Engenharia de Materiais nos Projetos Automotivos (Motores)damec.ct.utfpr.edu.br/automotiva/downloadsAutomot/... · Caixa diferencial Alto Motor Baixo Motor Destaque para alguns materiais

ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011

Engenharia de Materiais nos Projetos Automotivos (Motores)

Adriano R. Kantoviscki

Gerente de Engenharia de Produto

Renault do Brasil S.A.

Motores a gasolina (e etanol)� Cilindrada de 999 à 3 498 cm3

� De 58 a 245 cavalos

� Alguns compatíveis com etanol

Motores diesel� Cilindrada de 1 461 à 2 993 cm3

� De 55 à 235 cavalos

� Compatíveis com a utilização de 30% de biodiesel no combustível

Caixa de velocidades� Manuais 5 e 6 marchas

� Manuais automatizadas 5 e 6 marchas

� Automáticas 4, 5 e 6 marchas (com dupla embreagem e com variação contínua)

Que respondem as normas mais restritas� Filtros de partículas

� NOx

� Regulamentação (ex.: Euro V)

Gama de motores e caixas – Renault

Uma gama completa de Motopropulsores


P / 3

Expectativa dosConsumidores

Baixo CustoConservação

Ambiental

Expectativa dos Consumidores

Segurança e

Qualidade

Redução doConsumo de Combustível

Conforto e

Espaço

ADRIANO KANTOVISCKI MAIO 2011P / 4

Evolução dos Produtos Automotivos

Mudanças de Especificação

Competição de Mercado

Expectativa dos Consumidores

Regulamentação

Redução de Peso

Durabilidade

Segurança Acústica

Qualidade Percebida

…….

A evolução do Automóvel


Engenharia de Materiais no Setor AutomotivoPapel da Engenharia

� A Engenharia representa o patrimônio da empresa, o seu « Know How », para permitir :

� Adequar o Produto aos requisitos dos clientes� Desenvolver o Produto com os fornecedores

� Implementar o Processo, para garantir a qualidade e a rentabilidade

� Validar o alcance dos requisitos funcionais e regulamentares.

� A Engenharia transforma uma « idéia » em :

� Um conjunto de documentos (desenhos, 3D)

� Protótipos para demonstrar as relevâncias� Meios de produção - permitindo a fabricação do produto em grande série

com o nível de qualidade e custo projetado


MATERIAL = Parte de um Sistema INTERATIVO

Novos Produtos

ProdutosExistentes

Projeto Especificações

ProcessoProdutivo

Tecnologias Atuais

Testes

SimulaçõesMateriais



Regulamentação

�Ambientais

Exaustão de gasespoluentes

Redução de CO 2 para 124 g/Km

(em1995 era de186 g/ Km)

Fim de vida dos veículos (ELV - End of Life)

Restrição / Eliminação de alguns

materiais (Pb, Hg, Cd, Cr6+) +

Recuperação de todos os ELV’s

(85% em 2006, 95% em 2015)

Redução de poluentes (HC, CO, NOx, particulados)


Materiais Metálicos Aplicados em Motores


Exemplos de solicitações adversas nos motores:

- Temperaturas elevadas:

- Desgaste:

- Esforços elevados:

- Fadiga (Esforço cíclico):


Metálicos� Cabeçote� Comando de válvulas� Válvulas� Coletor do escap.

� Bloco� Pistão� Biela� Bronzinas� Virabrequim� Mancal do pilar� Volante do motor

� Carcaça� Caixa diferencial

Alto Motor

Baixo Motor

Destaque para alguns materiais utilizados em alguns componentes

CaixaUm motor possui mais de 60 componentes


Generalidades: Principais materiais metálicos (e processos) utilizados em motores e caixas

32 kg, 3 %

Motor

Sistemas de Suspensão

Sistemas de chassi

Chicote elétrico + Bateria

Carroceria

Equipamentos Internos e Externos

168 kg, 16 %

149 kg, 15 %

104 kg,10 %

341 kg, 33 %

231 kg, 23%

� Quanto ao processo de obtenção da peças:

� ~ 80 % dos materiais são fundidos (bloco, cabeçote, etc)

� ~15 % Forjados (biela, válvulas, etc)

� ~5% outros (chapas, sinterizados,etc)

� Materiais

� 1- Ferro Fundido

� 2- Alumínio

� 3- Aço

� 4- Magnésio

� 5- Cobre

� 6- Zinco

� Outros

�Fundidos:

15

O que caracteriza fundamentalmente o processo de fu ndição em relação ao outros processos de fabricação?

� A elaboração de uma liga metálica no estado líquido

� Necessita de um molde para preencher com a liga

Fundidos: processo de fundição

Generalidades

Principais países China USA Russia Japão Alemanha India França Italia Brasil GB Materiais Ferrosos Materiais não Ferrosos

13 752 1 137

9 355 2 516

5 600

600

4 544 1 297

3 801

850

2 925

230

2 158

395

1 433

960

1 611

155

906 206

TOTAL 14 889 11 871 6 200 5 841 4 651 3 155 2 553 2 393 1 766 1 112

� Produção mundial (em milhões de toneladas)

16

O molde é destruído durante a fabricação da peça

O molde NÃO é destruído durante a fabricação da peça

Fundidos: Processo de Fundição

Moldes de Fundição

17

Machos de Fundição

Peça

macho

Macho

Porta

Molde

Molde

enchimento

enchimento

� Molde > forma exterior da peça.

� Machos> formas que não são possíveis de desmoldar ap ós a fusão da peça (pode ser externo ou interno).


18

Funções:

� Preencher completamente o molde antes da solidifica ção.

� Evitar excesso de turbulência (desgaste do molde, i mperfeições na peça).

� Assegura um gradiente de temperatura que permita um a alimentação nas diferentes zonas da peça.

� Poder separar facilmente a peça após a solidificaçã o.


Sistema de alimentação (canais de alim. e massalotes)

19

Resfriamento/ solidificação

� No decorrer do resfriamento, há variações de volume (geralmente retração):

- No estado líquido

- Na passagem do estado líquido para o sólido

- Durante o resfriamento no estado sólido

Cuidados devido o fenômeno de retração:

� Acrescentar a dimensões da retração no dimensional das ferramentas.

� Evitar zonas massivas isoladas (ressupes)

� Prever variações de seções progressivas (microrechupes)

� Maiores raios possíveis e ângulos

� Orientar o gradiente térmico para alimentar as zones de solidificação final


20

Por gravidade:

Consiste em alimentar o metal líquido somente pela ação da gravidade (quando o molde émetálico chamamos de coquilha)

Baixa pressão:Mantem a pressão durante a alimentação.Pressão de 0,1 a 0,5 atm


Tipos de corridas

21

Condições: • Velocidade do metal : 40 m/s, Pressão do metal : 800bars• Cadência 15 à 50 p/h> Peçasde grande produção

Equipamentos necessários:- Máquna de injeção sob- pressão com força de fechamento entre 5 à4000t, molde (permanente) e forno para manutenção.

Solidificação :O pistão que empurra o metal, « força » o material e também o metal líquido aindadisponível a completar o deficit volumétrico(menor presença de porosidades).

Sob- pressão:


Tipos de corridas

22

Resumo do processo

Mateirial Preparação da carga

FUSÃO

Tratamento do metal líquido

Corrida

Resfriamento

Extração

Rebarbação e acabamento

CONTROLE

Fabricação do molde e machos

Fechamento do molde


�Fundidos:�Ferros fundidos (fofo)

24

Fonte: UFRG

25

Fonte: UFRG

lamelarÓtimo atenuador de vibrações

26

� Microestrutura: compostos de 2 elementos :

- A grafita:

- Lamelar- Vermicular- Nodular

- Uma matriz base- Ferrita- Perlita

Qualidades usuais

Fundidos: Ferros Fundidos

27

28

Fonte: UFRG

29

Lamelar- GL Esferoidal- GSVermicular- GV

Micrographie


Morfologia da Grafita

30

Características mecânicas

GrafitaRm

(MPa)Rp0,2(MPa)

A% J Dureza(HB)

Lamelar 170-300 170-300 <0,5 4-14 140-300

Nodular 400-800 280-600 2-18 14-34 140-350

Vermicular 350-550 250-400 1-6 7-20 150-250

Rm (MPa)

Ferrítico

200 300 500

100

300

200

GL

600 700 800400

Dureza HB

GL

GS

GS

Rm (MPa)

Ferrítico

Perlítico

5 10 15

20

A %100

300

400

200

500

600

700

GL

GS


Perlítico

31

Exemplos de peças do motor em ferro fundido e suas variaç ões: GL GS GV

Ferritico Ferrita/perlita Perlitico

Volante do motor

Mancal do Pilar

Bloco do motor

Coletor de escamento

Comando de válvulas

Biela

Virabrequim

Caixa diferencial


Bloco do motor KPeça bruta

Virabrequim K e D Peça Bruta

Mancal do Pilar K e D Peça usinada

Volante K e D peça usinada

Peças Renault em Ferro fundido (fornecedor Tupy) Outubro/2010

Caixa diferencialPeça bruta


Sequência do Processo de Fundição do bloco do motor

Máquina de moldagem

moldes Limpeza

Forno cubilot corrida desmoldagem

rebarbação estanqueidade Magnaflux Pei

ntur

aIn

spec

ãoE

mba

lage

m

Sequência do processo de fundição do Virabrequim

Forno de indução Molde Shell

corrida rebarbação

Inspeção Embalagemsanidade interna

jateamento

Transporte

�Fundidos:�Alumínio

36

� Uma só família utilizada nos automóveis: Al Si (Cu, Mg) com Silício entre 5 e 12% (alguns casos até 14%)

Temperatura

658

57712.7 %

% Si

T°C

1.65

1 32

Liga Al-Si < 1.65%

Liquido Dendrita Dendrita Solidificado

1 2 3

Liquido Dendrita Dendrita Dendrita +Eutético

Liquido Cristal Si Crescim. Cristal +Eutético

Fundidos: Ligas de alumínio

37

DesignaçãoA designação apresenta os principais elementos químicos da liga

Exemplo : AlSi7Cu3Mg0,35(Fe)

Os elementos entre parênteses correspondem a impure zas

Molde de obtenção� S moldagem em areia

� K moldagem em coquila

� D moldagem sob- pressão

Tratamento térmico� F bruto de fundição

� T5 estabilizado

� T6 solubilizado, temperado e revenido

� T7 solubilizado, temperado e sobre-revenido

� T64 solubilizado, temperado e sub-revenido


38

Características mecânicasPrincipais fatores influentes:

� Composição química:

� Sanidade do material

� Silício: Melhora as propriedades de fundição.

Diminui a plasticidade da liga.

� Cobre: Melhora as características mecânicas e dureza.

Melhora as características mecânicas a quente .

� Magnésio: Altera levemente as propriedades de fundição. Permite o endurecimento pela formação de precipitados.

� Ferro: Diminui o alongamento devido a forma de agulha.

Aumenta o limite elástico.

� Manganês: Neutraliza a influencia desfavorável do Fe (recomendável Fe/Mn = 1.5)

Compactação

Rechupe Porosidade- gás

Inclusões óxidos


39

Características mecânicasPrincipais fatores influentes:

� Microestrutura - modificação com Estrôncio ou Sódio (composição química):

� Tratamentos térmicos

Endurecimento Estrutural

Bruto T6~ 12h á 220 C

AlSi10Mg- Estrutura acicular não modificada AlSi10Mg- Estrutura fibrosa modificada


40

Comparação dos processos de fundição

Porosidades Al Si7Mg0,3

Processotamanho

(µm)Rp 0,2(MPa)

Rm(MPa)

Coquilha =< 50 220 280

Areia 100-300 220 270

Cera perdida 500-700 190 230

Propriedades Mecânicas

� Rm: 150 à 300 MPa

� Rp0,2: 90 à 270 MPa

� Alongamento % : 0,5 à 12%)


41

Exemplos de peças em ligas de Alumínio

Sob-pressão

Coquilha

Cabeçote

Carcaça da caixa de câmbio

Pistão

Coletor de admissão


�Forjados:

43

Forjados: processo

Processo de fabricação de válvulas Processo de fabricação de Bielas

44

Exemplos de soluções de materiais para uma mesma ap licação:MATERIAL FERRO FUNDIDOS LIGAS DE

ALUMÍNIOAÇO

FUNDIDOFORJADOS OUTROS

PROCESSOS

GL GV GS

Fer Perl

Mancal do pilar Sinterizado

Bloco do motor

Carcaça da caixa Magnésio

Coletores Chapas soldadas

Cabeçote

Virabrequim

Biela

Alguns componentes do motor:

- Principais funções

- Principais solicitações

- Material (ais) utilizado(s)

- Cuidados / casos (falhas) / observações

Forjados

Fundidos


Cabeçote � Permitir transmitir o esforço da câmara de combustã o para o pistão.

� Permitir a entrada de combustível e saída de gases

� Suportar as válvulas e comandos de válvulas

� Refrigerar a câmara de combustão, etc.

� Geometria complexa

� Altas tensões (mecânicas + térmicas)

� Fadiga (térmica)

� Alta temperatura

� Ataque químico (corrosão)

� Alumínio AlSi7-9 (Cu, Mg)- Fundição por gravidade ou sob-pressão com ou sem tratamento térmico.

� Ferro fundido (GL)- motor diesel

� Principais Funções:

� Principais Solicitações:

� Material (ais) utilizado(s):

material Custo Peso Resistência mecânica

Resistência química

Fadiga Desgaste Condutividade térmica a

AlSi7-9(Mg,Cu) + + + + + + +++ + + + + + Ferro fundido + + + + + - ++ ++ + ++


Cabeçote � Cuidados/ casos / observações

TrincasCausas possíveis: Fadiga / defeito de material / dimensional

Compactação

Rechupe Porosidade- gás

Inclusões óxidos

Sanidade do material e microestrutura

Endurecimento estrutural

Bruto T6~ 12h á 220 C

Fluência> Alumínio, queda acentuada das propriedades com a temperatura


Válvulas � Permitir a abertura e obstrução do combustível e ga ses de escape.

� Assegurar uma boa estanqueidade da câmara de combustão

� Suportar importantes tensões mecânicas, etc.

� Altas tensões (mecânica+ térmicas)

� Desgaste

� Fadiga (térmica+ alta ciclagem)

� Altas temperaturas


� Peso (menor possível- inércia)

� Válvula de admissão: monomaterial em aço inox marten sítico Cr Si (Mo, V) (9-3)

� Válvula de escapamento (tulipa): monomaterial ou bim aterial em aço inox austenítico Cr Ni Mn (Mo, Co, V, Nb)(21-9)

� Revestimento: sem revestimento, temperado, nitretad o ou material de adição






Fadiga Desgaste Fluência Temperabilidade

Aço inox martensitico - + + + + + ++ +++ + ++ +++ + + +

Aço inox austenítico - + + +++ ++ + ++ -


Válvulas � Cuidados/ casos/ observações

Válvula de escape: Susceptível ao desgaste, devido pouca lubrificação e corrosão (etanol), aço inox austenítico >não é possível Têmpera -Soluções: blindagem com material de adição inox alta liga Cr Ni (C, Si,W,Co)- Nitretação (em banho de sal)

Fluência> Aço inox, escolha do material de acordo com a tempetura do motor


Válvulas � Cuidados/ casos/ observações

Excesso de temperatura

Fadiga:Causa possíveis: dobra de conformação, escolha do material, dimensionamento, etc

Desgaste - sem revestimento (nitretação)


Pistão � Transmitir o esforço da câmara de combustão para a biela/ virabrequim.

� Aspirar o combustível e evacuar o gás após combustã o

� Evitar a passagem de óleo do cárter para a câmara d e combustão

� Baixa Vibração (inércia)

� Altas tensões (mecânicas+ térmicas)

� Fadiga (Mecânica e térmica)

� Alta temperatura

� Desgaste


� Baixo peso (inércia)

� Alumínio AlSi12-13 (Cu, Ni, Mg)- Fundição por gravid ade com ou sem tratamento térmico.

� Revestimento: Topo: anodizado. Saia: estanhado (1 a 2 microns) ou grafitizado (10-20 microns)






Fadiga Desgaste Condutividade térmica a

AlSi12-13 (Cu, Ni, Mg)

+ + + + + + +++ ++ + + + +


Pistão � Cuidados/ casos/ observações

Susceptível ao desgaste: - Soluções: Anodização no vão do 1º anel- Revestimento da saia: estanhado ou grafitizado

Fluência> Alumínio, queda acentuada das propriedades com a temperatura


Pistão � Cuidados/ casos/ observações

Fadiga:Condições severas de temperatura, altas solicitações mecânicas, número de ciclos elevado.GeometriaDefeitos de fundição

Defeito de fundição

~75000 N


Biela � Transmitir o movimento de translação do pistão em u m movimento de rotação do virabrequim.

� Contribui no bom funcionamento das bronzinas

� Baixa Vibração (inércia)

� Altas tensões (mecânicas+ térmicas)

� Fadiga (mecânica)


� Baixo peso (inércia)

� Ferro fundido nodular (GS)

� Aço recozido (médio C) ou temperado e revenido.

� Superfície: jateamento – shot peening (fadiga)

� Sinterizado






Fadiga Desgaste Fluência Temperabilidade

Ferro fundido nodular ++ + + + ++ ++ + + ++ -

Aço + + + ++ ++ +++ + + ++ +++


Biela � Cuidados/ casos/ observações

Flambagem: - Causa provável: instabilidade da combustão.- Calço hidráulico.

Fadiga> Alta solicitação mecânica- cíclicaPossíveis causas: concentração de tensãoDefeitos de fundição e forjamento (dobras), etc

Importante contra fadiga > jateamento – shot peening


Documents

Engenharia de Materiais nos Projetos Automotivos (Motores)damec.ct.utfpr.edu.br/automotiva/downloadsAutomot/... · Caixa diferencial Alto Motor Baixo Motor Destaque para alguns materiais