondo um parâmetro para simular a porosidade do material
sinterizado.
4.1 Estudo do processo
A análise do processo foi proposta com intuito de avaliar possíveis melhorias
para redução de custo e identificar as operações de usinagem que podem ser
substituídas pelo processo de sinterização.
A luva atual é fabricada pelos processos de fabricação de forja, usinagem,
tamboreamento e tratamento térmico pelas etapas de; corte do pré-blank, forjar a frio
do blank, usinagem diâmetro externo, usinagem do sulco do garfo de engate,
usinagem sulcos engate, usinagem dos batentes internos, usinagem lado 1 interna
dos sulcos de engate, usinagem lado 2 interna dos sulcos de engate, usinagem
dentes de engate, tamboreamento e tratamento térmico.
Na observação das etapas de fabricação o blank proveniente do processo de
forja passa por etapas posteriores no processo de fabricação de usinagem, que são:
usinagem do diâmetro externo, usinagem do sulco de montagem do garfo de engate,
usinagem dos flancos dos dentes internos, usinagem dos batentes de contato com o
anel do sincronizador, usinagem do perfil do dente de engate e duas operação
posteriores de processo de rolagem para eliminar rebarbas e tratamento térmico
conforme mostrada na figura 20.
52
Figura 22 – Operações de usinagem
Fonte: Elaborada pelo autor
Com a substituição do processo atual de forja e usinagem pelo o processo de
sinterização e usinagem foi proposto eliminar as usinagens do diâmetro externo,
usinagem do sulco de montagem do garfo de engate, usinagem dos flancos dos
dentes internos e a usinagem do perfil do dente de engate.
Para ajudar no entendimento das possibilidades de eliminar as usinagens do
processo atual é necessário detalhar a concepção do ferramental de compactação
uniaxial de sinterização desenvolvido para este estudo que é composto de quatro
componentes: matriz, punção superior, punção inferior e o macho para que faz a
concepção do diâmetro interno da luva. Este ferramental trabalha com quatro
movimentos básicos: enchimento, compactação, extração e remoção.
A etapa do enchimento é quando o ferramental é alimentado com a mistura do
pó metálico, sendo esta etapa uma das principais do processo de sinterização, pois
deve ser controlada para garantir a estabilidade do processo.
A etapa da compactação é a etapa em que o pó sinterizado é compactado na
forma do ferramental, sendo esta a mais critica etapa, pois uma compactação mal
feita pode levar a uma peça com variações excessivas de densidade que podem
comprometer o desempenho do produto final.
53
O ciclo de compactação é completado pela etapa de extração esta etapa
também é chamada de ejeção que consiste na extração da peça sinterizada do
ferramental de sinterização. O manuseio nesta etapa deve ser realizado com
cuidado para evitar trincas no material compactado. A peça compactada, nesta etapa
do processo, recebe o nome de peça verde.
Etapa de remoção, esta etapa ocorre ao longo que a extração é terminada e
consiste em retirar-se a peça do local de compactação antes que inicie um novo
ciclo de compactação.
Para o dimensionamento deste ferramental de compactação foram calculados
os parâmetros de:
Peso da peça acabada;
Peso da peça verde;
Dimensão do ferramental;
Altura de enchimento do pó;
Força para compactação;
Para este cálculo as seguintes informações foram levantadas:
Densidade aparente do pó – [g/cm³];
Densidade desejada da peça final – [g/cm³];
Dimensões da peça final – [mm];
A porcentagem em peso lubrificante existente na mistura – [%];
Variação dimensional da mistura para as condições de processo – [%];
Curva de compressibilidade do pó [Densidade x Pressão].
Durante a concepção do ferramental de sinterização foi verificado que não é
possível eliminar a usinagem dos batentes de contato com o anel do sincronizador e
realizar esta etapa pela sinterização. Para realizar esta usinagem pela sinterização
seria necessário uma operação de cunhagem no ferramental de sinterização, por
quê os batentes estão localizados no diâmetro interno da luva na direção
perpendicular à direção de prensagem e um sistema cunhagem não atuaria de
54
maneira eficiente no ferramental compactação, pois a condição dimensionais da
peça limita a fabricação de um sistema de cunha com resistência eficaz.
Um exemplo da demanda complexa de punções para este tipo de operação é
mostrado na figura 21.
Figura 23 – Cunhagem limitada com punção
Fonte: Elaborado pelo autor
A figura 22 mostra as etapas que foram substituídas pelo processo de
sinterização na concepção do ferramental de sinterização:
55
Figura 24 – Operações de usinagem substituídas
Fonte: Elaborado pelo autor
4.2 Especificações do pó sinterizado
Muitos parâmetros têm efeito no projeto do sistema de sincronização e seus
componentes. Estes são; o material, superfície topográfica, lubrificante, carga
atuante entre outros e especialmente as superfícies em contato (Perponcher, 2009).
Uma vez que são inúmeras as alternativas de uso do sinterizado, para a seleção da
liga adequada para esta aplicação, o projeto detalhou as propriedades
fundamentais, priorizando-as adequadamente e levando em conta a
interdependência entre algumas destas propriedades com objetivo fundamental do
custo.
Para adequação da matéria prima escolhida é fundamental avaliar o impacto
para manter o tratamento térmico de carbonitratação praticado no processo atual,
uma vez que, o projeto não prever adotar ou alterar o tratamento térmico realizado.
Como citado anteriormente a carbonitretação consiste na introdução de carbono e
nitrogênio na superfície da peça, as peças sinterizadas que devem ser tratadas por
este processo, devem ter a densidade a partir de 6,5g/cm³. Valores menores de
56
densidade aumentam significativamente a porosidade e a dificuldade para controlar
a camada carbonitretada. Com o aumento da densidade, a velocidade de
penetração diminui, resultando em uma espessura de camada com dureza cada vez
menor, como mostrado no gráfico 3 onde amostras de ferro + 1,5% Cu foram
sinterizados e carbonitratados e medido a dureza. Uma técnica para esta questão é
infiltrar as peças com cobre antes do processo, no entanto, isto pode causar um
retardamento na penetração do carbono e nitrogênio e não é uma operação prevista
neste projeto. Do ponto de vista de composição e processo de fabricação, aços
sinterizados com carbono entre 0,3% e 0,5% ou pré-ligados ao níquel ou molibdênio,
são os que respondem melhor ao tratamento térmico e também têm maior aceitação
no mercado.
Gráfico 3 – Distância da superfície e Dureza
Fonte: Hoganas Handbook V.1
Na tabela 2 foram relacionadas às características funcionais e as principais
propriedades mecânicas que serão exigidas durante a vida útil do componente em
operação. Entre as propriedades funcionais, estão; resistência mecânica à fadiga,
resistência ao desgaste e resistência a corrosão fatores que foram levados em conta
na seleção do FLN-4405-19HT. Uma segunda abordagem foi pensada nos fatores
de controle de processo principais para garantir as propriedades desejadas.
57
Tabela 2 - Características funcionais x propriedades
Propriedades funcionais
Propriedades Relacionadas Fatores de controle
Resistência à fadiga Limite de ruptura Limite de escoamento Alongamento Limite de fadiga Dureza superficial e do núcleo Profundidade de camada
Carbono combinado Tipo e conteúdo de elementos de liga Homogeneidade da estrutura do material Tratamento térmico Densidade
Resistência ao desgaste
Dureza superficial Profundidade de camada Rugosidade Impregnação de óleo
Carbono combinado Densidade Tipo e conteúdo de elementos de liga Homogeneidade da estrutura Porosidade intercomunicante
Resistência à corrosão Tipo da liga Tipo de óleo de impregnação Tipo de espessura de recobrimento Densidade
Uniformidade do recobrimento Porosidade
Fonte: Elaborado pelo autor
Além dos fatores de influência da aplicação do componente, seleção da
matéria prima e o cálculo de elementos finitos, outro aspecto importante e
fundamental na seleção da matéria prima do pó sinterizado é garantir a aplicação e
vida útil do componente, igual ou superior, ao material atual o aço manganês cromo
19MnCr5 e adequação aos processos de usinagem.
Tabela 3 - Propriedades dos Materiais
Fonte: Elaborado pelo autor
58
4.3 Verificações da porosidade e densidade
Nos materiais sinterizados a resistência à fadiga e o modulo de Young estão
diretamente relacionados com a porosidade e a densidade, onde existe uma forte
relação entre os dois fatores e a resistência final dos componentes sinterizados. Os
materiais compactados e sinterizados têm um potencial eficiente como solução de
redução de custo para um vasto campo de aplicações, porém o fator resistência
deve ser observado em função da particularidade da microestrutura porosa. As
melhorias obtidas nestes materiais que possibilitam aplicações mais resistentes e
para solicitações cada vez maiores são muitas vezes direcionadas no
aprimoramento destes dois parâmetros densidade e porosidade (Hoganas, 2004).
Os materiais sinterizados por natureza possuem poros e a porosidade tem
grande influência nas propriedades mecânicas dos materiais. Tradicionalmente as
propriedades mecânicas dos materiais sinterizados são pensadas em função da sua
densidade, o que significa que para atingir uma resistência à fatiga elevada é
necessário atingir densidades elevadas (Andersson, 2011). Entretanto, isto mostra
apenas uma imagem pontual da situação, a resistência à fadiga pode ser aumentada
também diminuindo o tamanho dos poros do material, mantendo a densidade
constante. Nas peças que possuem perfis para engrenamento as tensões máximas
ocorrem no pé e no flanco na região do diâmetro primitivo do dente, na superfície ou
logo abaixo desta, assim um aumento na densidade superficial nesta região,
aumenta a capacidade em resistir à cargas maiores. O gráfico 4 mostra em escala
logarítmica a relação entre a resistência de dois materiais sinterizados e o tamanho
dos poros presentes nestes materiais (Hoganas, 2004).
59
Gráfico 4 – Limite fadiga e tamanho dos poros
Fonte: Andersson, 2011.
Normalmente, a densidade dos aços sinterizados utilizados em componentes
estruturais é relatada em base seca e a densidade de rolamentos em uma base,
totalmente impregnada. Verificar a densidade e a condição da porosidade prevista
no projeto através de amostras do material após a sinterização é importante para
avaliar a integridade da peça e a confiabilidade do projeto. Como a densidade nos
sinterizados é uma propriedade que está diretamente ligada às propriedades
mecânicas finais da peça, compreender e definir o método mais adequado para
determinar a densidade dos compactados e produtos sinterizados para este estudo
é de importância singular e fundamental (Grupo Setorial de Metalurgia do Pó, 2009).
Um dos métodos é a determinação da densidade pelo princípio de
Arquimedes, que envolve unicamente medidas de massa. Porém em virtude disso a
densidade pode ser expressa empregando uma balança com precisão de 0,01g. E
qualquer líquido pode ser utilizado, sendo a água o mais indicado. Mas para este
método mais simples e direto a peça tem que ter a tipologia dos poros fechada, para
evitar infiltração da água, este processo também é conhecido como densidade seca,
em que a massa por unidade de volume de uma peça sinterizada sem impregnação
é medida e não é o método mais indicado para o estudo em questão (Grupo Setorial
de Metalurgia do Pó, 2009).
O método de medir a densidade mais indicado é conhecido como densidade
molhada que é a massa por unidade de volume de uma peça sinterizada
impregnada com óleo ou outros materiais não metálicos. A densidade e as
propriedades mecânicas, portanto podem variar dentro de uma mesma amostra de
uma peça sinterizada, neste sentido é importante indicar as áreas críticas da peça
60
que recebem maior solicitação em operação para uma avaliação com maior
coerência da integridade da peça (Grupo Setorial de Metalurgia do Pó, 2009).
Neste estudo, a luvas não serão submetidas a nenhum processo de
tratamento a vapor ou processo de deposição superficial de camada, portanto a
porosidade da luva sinterizada concebida para este projeto está com a porosidade
aberta. Neste caso, a água infiltrará nos poros da peça minimizando o efeito do
empuxo sobre a mesma e resultando em um volume menor. Este efeito induz a uma
medição da densidade maior do que seu valor real, para prevenir este efeito da
infiltração da água na peça, no estudo adotará a peça impregnada com óleo, através
de imersão em banho quente. Assim o volume da peça é determinado pela diferença
entre o peso da peça impregnada com óleo, pesada ao ar e na água, e o método de
cálculo é dado pela fórmula seguinte:
Onde:
D = densidade, expressa em gramas por centímetro cúbico,
A = massa da amostra sem impregnação, ao ar, em gramas,
B = massa da amostra impregnada com óleo, ao ar, em gramas,
C = massa da amostra impregnada de óleo, e imersa em água, em gramas,
E = massa do volume deslocado baseado no principio de Arquimedes, em gramas,
ρw = densidade da água a temperatura de ensaio, em gramas por centímetro cúbico,
Considerações para o cálculo:
- Massa A, B e C deve ser determinado dentro 0,1 por cento.
- O efeito da tensão superficial da água na amostra de ensaio de pesagem
deve ser minimizado por meio da adição de um agente liquido a água na
quantidade de 0,05 à 0,1 por cento em volume.
- Densidade da água geralmente pode ser aproximada em um grama por
centímetro cúbico entre 19 °C e 22 °C para as temperaturas de teste, uma
densidade de 0,998 gramas por centímetro cúbico é mais precisa.
61
Neste estudo, as amostras foram obtidas através de um corte perpendicular a
seção da peça e polida. A amostra foi levada para um microscópico eletrônico para
analisar a densificação superficial do material e a densidade medida pelo princípio
de Arquimedes, onde foi empregada uma balança de precisão e pelo método de
cálculo da densidade molhada.
A princípio qualquer líquido pode ser empregado para avaliar a densidade,
porém, neste caso foi adotado à água. Outro fator avaliado foi a presença da
porosidades através da avaliação metalográfica, neste caso, foi utilizado um
analisador de imagem, com ajuste de contraste calibrado para efetuar a contagem
dos poros.
4.4 Análise de elementos finitos
O método de análise de elementos finitos proposto neste estudo será
realizado com utilização do software Abaqus. Como base de critério de cálculo é
utilizado o método de Von mises, analisando a deformação volumétrica pela análise
da distorção de energia.
4.4.1 Pré-processamento
Alguns passos para análise de elementos finitos são comuns em todos os
cálculos a serem realizados na resolução de problemas físicos, sejam eles
problemas estruturais, de transferência de calor, escoamento de fluidos ou outro
problema qualquer no ambiente de engenharia. Para definir as limitações e
premissas do cálculo da fase de na fase de pré-processamento do software, foi
indicado no estudo as condições para o modelo do cálculo e as condições de
contorno do sistema. Assim neste estudo as etapas foram definidas conforme
descrito abaixo:
4.4.2 Domínio geométrico dimensional do sistema
Os componentes considerados como elementos da condição de contorno
para o cálculo de elementos finitos, foram os componentes que interagem
diretamente com a luva.
62
Para determinar as fronteiras do sistema, limitou-se a região do cálculo a
estes componentes, sendo que todos os modelos 3D foram importados em formato
de extensão de arquivo tipo *model do programa Unigraphics.
Os componentes envolvidos no cálculo para a montagem do modelo virtual
são; a luva, cubo, eixo da transmissão, o grupo sincronizador e o garfo de troca de
marcha, sendo que o ultimo serve como um dos pontos onde foi travado o sistema
para o cálculo.
Os componentes foram montados virtualmente para análise de elementos
finitos conforme mostrado na figura 23 abaixo:
Figura 25. Montagem virtual para cálculo
Fonte: Elaborado pelo Autor
4.4.3 Tipologia de elementos utilizados
O elemento utilizado foi importado da biblioteca do Abaqus, com a malha de
tipologia tetraédrica com as seguintes características: elemento uniaxial,
tridimensional e com capacidade de atuar na tração, compressão, torção e flexão.
Este elemento permite uma seção não necessariamente simétrica diferente entre a
seção inicial e final do elemento permitindo que o nó final tenha um trecho onde
pode ser aplicado um offset. Este tipo de malha também permite um melhor
modelamento de acordo com a geometria da peça, melhorando à capacidade de
resolver problemas de deformações devido ao cisalhamento e função elástica.
63
4.4.4 Propriedade do material para os elementos
A análise de elementos finitos é executada considerando dois tipos de
materiais o aço Cromo-manganês 19mncr5 (SAE 51-20H) e aço sinterizado FLN2-
4405-19HT. Na tabela 4 abaixo estão especificadas as propriedades destes
materiais.
Tabela 4: Propriedades dos materiais FEA
Fonte: Elaborado pelo autor
4.4.5 Malha dos elementos
Através do software Hypermesh foi gerada uma malha para o modelo, assim
aprimorando melhor a definição da malha. Dois conceitos de malha foram propostos
o de malha livre (free) ou mapeada (maped). A malha livre não tem nenhuma
restrição em termos de forma do elemento e não tem nenhum padrão de geração de
malha. A malha mapeada tem restrições tanto na forma do elemento quanto ao
padrão de geração de malha. Na geração de malhas, quando é gerada uma malha
mapeada em uma área pode-se usar tanto elementos quadrangulares quanto
triangulares, enquanto um volume com o mesmo tipo de malha pode usar somente
elementos hexagonais. No estudo optou-se pelo tipo de conceito de malha mapeada
em virtude da tipologia geométrica da peça e o tipo de elemento hexagonal utilizada.
Para confirmar a qualidade da malha gerada, após a análise foi realizada uma
verificação com a ferramenta Hyperform para verificar os critérios de qualidade e
conformidade com tipologia da superfície da peça; verificação visual dos elementos,
eliminar elementos deformados, conectividade dos elementos, remoção dos
elementos duplicados, eliminados elementos que foram gerados com valores
menores que 0,1. A Malha resultante pode ser visualizada na figura 24.
64
Figura 26 – Malha do modelo
Fonte: Elaborado pelo autor
4.4.6 Condições de contorno físicas. Considerado material isotrópico, ou seja, que apresenta as mesmas
propriedades mecânicas em todas as direções.
4.4.7 Definição dos carregamentos e restrições de apoio e fixação.
Para o cálculo em questão as forças atuantes no sistema são conhecidas e
foram determinadas de acordo com norma de fadiga de transmissão adotadas na
transmissão do C510 pela Fiat Automóveis.
A força considerada para a luva de 5ª marcha foi um torque de T= 246,5 Nm e
uma força de engate atuante que é aplicada pelo garfo de engate quando é feito a
troca de marcha e o movimento de engate da luva na grandeza de F= 120Nm do
garfo.
O ponto de aplicação da força foi indicado no centro do eixo na posição do
cubo e do sincronizador como mostrado na figura 25. Este ponto de aplicação foi
65
considerado em virtude do torque que a luva recebe do eixo da transmissão que é
conectado ao motor e através do qual é movimentada a transmissão.
Figura 27 – Aplicação do carregamento
Fonte: Elaborado pelo autor
Os pontos de apoio e fixação foram dimensionados conforme a montagem da
luva na transmissão, sendo que, foram definidos os pontos de fixação na luva pela
parte externa na região de montagem do garfo na transmissão conforme mostrado
na figura 26, e o segundo ponto foi definido no centro da luva na posição do eixo da
transmissão possibilitando assim, simular com grande aproximação do
funcionamento real do sistema.
Figura 28 - Ponto de apoio do cálculo
66
Fonte: Elaborado pelo autor
A metodologia para execução da análise de elementos finitos pode ser então
alocada em um diagrama de bloco com as entradas e saída, de maneira a ilustrar
com melhor exatidão da metodologia de cálculo proposta conforme descrito na figura
27.
Figura 29 – Entradas e saídas de cálculo
Fonte: Elaborado pelo autor
4.5. Modelo com deleção aleatória de elementos da matriz
Através de uma deleção aleatória dos elementos da matriz da malha de
conectividade do modelo de elementos finitos, foi proposto prescrever a estrutura e o
efeito causado pela porosidade na estrutura intrínseca às peças produzidas pelo
processo de sinterização.
O método proposto da deleção, consiste em gerar o arquivo da carta de
cálculo do programa Abaqus. A carta de cálculo é a base de dados onde o programa
insere todas as variáveis do cálculo e os elementos da malha.
O arquivo é então transportado para um programa de cálculo de planilhas
eletrônicas, no caso deste estudo foi empregado o programa Excell.
67
Cada linha da planilha do arquivo da carta do programa importado para o
Excell representa um elemento da matriz de elementos finitos da malha do modelo
3D gerado para a luva.
Então deleta-se as linhas desta planilha no programa Excell aleatoriamente
até atingir 2,5% de elementos deletados da malha de conectividade em relação ao
número total de elementos da malha do modelo 3d.
Este número de 2,5% foi proposto para aproximar o modelo virtual da peça
física através da porcentagem de porosidade encontrada no protótipo da luva pelo
exame de microscopia eletrônica.
Após a eliminação das linhas salva-se o arquivo em formato de texto e
importa este arquivo para o programa Abaqus e novamente executa-se o cálculo.
Com esta ação consegue-se prescrever defeitos na matriz da malha pela deleção
aleatória dos elementos na malha.
A figura 30 mostra a carta do Abaqus e as linha deletadas pelo Excell,
representando o método proposto.
Figura 30 - Carta Abaqus
Fonte: Elaborado pelo autor
Com a deleção aleatória de elementos da matriz de conectividade da malha,
foi proposto realizar a deleção considerando que na camada superficial da peça não
há porosidade, assim pode-se manter a característica que é atingida no processo de
rolagem que é o endurecimento da camada superficial e como consequência manter
as características dimensionais.
68
A partir deste resultado, cria-se a malha interna de elementos figura 30, que
montada no modelo figura 31, e então é inserida na malha externa do modelo figura
32, e assim simulando uma peça com a superfície externa endurecida, e admitindo
que a mesma tenha um acabamento superficial modificando sua superfície e o
interior da peça com a estrutura de poros devido ao efeito da porosidade.
Figura 31 – Modelo interno com porosidade
Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 32 - Malha de deleção montada no modelo
69
Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 33 - Malha de deleção inserida na malha externa
Fonte: Elaborado pelo autor
Para certificar este método de avaliação propõem-se rodar duas amostras de
cálculo da peça sinterizada com porosidade e assim obter ter uma média de dados
para averiguação.
4.6 Construção do protótipo
O estudo propôs a construção de um protótipo pelo processo de sinterização
e usinagem. Durante a construção do molde de compactação dentro das técnicas
usuais o projeto propôs eliminar o maior número possível de usinagens dentro das
limitações para compactação da peça verde e posterior sinterização da peça.
O processo para produção do protótipo ficou definido com as seguintes
etapas para o processo:
70
Preparação do pó sinterizado para compactação;
Moldagem;
Ajuste de máquina e montagem do ferramental de compactação;
Moldagem prensa de 4ton + Compactação;
Elaboração peça verde;
Sinterização;
Ajuste de máquina de sinterização;
Sinterização em atmosfera de carbono;
Peça sinterizada;
Usinagem dos perfis dos dentes;
Usinagem da brochura dos sulcos dos dentes;
Processo de rolagem;
Tratamento térmico (operação não realizada).
71
5. RESULTADOS E DISCUSSÔES
5.1 Avaliações do protótipo
Analisando o protótipo produzido mostrado na figura 33 o protótipo
apresentou uma redução do número de usinagens realizadas na peça bruta forjada
em relação à peça final resultante do processo de sinterização:
Figura 34 – Protótipo
Fonte: Elaborado pelo autor
O processo atual possui as operações de usinagem do sulco da luva, pré-
usinagem da face externa, usinagem externa da face, usinagem dos dentes da luva,
usinagem do batente interno da luva, usinagem do perfil de engate do dente da
luva. Através do ferramental de compactação substituiu-se as etapas de
usinagem; sulco da luva, pré-usinagem da face externa, externa da face, dentes da
luva, perfil de engate do dente da luva, como mostrado na figura 34.
Com o resultado obtido foi totalizado uma redução de 5 operações de
usinagem. Durante o processo das operações de usinagem que permaneceram. Foi
detectada também uma redução da geração de cavaco no processo na usinagem
posterior da luva sinterizada em relação à luva forja.
72
Figura 35 – Usinagens eliminadas
Fonte: Elaborado pelo autor
5.1.2 Avaliação da densidade da peça sinterizada após a sinterização.
A importância do parâmetro da densidade é fundamental e o valor da
densidade encontrada mensurada pelo método de densidade pelo principio de
Arquimedes descrito na metodologia na peça foi: D= 7,4 g/cm3 (Figura 35).
Figura 36 - Densidade pós-sinterização
Fonte: Elaborado pelo autor
73
5.1.3 Avaliação da dureza da peça sinterizada
A dureza foi medida pelo método Brinell e o valor encontrado foi de 110 HB.
5.1.4 Avaliação da densidade após processo de sinterizaçao e rodagem
A densidade encontrada aumentou após a peça passar por um processo de
rodagem de 7,4 g/cc para 7,7 g/cc.
Figura 37 – Densidade pós rolagem
Fonte: Elaborado pelo Autor
5.1.5 Avaliação de microscopia e porcentagem de porosidade no protótipo
Foi avaliada a condição da porosidade na peça através de um exame de
microscopia em duas etapas: após a sinterizaçao e após o processo de rolagem da
peça conforme mostrado na figura 37.
74
Figura 38 – Exame de microscopia / Amostra sinterizada
Fonte: Elaborado pelo autor
5.1.6 Avaliação Integridade estrutural
Para verificar a integridade estrutural da peça foi proposto executar uma
avaliação da estrutura com microscopia na peça.
Na região do flanco do dente de engate foi detectado após o processo de
rolagem a presença de trinca de até 0,20mm conforme mostrado na figura 38.
Devido à estrutura morfológica dos poros no sinterizado a trinca pode
encontrar dificuldade para propagação, devido a presença dos poros no seu
caminho, o que pode não ser tão crucial para o desempenho da peça em operação.
75
Figura 39 – Trinca flanco do dente
Fonte: Elaborado pelo autor
5.1.7 Resultados da análise de elementos finitos
O cálculo realizado de elementos finitos em toda a geometria da peça teve à
análise de resultado direcionada para as regiões que durante a operação da luva
apresentam maior solicitação de pressão e esforços de contato.
Pelo mecanismo de funcionamento exposto no estudo, percebe-se que entre
as regiões de contato da luva que são mais exigidas, portanto, mais criticas durante
a operação são as regiões indicadas na figura 39.
As duas regiões denominadas de região 1 e região 2, sofrem maior solicitação
devido às condições de operação do sistema.
A região 1 está no limite do batente do fim do cursor do cubo da transmissão,
ou seja é a região de contato com o cubo durante o engate.
A região 2 é onde estão localizados os dentes de engate que operam com o
anel sincronizador, sendo está a região mais solicitada do ponto de vista de fadiga
devido aos esforços de dissipação de energia do sistema de sincronização durante o
engate e o contato entre os dentes do sincronizador e da luva.
O cálculo irá analisar a tensão de contato sofrida pelo material e a tensão de
distorção de Von Mises.
76
Figura 40 – Região foco de análise
Fonte: Elaborado pelo autor
Os valores de tensão de contato encontrados na região 1 para as condições
de cálculo são:
Tensão de contato cubo material atual aço cromo manganês Tcc = 792 MPa
(Figura 40).
Tensão de contato cubo com material sinterizado Tcc = 808 MPa (Figura 41).
Tensão de contato cubo material sintetizado com porosidade Tcc = 865 MPa
(Figura 42).
77
Figura 41 - Tensão de contato sincronizador aço 19MnCr5 T = 792 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 42 - Tensão sincronizador sinterizado T = 808 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
78
Figura 43 - Tensão sincronizador sinterizado e porosidade T = 865 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
Os valores de tensão de contato encontrado na região 2 para as condições de
cálculo são:
Tensão de contato sincronizador aço cromo manganês Tcs = 1178 MPa
(Figura 43).
Tensão de contato sincronizador sinterizado Tcs = 1112 MPa (Figura 44).
Tensão de contato sincronizador com porosidade Tcs= 1136 MPa (Figura 45).
79
Figura 44 - Tensão sincronizador aço 19MnCr5 T = 1178 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 45 - Tensão sincronizador sinterizado T = 1112 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
80
Figura 46 - Tensão sincronizador sinterizado e porosidade T = 1136 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
Os valores de tensão de von mises encontrados na região 1 conforme para as
condições de cálculo são:
Tensão de Von Misses cubo aço cromo manganês T = 837,61 MPa (Figura
46).
Tensão de Von Misses cubo sinterizado T =879,54 MPa (Figura 47).
Tensão de Von Misses cubo sintetizado com porosidade T = 888,75 MPa
(Figura 48).
81
Figura 47 - Tensão Von Mises cubo aço 19MnCr5 T = 837 MPa
Fonte : Elaborado pelo autor
Figura 48 - Tensão Von Mises cubo sinterizado T = 879 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
82
Figura 49 - Tensão Von Mises cubo sinterizado e porosidade T = 889 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
Os valores de tensão encontrado na região 2 conforme para as condições de
cálculo são:
Tensão de Von Misses sincronizador aço cromo manganês T = 686,29 MPa
( Figura 49).
Tensão de Von Misses sincronizador sintetizado T = 718 MPa (Figura 50).
Tensão de Von Misses sincronizador sintetizado com porosidade T = 725,39
MPa (Figura 51).
83
Figura 50 - Tensão Von Mises dente aço 19MnCr5 T = 686 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
Figura 51 - Tensão Von Mises dente sinterizado T = 718 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
84
Figura 52 - Tensão Von Mises dente sinterizado e porosidade T = 725 MPa
Fonte: Elaborado pelo autor
Os resultados encontrados no cálculo de elementos finitos para as três
condições de material: aço 19CrMn5, sinterizado FLN-4405-19HT e sinterizado FLN-
4405-19HT com porosidade, foram indexados na tabela 5.
Tabela 5 – Resultados FEA
Fonte: Elaborado pelo autor
85
O modelo de elementos finitos foi desenvolvido com intuito de avaliar na luva
de engate aplicada nas transmissões C510 a capacidade do material FLN-4405-
19HT de atingir o mesmo desempenho de operação ou superior, em relação ao
material atual um aço 19CrMn5. Devido às particularidades do processo de
sinterização que gera porosidade interna na estrutura da peça durante a difusão de
partículas no processo, foi necessário desenvolver uma técnica de elementos finitos
para simular a porosidade interna do material durante o cálculo. Verificou-se nos
estudos e teorias propostas que entre os métodos existentes para análise da
porosidade geralmente os estudos são direcionados na investigação do efeito
difusional das partículas dos produtos sinterizados durante o processo de difusão no
forno de sinterização. Alguns métodos propõem realizar a simulação da porosidade
através de esferas colocadas aleatoriamente em um volume definido e os interstícios
entre as esferas seriam considerados os poros, porem ao realizar este método
verificou-se grande dificuldade em atingir a densidade especificada para o material
sinterizado conforme a norma de especificação de 7,3 g/cm³, e os valores
encontrados após a tentativa de cálculo por este método foram valores bem
menores, além desta questão, outra imposição foi verificada para este método, que
é a adequação das esferas sinterizadas em função do tamanho proposto de 0,509-
0,638 ao modelo 3D da geometria da luva.
O terceiro caminho proposto no estudo e que apresentou resultados
satisfatórios, foi o método da deleção aleatória de elementos, no qual, através de
uma deleção aleatória dos elementos da matriz da malha do modelo de elementos
finitos, foi proposta prescrever a estrutura ou o efeito causado pela porosidade, na
estrutura intrínseca às peças produzidas pelo processo de sinterização.
O método da deleção foi definido para a situação do cálculo do material
sinterizado com a porosidade, enquanto que o material sinterizado sem a porosidade
e aço cromo manganês adotado na peça atual tiveram os cálculos executados na
condição normal da malha de elementos finitos sem a deleção aleatória de
elementos.
A condição da porosidade na peça através de um exame de microscopia
varredura mostrou o resultado de uma estrutura homogenia e com boa distribuição
dos poros para uma peça sinterizada.
86
A trinca encontrada na peça foi detectada após o processo de rolagem, esta
situação foi considerada um resultado até esperado pela característica do processo
de rolagem e foi verificado que para a mesma condição de rolagem este tipo de
trinca também ocorre para as peça em aço manganês.
Como o material sinterizado tem uma estrutura porosa, neste caso a estrutura
porosa da peça é benéfica, pois pode impedir e dificultar a propagação da trinca
quando a mesma encontrar um poro no seu caminho de propagação este é um
fenômeno já observado em componentes sinterizados.
87
6. CONCLUSÕES
Na observação dos resultados o método da deleção aleatória para o
sinterizado apresentou uma diferença relativamente baixa comparada ao resultado
do sinterizado com porosidade, mas indica que a simulação dos poros no modelo
pelo método de deleção aleatória obteve influência no resultado indicando que este
método pode ser utilizado como um coeficiente de segurança maior para cálculos de
peças sinterizadas submetidas à fadiga.
Comparando o resultado geral do sinterizado FLN-4405-19HT com o aço
19CrMn5, observa-se que o aço 19CrMn5 mostrou um desempenho melhor na
absorção de energia apresentando valores menores para a fadiga do material, ou
seja, a distorção que este material sofreu é menor que o aço sinterizado, porem
comparando os valores com a tensão de escoamento do aço 19MnCr5 de 880
N/mm² e o sinterizado FLN-4405-19HT de 1240 N/mm², os dois materiais do ponto
de vista de cálculo, apresentam faixas dentro do valores do limite de escoamento da
especificação dos materiais.
Uma avaliação mais completa e eficaz destes resultados pode ser feita com
um teste experimental para o aço sinterizado FLN-4405-19HT 1240 N/mm²,
adotando um ciclo de fadiga de vida da peça representativo ao funcionamento em
operação.
O protótipo produzido apresentou bons resultados dimensionais e atingiu o
objetivo inicial de reduzir as operações de usinagem em relação à peça forjada no
processo atual, este resultado representa uma redução de custo para a peça final.
Os valores de densidade 7,7 g/cm³ e dureza 110 HB pós rolagem, mostraram bons
resultados superando até a expectativa que era atingir a uma dureza máxima de
7,68 g/cm³ .
Pelos resultados obtidos é perfeitamente possível atingir a condições de custo
proposta pelo trabalho e resistência de operação eficaz utilizando a matéria prima
sinterizada proposta FLN-4405-19HT em substituição ao material aço cromo
19MnCr5 em questão.
88
7. PROPOSTAS DE ESTUDOS FUTUROS
Como trabalhos de pesquisa futuros este projeto propõe:
Realizar uma análise de fadiga experimental do protótipo produzido para
avaliar a condição de operação normal do componente e sua capacidade de
resistir à fadiga em condição normal de operação.
Para aprimorar a técnica de cálculo de elementos finitos pelo método de
esferas e o método proposto de deleção de elementos da malha, este
trabalho propõem investigar o uso da teoria da estereologia que baseia-se no
pressuposto de que as secções de 2-D (s) feita a partir de uma amostra de
uma peça física são uma representação estatística precisa das propriedades
de 3-D do volume de uma peça. Assim as características não são colocadas
aleatoriamente ou uniforme no volume do modelo tridimensional como foi feito
nas estruturas de esferas e no método deleção para o material sinterizado.
Assim poderia amenizar as dificuldades encontradas para encontrar a
densidade com método de esferas.
Avaliar os parâmetros do processo de rolagem para minimizar o efeito das
trincas.
Executar teste de manobrabilidae com a transmissão C510 e a luva
sinterizada montada sobre veículo para avaliar as características de
subjetividade da transmissão ao dirigir.
89
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