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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



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



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


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


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


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


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


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


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


(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.


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Figura 32 - Malha de deleção montada no modelo

69


Figura 33 - Malha de deleção inserida na malha externa


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


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


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


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


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


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


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


Figura 42 - Tensão sincronizador sinterizado T = 808 MPa


78

Figura 43 - Tensão sincronizador sinterizado e porosidade T = 865 MPa


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


Figura 45 - Tensão sincronizador sinterizado T = 1112 MPa


80

Figura 46 - Tensão sincronizador sinterizado e porosidade T = 1136 MPa


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


82

Figura 49 - Tensão Von Mises cubo sinterizado e porosidade T = 889 MPa


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


Figura 51 - Tensão Von Mises dente sinterizado T = 718 MPa


84

Figura 52 - Tensão Von Mises dente sinterizado e porosidade T = 725 MPa


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


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

REFERÊNCIAS

ANDERSSON, Michael. The Role of Porosity in Fatigue of PM Materials. In: Presented at DFPM StaráLesná, Eslováquia, 2011.

ARNELL, R. D.; DAVIES, P. B.; Halling, J.; WHOMES, T.L. Tribology, Principles and Design Applications. Springer Verlag, 1993.

ARROYO, Raul; GONZÁLEZ, Roberto; RODRIGUEZ, Rafael. Fem simulation of the behavior of sintered materials. F.I.M.E.E, México D.F., México, 2012. BEER, Ferdinand P.; RUSSELL, Johnston, Jr. Mechanics for Engineers, 4th ed., McGraw-Hill, New York, Estados Unidos, 1987.

BRAGINSKY, Michael; TIKARE, Veena; OLEVSKY, Eugene. Numerical simulation of solid state sintering. International Journal of Solids and Structures 42(2005) 621-636. San Diego State University, San Diego, CA, Estados Unidos, 2004.

BRANCATI, R; ROCCA, E; RUSSO, R. A theoretical model for the gear rattle analysis in automotive manual transmissions accounting for gears lubrification. International Conference on Tribology, Parma, Itália, 2006.

CASTRO, Ricardo Milleggo de. Critério para Projeto de Engrenagens Helicoidais Aplicadas em Transmissões Mecânicas Veiculares, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2005.

CHAWLA N.; DENG X. Microstructure and mechanical behavior of porous sintered steels Mechanical Behavior of Materials Facility, Department of Chemical and Materials Engineering, Arizona State University, Tempe, Estados Unidos, 2004.

CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos: Características Gerais, tratamentos térmicos, principais tipos 7 ed. ampliada e revisada – São Paulo, ABM - Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005.

COCKS A.C.F. Constitutive modeling of powder compaction and sintering. Department of Engineering, University of Leicester, Leicester, Inglaterra, 2001.

ECONOMICS Advantages of Powder Metallurgy. European Powder Metallurgy Association, [20--]. Disponível em: <http://www.epma.com/New_non_members/economic_advantages.htm> Acesso em: 21 mai. 2013.

ENNIS, Brain Michael. A 3-D Computer model to simulate the sintering of a randomly packed green compact in order to investigate the evolution of the microstructure. 166f Tese (Doutorado) - University of Pittsburgh, Pittsburgh, Estados Unidos, 2005.

FIAT POWERTRAIN TECHNOLOGIES Spa., Arquivo de dados. Betim, Brasil. 2012.

FLODING, Dr. A.; KARLSSON, P. Automotive transmission design using full potential of powder metal. In: World Powered Metal, Yokohama, Japão, 2012.

http://www.epma.com/New_non_members/economic_advantages.htm

90

GOTO, Y.; YAGI, Y.; Morimoto,Y.; et at. Shift Feel in manual Transmission - An Analysis of Usmooth Shifting and gear Clashing. JSAE, Tokyo, Japão, 1988.

GRUPO Setorial de Metalurgia do Pó. A Metalurgia do pó: Alternativa Econômica com menos impacto ambiental, São Paulo, 2009.

GUNTER, R.; LORENZ, S. P/M Gear For a Passager Car Gear Box Sinter stahl Füssen GmbH D-87629 Füssen, Alemanhã, 2005.

HALLING, J. Principles of Tribology The MacMillan Press. Ltda., 1983

HUTTON, David V. Fundamental of finite element analysis. 1st. ed. New York: MacGraw-Hill, 2004.

JAGOTA, A.; and DAWSON, P.R. Micromechanical modeling of powder compacts – I. Unit problems for sintering and traction induced deformation. Acta Metallurgica Set,1988.

JOST, H. P.; “Tribology-origin and future”, Wear, v.136, pp.1-17, Estados Unidos, 1990.

KLAUS, Michaelis; BERND-Robert Hohn; and HINTERSTOIBER, Michael; Influence factors on gearbox power loss Gear. In: Technische Universita et Munchen, Garching, Alemanha, 2009.

KRISHAMAN K; MACAFEE R; NETTELESHIP I; et al. A Representative Volume Element for the Densification of Powders. Accepted for publication in J. Am. Ceramic Soc. 2005.

LARSSON, M; MENZEL, Dr. R; SCHNEIDER, E; et al. Improving Compaction Performance and Compact Quality Through Advanced Powder Mixes and Latest Press Technologies; World PM in Yokohama, Japão, 2012.

LECHNER, Gisbert; NAUHEIMER, Harald. Automotive Transmissions Fundamentals, Selections, Desing and Application. Germany – Stuttgart, Springer, Alemanha, 1994.

LEON-GARCIA, A. Probability and Random Processes for Electrical Engineering, 2nd Edition, Addison Wesley, The University of Hull, Hull, Inglaterra, 1994.

LUDEMA, K.C. Friction, wear, lubrification: A Text in Tribology. Estados Unidos,1996.

MAGALHAES, Luis; RAMIRO, Matrins; LUCATELI, Cristiano. Influence of tooth profile on gear powerloss. In: International Conference on Integrity, Reliability and Failure at Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Portugal, 2009.

Metal Powder Industries Federation – MPIF, Materials Standards for P/M Structural Parts - MPIF Standard 35, Issue 2003, Estados Unidos, 2003.

MURATA, S.; Mori, Y.; Doi, T.; Takada, T.; et al. Synchronizer and Shift System Optimization for Improved Manual Transmission Shiftability. In: Passenger Car Meeting and Exposition Dearborn, Michigan,1989.

91

MOSCA, Enrico. P/M Criteria for Desing And Inspection, Associazione Industriali Metallurgicy Meccanici Afini, Turin, Itália, 1984.

NEMOTO, Keiji; KUMAGAI, Toshiharu; OHNUMA, Yasushi. Development of a new manual transmission. Honda R&D Co.,Ltd. Tochigi R&D Center, Japão, 2002.

NETTLESHIP, I.; SLAUGHTER. Dimensionless Parameters for Microstructural Pathways in Sintering. J. Am. Ceramic Soc., Estados Unidos, 1993.

NOLAN, G.T; KAVANAUGH P.E. The size distribution of interstices in random packings of spheres. Powder Technology, 78, pp. 231-238, Estados Unidos, 1994.

NORTON, Robert L. Projeto de máquinas: Uma abordagem integrada. 2.ed. Porto. Alegre: Bookman, 2004.

OLEVSKY, E.A. Theory of Sintering; From Discrete to Continuum. Materials Science and Engineering, R23 [2], pp. 41-100 San Diego State University, San Diego, Estados Unidos, 1998.

ROBERTS, David. Global Transmission Technologies How ‘Green’ Are They Getting? em: 4th CTI Symposium and Exhibition Automotive Transmissions and Drive Trains North America, Ann Arbor, MI, Estados Unidos, 2010.

PALLINI, A. Redução de Custo na Indústria Automotiva através do Sinterizado. SAE, São Paulo, Brasil, 2006.

PARHEMI, F.; MCMEEKING, R. M. A network model for initial stage sintering. Mechanics of Materials, Vol. 27, No. 5, Santa Barbara University, Santa Barbara, Estados Unidos,1998.

PAVLOVITCH A.; JULIEN R.; and MEAKIN P. Geometrical properties of a random packing of hard spheres. Physica A, Gif-sur-Yvette, França, 1991.

PERPONCHER C. V.; HOHN B. R.; and PFLAUM H. Influence of Surface on Friction Behavior of Synchronizers. Munich, Alemanha, 2009.

PRIWITZER, G. History of Automotive Transmissions. Stuttgart. Universitat, Institut Fur Maschinenelemente, Studienarbeit, unveroffentlicht, Alemanha,1982.

SENAD, Dizdar; HEIKE, Grosser. Friction and wear characterization of sintered low alloyed chromium steels for structural components Höganäs AB, 263 83 Höganäs, Suiça, 2011.

SHIGLEY, Joseph; BUDYNAS, Richard G; MISCHKE, Charles R. Projeto de Engenharia Mecânica - Joseph e Shigley 7. Ed. Porto Alegre, Bookmam, 2005.

WILLIAN H. Press, et al. Numerical Recipes in C++ the Art of Scientific Computing, 2nd Edition. Cambridge University Press, Cambridge, Inglaterra, 2002.

WINKELMANN, Lane; SAEED, El Omer. The capacity of superfinished vehicle components to increase fuel economy. ASME. Estados Unidos, 2007.

92

Technical Conference & Computers and Information in Engineering Conference, Las Vegas, Estados Unidos, 2007.

ZHENG, J.; JOHNSON, P.E. Evolution of the Topology during Simulated Sintering of Powder Compacts. J. Am. Ceramic Soc., 76. Estados Unidos, 1993.

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