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CARLOS HENRIQUE CORONADO SENA
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA BANCADA DE TESTES DE ATRITO E DESGASTE PARA ANÉIS SINCRONIZADORES DE
TRANSMISSÕES AUTOMOTIVAS
São Paulo 2008
CARLOS HENRIQUE CORONADO SENA
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA BANCADA DE TESTES DE ATRITO E DESGASTE PARA ANÉIS SINCRONIZADORES DE
TRANSMISSÕES AUTOMOTIVAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre Profissional em Engenharia Automotiva.
Área de Concentração: Engenharia Automotiva
Orientador: Prof. Dr. Deniol Katsuki Tanaka
São Paulo 2008
FICHA CATALOGRÁFICA
Sena, Carlos Henrique Coronado
Projeto e construção de uma bancada de testes de atrito e desgaste para anéis sincronizadores de transmissões automo-tivas / C.H.C. Sena. -- São Paulo, 2008.
196 p.
Trabalho de conclusão de curso (Mestrado Profissional em Engenharia Automotiva) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
1.Atrito 2.Desgaste 3.Elementos de máquinas 4.Ensaios dos materiais I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica II.t.
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho aos meus pais (José
Carlos e Dulce Fátima), ao meu irmão
(José Augusto) e a minha amada
companheira (Fernanda).
AGRADECIMENTOS
Agradeço o Professor Deniol Katsuki Tanaka pela orientação nesse trabalho, pela
compreensão e paciência em meus longos períodos de ausência e por confiar em
minha pessoa na realização desse projeto.
Ao João Pavan por proporcionar-me a oportunidade de efetuar o mestrado e dedicar
parte do meu tempo na empresa à realização de atividades vinculadas à pós-
graduação.
À Engenharia Experimental da EATON que me disponibilizou espaço, ferramentas,
técnicos e principalmente dedicação para que a conclusão desse trabalho fosse
possível.
Ao Marcos Perceguetti que destinou grande parte de seu tempo a esse projeto e que
dedicou especial atenção ao difícil (quase insolúvel) problema de ruído nos
sensores.
Sou grato ao Josevaldo Fernandez, meu mentor no assunto sincronizadores e
transmissões.
Agradeço também ao João Bosco pelas vezes em que me aturou como passageiro
nas diversas idas e vindas de Valinhos à São Paulo.
Ao Marcelo, Gerson e Paulo da Ciani & Damo que foram fundamentais na
construção da bancada de testes. Especialmente ao Paulo, que tornou físico e
palpável uma idéia que estava no papel.
Ao Enrique, William, Alessandro e Bruno da Setup pela ajuda com os itens de
controle e lógica de programação.
Aos professores desse mestrado que me ofereceram conceitos e ensinamentos não
só profissionais como também de vida.
Aos meus colegas de classe pelo suporte na realização desse mestrado, tanto no
apoio à dissertação, quanto na paciência em me escutar diversas vezes falando
sobre transmissões automotivas nas apresentações em sala de aula.
Agradeço à minha família (meus pais José Carlos e Dulce, meu irmão José Augusto
e minha companheira Fernanda) pelo apoio constante e incondicional à realização e
conclusão desse mestrado e de mais uma etapa em minha vida.
Finalmente, agradeço a todos aqueles que me apoiaram nesse trabalho e que por
descuido de minha memória não foram citados.
EPÍGRAFE
“Nunca ande pelo caminho traçado, pois
ele conduz somente até onde os outros
foram”.
(Alexandre Graham Bell)
RESUMO
O objetivo deste trabalho consistiu no projeto e construção de uma máquina de
testes capaz de avaliar o comportamento de atrito e de desgaste de anéis
sincronizadores de transmissões automotivas. Diferentemente da abordagem
convencional, encontrada nas bancadas de ensaios disponíveis no mercado, a
bancada proposta não aciona o anel sincronizador com o intuito de frear ou acelerar
uma massa inercial girante, praticamente reproduzindo o princípio de funcionamento
do sistema sincronizador dentro da transmissão. Ao contrário, neste projeto o anel
sincronizador é constantemente pressionado contra o cone sincronizador e
permanece em atrito durante todo o ensaio. Além disso, o corpo-de-prova utilizado
para os testes é oriundo de um segmento de um anel sincronizador real. Essa
abordagem possibilita que variações metalúrgicas e dimensionais inerentes ao
processo de fabricação sejam minimizadas entre os corpos-de-prova tirados de um
mesmo anel sincronizador. Ensaios preliminares foram realizados e o desgaste dos
corpos-de-prova foi comparado com o desgaste de anéis sincronizadores ensaiados
em bancada de engate e em veículo. Apesar de serem necessários alguns ajustes
de calibração, aperfeiçoamento do sistema de controle empregado no atuador e
melhorias do sistema de lubrificação, a bancada mostrou-se capaz de reproduzir o
mecanismo de desgaste da superfície de atrito de anéis sincronizadores.
Palavras-chave: Atrito e desgaste. Anéis sincronizadores. Bancada de testes.
Transmissão automotiva.
ABSTRACT
The aim of this work consisted in the design and construction of a test machine
capable of evaluating the friction and wear behaviour of synchronizer rings from
automotive transmissions. Differently from conventional approach, found in test rigs
available on the market, the proposed bench doesn’t press the synchronizer ring in
order to brake or to accelerate a rotating inertial mass, just reproducing the operation
of synchronization system inside transmission. On the contrary, in this project the
synchronizer ring is constantly pressed against synchronizer cone and it stays in
friction during whole trial. Besides, the specimen used for tests is from a segment of
a real synchronizer ring. This approach allows that metallurgical and dimensional
variations inherent to the manufacturing process to be minimized between the
specimens drawn from the same synchronizer ring. Preliminary trials were carried out
and the wear of tested specimens was compared to the wear of synchronizer rings
assessed in shifting test rigs and vehicle. Although to be necessary some calibration
adjustments, improvements in the control system used in the actuator and in the
lubrication system, the proposed bench was shown capable to reproduce the wear
mechanism of synchronizer ring friction surface.
Keywords: Friction and wear. Synchronizer rings. Test rig. Automotive transmission.
9
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...................................................................................12
2 MOTIVAÇÃO .....................................................................................17
3 CONTEXTUALIZAÇÃO .....................................................................18
3.1 FUNÇÃO DA TRANSMISSÃO .................................................................... 18
3.2 FUNÇÃO DO SISTEMA DE SINCRONIZAÇÃO .............................................. 19
3.3 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE SINCRONIZAÇÃO................................. 21
4 JUSTIFICATIVA.................................................................................32
4.1 MOTIVAÇÃO AO DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO PARA ENSAIO DE
ANÉIS SINCRONIZADORES................................................................................ 32
4.2 TRABALHOS FUTUROS ........................................................................... 35
5 TIPOS DE FALHAS...........................................................................36
5.1 TIPOS DE FALHAS DOS SINCRONIZADORES ............................................. 36
5.1.1 Desgaste de anel sincronizador .................................................. 38
5.1.2 Quebra do anel sincronizador......................................................40
5.1.3 Falha do anel sincronizador por amassamento...........................43
6 REVISÃO DOS MEIOS DE TESTES ................................................45
6.1 ENSAIOS ATUAIS ...................................................................................45
6.1.1 Avaliação em veículo................................................................... 47
6.1.2 Bancada de engate em linha .......................................................48
6.1.3 Bancada de engate em ‘H’ ..........................................................50
6.2 BANCADAS DE TESTES DE SINCRONIZADORES EXISTENTES .....................51
6.2.1 Bancada FZG SSP 180 ...............................................................51
6.2.2 µ-Comp ........................................................................................56
6.2.3 SAE No.2 .....................................................................................60
6.2.4 Falex block-on-ring test machine................................................. 61
10
7 PROJETO E CONSTRUÇÃO DA BANCADA...................................63
7.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO .............................................................63
7.2 CONCEPÇÃO DA MÁQUINA ..................................................................... 63
7.2.1 Geometria da amostra ................................................................. 64
7.2.2 Dimensão do corpo-de-prova ......................................................64
7.2.3 Carga aplicada sobre a amostra.................................................. 68
7.2.4 Força tangencial (de atrito)..........................................................70
7.2.5 Rotação .......................................................................................72
7.2.6 Parâmetros controlados...............................................................73
7.2.7 Parâmetros medidos.................................................................... 73
7.3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DA BANCADA ................................................. 74
7.3.1 Porta amostra .............................................................................. 74
7.3.2 Contra-corpo................................................................................ 76
7.3.3 Aplicação de carga ...................................................................... 78
7.3.4 Guia linear ...................................................................................80
7.3.5 Eixos e mancais........................................................................... 81
7.3.6 Motor elétrico ............................................................................... 83
7.3.7 Células de carga.......................................................................... 86
7.3.8 Encoder linear.............................................................................. 88
7.3.9 Sensor de rotação ....................................................................... 90
7.3.10 Sensor de temperatura do óleo................................................ 91
7.3.11 Mesa e estrutura da bancada...................................................92
7.3.12 Esticador de correias................................................................93
7.3.13 Polias e correias ....................................................................... 94
7.3.14 Câmara de testes ..................................................................... 96
7.3.15 Sistema de lubrificação ............................................................97
7.3.16 Dispositivos de segurança .....................................................100
7.3.17 Software de controle ..............................................................102
8 TESTE DA BANCADA.....................................................................104
8.1 ENSAIOS PRELIMINARES...................................................................... 104
11
8.1.1 Materiais e métodos .................................................................. 104
9 RESULTADOS ................................................................................107
9.1 ANÉIS SINCRONIZADORES DE REFERÊNCIA .......................................... 107
9.2 RESULTADOS DO CORPO-DE-PROVA #1 ............................................... 113
9.3 RESULTADOS DO CORPO-DE-PROVA #2 ............................................... 119
9.4 RESULTADOS DO CORPO-DE-PROVA #3 ............................................... 124
9.5 ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................................. 130
10 LIMITAÇÕES DO PROJETO .......................................................133
11 CONCLUSÕES.............................................................................134
REFERÊNCIAS .....................................................................................136
ANEXO A – DESENHOS TÉCNICOS...................................................138
ANEXO B – PROJETO ELÉTRICO.......................................................178
12
1 INTRODUÇÃO
Transmissões manuais equipam veículos de passeio, pick-ups, caminhões, ônibus e
microônibus com a finalidade de assegurar, ao comando do motorista, o melhor
desempenho do motor em diferentes condições de solicitação do veículo e das
condições da estrada. O motorista decide como o veículo irá se comportar através
das trocas de marcha, as quais alteram a relação de engrenamento da transmissão
e conseqüentemente modificam o fator multiplicador de torque e rotação do motor
que são transferidos para as rodas.
As primeiras transmissões automotivas exigiam do motorista força e habilidade para
que a troca de marcha fosse executada no momento correto (BOUFFET, 2004),
caso contrário o motorista se deparava com uma raspagem ou até mesmo
impossibilidade de engate. Visando melhorar a troca de marchas, em 1934 começou
a ser produzida a primeira transmissão automotiva com todas as marchas à frente
sincronizadas por meio de sincronizadores cônicos (LECHNER, 1999).
As transmissões sincronizadas permitem que o motorista realize a troca de marcha
de forma mais suave e com menor nível de ruído, além de não exigir prática e
habilidade do mesmo, uma vez que não é mais necessário acertar a rotação ideal
para a conclusão do engate. Os componentes do sistema de sincronização
possibilitam o engate de uma nova relação de engrenamento em uma ampla faixa
de rotações de trabalho do motor.
No início do desenvolvimento das transmissões sincronizadas, uma série de
dispositivos e configurações construtivas foram criadas com o intuito de oferecer
trocas de marcha livres de raspagem (McCORD, 1986), no entanto, com o passar
dos anos, o conceito que prevaleceu foi aquele constituído por anéis sincronizadores
cônicos capazes de bloquear a conclusão de um engate enquanto não fosse
atingida a equalização da rotação das partes girantes, isto é, a sincronização.
A sincronização é responsável por acelerar ou desacelerar as engrenagens que
compõem a marcha a ser engatada. O que determina se as engrenagens são
aceleradas ou desaceleradas é o tipo de mudança de marcha. Para subida de
marcha (por exemplo, saindo de 1ª e engatando a 2ª), os sincronizadores devem
desacelerar a engrenagem alvo, enquanto que para descida de marcha (por
13
exemplo, saindo de 3ª e engatando a 2ª), os sincronizadores devem acelerar a
engrenagem alvo.
Somente após a finalização da sincronização, a luva de engate é capaz de
prosseguir com seu deslocamento axial até encontrar os dentes de engate da
engrenagem e assim concluir a troca de marcha solicitada pelo motorista.
Ao longo da vida de um veículo automotor, milhares ou até mesmo milhões de
trocas de marcha são realizadas. Em cada troca de marcha os anéis sincronizadores
são requisitados para acelerar ou desacelerar as engrenagens através de suas
interfaces cônicas de atrito. Para que o desempenho de sincronização seja
satisfatório, o coeficiente de atrito nessas interfaces deve ser elevado, em contra
partida, conforme Sigl et al. (2003) relata, o desgaste dessas superfícies de atrito
deve ser o mínimo possível a fim de assegurar a durabilidade do sistema de
sincronização ao longo de toda a vida útil do veículo.
Segundo Oster (1987), se o coeficiente de atrito dinâmico entre o anel sincronizador
e o cone da engrenagem torna-se muito baixo com o uso, a sincronização ocorre
desapropriadamente, pois não há o bloqueio do avanço da luva de engate e
conseqüentemente o motorista se depara com uma raspagem de marcha. Por outro
lado, se o coeficiente de atrito estático é muito alto, a finalização do engate após a
sincronização torna-se difícil de ser atingida, ocasionando o fenômeno conhecido
como blocking release.
Diante desses fenômenos e com o intuito de projetar um sistema de sincronização
eficiente e robusto, os engenheiros e projetistas precisam conhecer quais são os
parâmetros que afetam tanto o coeficiente de atrito quanto o desgaste das
superfícies de atrito dos sincronizadores. Além de conhecer os parâmetros,
Hutchings (1992, p. 198) menciona que é preciso estabelecer o mecanismo pelo
qual o desgaste ocorre.
Daí origina-se a necessidade por parte da engenharia de desenvolvimento de novos
produtos de entender como diferentes fatores (por exemplo: material dos anéis
sincronizadores e dos cones das engrenagens, óleo lubrificante, pressão de contato,
tempo de engate, temperatura de trabalho, entre outros) afetam o comportamento
tribológico dos anéis sincronizadores. Essa foi a motivação que levou ao
desenvolvimento desse trabalho.
14
O coeficiente de atrito nas superfícies de contato dos anéis sincronizadores e o seu
comportamento ao longo da vida projetada da transmissão são importantes fatores
para a definição do esforço e da qualidade de engate.
Um esforço de engate elevado (com carga superior a 10 kgf) associado com uma
qualidade de engate deficitária (por exemplo, má definição das marchas) conduz a
uma avaliação ruim, seja por parte da montadora do veículo, seja por parte do
usuário final: o motorista.
Essa avaliação ruim pode produzir perda de participação no mercado e redução de
vendas para a empresa fabricante da transmissão, o que certamente não é o intuito
dela e de seus acionistas.
Para se evitar as características ruins de engate mencionadas anteriormente, uma
série de testes, tanto em bancada quanto em veículo, é realizada para validação do
sistema de engate (abordados mais adiante). Contudo, o tempo necessário para se
obter um índice de confiabilidade adequado para a validação demanda de um a um
ano e meio, dependendo dos testes requeridos.
Diante desse cenário surgiu o interesse para o desenvolvimento deste trabalho que
consiste no projeto e construção de uma máquina de testes para anéis
sincronizadores que seja capaz de medir o coeficiente de atrito e o desgaste desses
componentes, além de ser capaz de reproduzir, de forma acelerada, os mecanismo
de desgaste de anéis sincronizadores, tanto aqueles observados em testes de
durabilidade em bancada de engate, quanto a reprodução do desgaste observado
em campo ao longo da vida útil da transmissão.
No decorrer deste texto é apresentado, passo a passo, o projeto da bancada, os
recursos e as capacidades do equipamento de testes desenvolvido, assim como
suas limitações e perspectivas futuras.
A bancada de testes deve permitir a análise de:
desgaste da superfície de atrito do anel e do cone da engrenagem;
influência da geometria da rosca em anéis sincronizadores de latão;
influência dos rasgos para escoamento de óleo;
influência da largura do anel sincronizador;
influência do material do anel sincronizador;
influência da geometria da superfície de atrito do cone da engrenagem;
15
influência de diferentes processos de fabricação utilizados na usinagem do
cone da engrenagem;
influência do material do cone da engrenagem;
influência do tratamento térmico do cone da engrenagem;
influência da temperatura do óleo;
influência do lubrificante (aditivos e viscosidade do óleo).
O equipamento deve permitir controle de:
rotação do contra-corpo (cone da engrenagem);
carga aplicada na amostra;
vazão do óleo;
temperatura do óleo;
tempo de ensaio; e
parâmetros de finalização do ensaio.
As seguintes variáveis são medidas em tempo real:
rotação do contra-corpo (cone da engrenagem);
carga aplicada sobre a amostra;
carga tangencial na amostra devido a força de atrito;
temperatura do óleo; e
deslocamento axial da amostra.
Espera-se que esta bancada ofereça os seguintes benefícios: redução no tempo de
validação do produto, suporte à área de pesquisa e desenvolvimento, pesquisa de
novos materiais e de processos de fabricação alternativos que conduzam à redução
de custos e aperfeiçoamento e melhoria dos produtos.
Conforme Lovas (2003) o aumento da potência dos motores, o advento de requisitos
de conforto mais rigorosos e a robotização das trocas de marcha estão exigindo
maiores estudos a respeito do engate, pois os sincronizadores estão sendo
solicitados cada vez mais. O desenvolvimento dessa máquina de testes possibilita
entender melhor e de forma mais rápida o impacto causado por esses novos
requisitos no sistema de sincronização.
Segundo Bouffet (2004), existe no mercado um número limitado de equipamentos
padronizados para a avaliação de desempenho de anéis sincronizadores. Mesmo
assim, para aqueles disponíveis, as condições de teste nem sempre representam as
16
condições operacionais observadas em campo, o que também serviu de motivação
a este trabalho.
A bancada de testes proposta nesse trabalho apresenta diferenciais significativos
em relação aos dispositivos de testes existentes.
O equipamento possui características operacionais que o diferencia dos existentes
nos seguintes aspectos:
é compacto,
permite o controle da força aplicada e da rotação ao longo do tempo,
avalia segmentos de anel sincronizador reais utilizados em sistemas de
transmissão veicular,
permite operação remota,
é inteiramente controlado e monitorado por computador, e
possui dispositivos e lógica computacional de segurança que desarma o teste
no caso de algum evento anormal.
Todas essas características tornam a bancada única e especialmente projetada para
atender as necessidades de pesquisa, desenvolvimento e validação dos anéis
sincronizadores.
17
2 MOTIVAÇÃO
A motivação pessoal para a realização desse projeto de mestrado pode ser dividida
em duas categorias: profissional e particular.
Do ponto de vista profissional, o interesse partiu tanto do Candidato quanto do
Departamento de Desenvolvimento de novos produtos da EATON (onde o
Candidato desenvolve as atividades profissionais) ao identificar a carência de
equipamentos de testes versáteis, da área experimental, para a validação e o estudo
tribológico de anéis sincronizadores. O desenvolvimento de um equipamento com as
características pretendidas permitirá uma aceleração no desenvolvimento de novos
anéis, avaliando o comportamento de materiais, influência da geometria e das
condições operacionais, obtendo resultados de ensaios em tempos
significativamente menores quando comparados com os atualmente disponíveis.
Sob a óptica pessoal, a realização do Mestrado propiciou um amadurecimento
científico e tecnológico, além de ter permitido maior aprendizado sobre o atrito, o
desgaste e também de projeto de máquinas, fundamentais para o aperfeiçoamento
do conhecimento e alavancagem das competências para a função de engenheiro de
desenvolvimento de produto.
18
3 CONTEXTUALIZAÇÃO
Os capítulos a seguir apresentam a transmissão e sua função dentro do veículo.
Também é mostrado o porquê da existência dos anéis sincronizadores e, fase a
fase, como o sistema de sincronização funciona durante uma troca de marcha.
Essa explanação faz-se necessária para que o leitor saiba da importância de se ter
um sistema de sincronização bem projetado e também para que seja compreendido
o contexto, dentro da transmissão, no qual estão inseridos os anéis sincronizadores.
3.1 FUNÇÃO DA TRANSMISSÃO
Antes mesmo do surgimento dos primeiros veículos movidos por um motor de
combustão interna, fato oficialmente reconhecido em 1886, segundo Lechner e
Naunheimer (1999), quando a fonte propulsora dos automóveis ainda era um motor
a vapor, James Watt percebeu que os veículos precisavam de um sistema capaz de
ajustar a rotação e o torque do motor para diferentes condições de dirigibilidade. Em
1784, James Watt patenteou a primeira transmissão automotiva (Figura 1), a qual
era constituída por dois pares de engrenagens constantemente engrenadas cuja
troca de marcha era feita através de uma luva deslizante.
Figura 1 – Esquema da transmissão patenteada por Watt (Lechner e Naunheimer, 1999. p. 13)
19
Após a invenção de Watt, engenheiros e inventores perceberam que o motor por si
só não era capaz de fazer com que o veículo subisse rampas íngremes e notaram
que uma relação de marcha amplificadora do torque do motor era necessária para
esse tipo de condição. Por outro lado, quando o desejo era o de aumentar a
velocidade final do veículo, a necessidade consistia em amplificar a rotação do
motor.
A partir de então, inúmeros conceitos de transmissões foram desenvolvidos com a
finalidade de assegurar um melhor aproveitamento do torque e da rotação do motor
diante de diferentes condições de carregamento do veículo, perfis de estrada e
velocidade de deslocamento desejada, ou seja, diante de distintas condições de
dirigibilidade.
Segundo Lechner e Naunheimer (1999), os principais elementos e conceitos de
transmissões foram desenvolvidos até 1925. Após esse período, os esforços
concentraram-se no aumento da vida-útil e do desempenho, na redução do peso e
do ruído e na melhoria da facilidade de uso.
Nos últimos 30 anos, está se dedicando especial atenção à redução de emissões e
consumo de combustível do motor, eliminação do uso de metais pesados (como
chumbo, cádmio, mercúrio e cromo hexavalente) e ampliação na quantidade de
marchas para que o motor trabalhe durante mais tempo no seu ponto ótimo de
funcionamento, o que requer uma transmissão adequada para o desempenho do
veículo como um todo.
3.2 FUNÇÃO DO SISTEMA DE SINCRONIZAÇÃO
As primeiras transmissões inventadas, como o modelo projetado por James Watt,
eram desprovidas de um sistema capaz de efetuar uma troca de marcha suave
(SOCIN e WALTERS, 1968).
No caso de transmissões cujos pares de engrenagens não estão constantemente
engrenados, as próprias engrenagens movem-se axialmente para concluir o engate
da marcha. Esse princípio de funcionamento é similar ao engate da marcha à ré
existente nas atuais transmissões transaxle que equipam carros de passeio.
20
Já no caso de transmissões cujos pares de engrenagens estão o tempo todo
engrenados, a troca de marcha é realizada por uma luva de engate deslizante que
faz a ligação física entre o eixo de saída e a engrenagem almejada pelo motorista.
Esse tipo de construção é conhecido como transmissão não sincronizada ou, no
jargão popular, “caixa-seca”. Ambos os conceitos requerem habilidade do motorista
para que a troca de marcha seja feita sem raspagem e sem danos aos dentados de
engate.
Até hoje transmissões não sincronizadas continuam em uso, principalmente em
caminhões pesados (veículos com peso bruto total acima de 38.000 kgf). Segundo
Ore et al. (1995), as razões para isso são: baixo custo dos componentes mecânicos,
baixo esforço exigido do motorista durante a troca de marcha e pequena quantidade
de partes móveis que maximizam a confiabilidade e a durabilidade da transmissão.
A Figura 2 mostra uma engrenagem e uma luva de engate empregadas em
transmissão não sincronizada. Nessa Figura é possível observar os chanfros
adicionados ao dentado de engate com o intuito de facilitar a troca de marcha.
Figura 2 - Peças de uma transmissão não sincronizada: à esquerda, uma engrenagem e à direita,
uma luva de engate
Ore et al. (1995) explicam porque é necessário habilidade do motorista durante a
condução de um veículo equipado com “caixa-seca”. Em uma transmissão não
sincronizada, para que uma redução de marcha possa ser completada o motorista
precisa: desacoplar o disco de embreagem do motor, colocar a alavanca de
mudanças ou manopla em neutro, reacoplar a embreagem para que o motor em
aceleração eleve a rotação do eixo piloto e da embreagem, desacoplar novamente a
embreagem e, por último, finalizar o engate através da movimentação da manopla
para a posição da marcha desejada, seguido da liberação do pedal de embreagem.
Chanfros para
facilitar o engate
21
A necessidade de pressionar o pedal de embreagem duas vezes durante cada troca
de marcha é conhecida como “dupla embreagem”. Toda essa seqüência de
comandos mencionada anteriormente deve ser feita em perfeito sincronismo de
movimentação de manopla e controle do pedal de embreagem dentro de certa faixa
de rotação do motor (normalmente indicada por tarja verde no conta-giros do
veículo).
Diante desse cenário, visando melhorar o conforto da troca de marcha, permitindo
que o engate fosse realizado em qualquer faixa de rotação do motor e tornando
possível a condução de veículos por motoristas não treinados, foi desenvolvido o
sistema de sincronização.
Para Ore et al. (1995), o conjunto sincronizador possui três funções: bloquear a
conclusão do engate até que a rotação relativa esteja equalizada, conduzir os
elementos girantes da transmissão para a rotação correta conforme a marcha
desejada e promover o engate da marcha após o alcance das rotações adequadas.
Para Socin e Walters (1968) a função dos sincronizadores é oferecer uma
embreagem por atrito dentro da transmissão, a qual é ativada durante a troca de
marcha e cujo objetivo é zerar a rotação relativa entre as partes girantes envolvidas
naquele engate.
Em termos construtivos, McCord (1986) destaca que, durante os primeiros
desenvolvimentos de transmissões sincronizadas, vários conceitos construtivos
foram tentados visando um engate livre de raspagem, contudo o projeto que
prevaleceu ao longo desses anos foi aquele que emprega um mecanismo
bloqueador utilizando embreagem cônica. Segundo Socin e Walters (1968), esse
conceito predominou devido sua alta capacidade de torque associada à geometria e
tamanho reduzidos.
3.3 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE SINCRONIZAÇÃO
Tanto McCord (1986), quanto Ore et al. (1995) dizem que os dois principais tipos de
sincronizadores são: o tipo pino (Figura 3 e 4) e o tipo lamela (Figura 5 e 6).
22
Figura 3 - Sincronizador tipo pino
Figura 4 - Vista em corte e componentes do sincronizador tipo pino (Ore et al., 1995. p.3)
Figura 5 - Sincronizador do tipo lamela
Material de atrito
Dentado de engate
Cone sincronizador
Luva de engate Anel sincronizador
Pino bloqueador
23
Figura 6 - Vista em corte e componentes do sincronizador tipo lamela (Ore et al., 1995. p.3)
Apesar de diferentes em sua forma construtiva, o princípio de funcionamento de
ambos os sincronizadores é o mesmo (ORE et al., 1995).
Tanto o sincronizador do tipo pino, quanto o do tipo lamela contêm uma superfície
cônica de atrito fazendo com que a força axial aplicada na luva de engate seja
amplifica na direção normal a interface de atrito. O material de atrito gera um torque
tangencial à superfície de contato conforme o coeficiente de atrito, a força normal e
o raio médio do cone. Esse torque de atrito é transferido para a engrenagem através
do cone sincronizador e assim a rotação da engrenagem é equalizada (ORE et al.,
1995).
A seguir, são explicitados o engate e a sincronização utilizando o sincronizador do
tipo lamela.
Visando facilitar o entendimento desse sistema, a Figura 7 mostra uma vista
explodida dos componentes do sincronizador.
Luva de engate Material de atrito
Cubo
Anel sincronizador Lamela
Dentado de engate
Cone sincronizador
24
Figura 7 - Vista explodida de um sincronizador do tipo lamela
Um conjunto sincronizador é constituído por um cubo estriado internamente para
acoplamento rígido com o eixo de transmissão de potência e estriado externamente
para acoplamento deslizante com a luva de engate. A luva de engate, por sua vez,
pode deslizar axialmente sobre o cubo para ambos os lados. Cada um dos lados
engata uma marcha diferente, no caso da Figura 7, à esquerda está uma
engrenagem de segunda velocidade e à direita uma engrenagem de primeira
velocidade. Durante a troca de marcha, o movimento realizado pelo motorista na
alavanca de mudanças chega até a luva de engate por meio do sistema de controle
da transmissão (Figura 8) o qual é constituído por varões e garfos de engate. Os
garfos de engate, por sua vez, estão vinculados à luva de engate através do canal
em forma de ‘U’ posicionado no diâmetro externo da luva. É dessa forma que o
movimento de troca de marcha realizado na manopla chega até a luva de engate.
25
Figura 8 - Sistema de controle de uma transmissão manual
A troca de marcha pode ser dividida em 8 fases:
fase 1 – Saída do neutro
fase 2 – Pré-energização
fase 3 – Indexação
fase 4 – Sincronização
fase 5 – Desindexação
fase 6 – Deslocamento livre
fase 7 – Duplo estágio
fase 8 – Engate
Na fase 1, a luva de engate inicia o seu deslocamento axial em direção a
engrenagem a ser engatada, porém nesse início de deslocamento o anel
sincronizador ainda encontra-se afastado do cone sincronizador.
Na fase 2, o deslocamento efetuado pela luva de engate já é suficiente para fazer
com que a lamela toque no anel sincronizador. Esse contato faz com que o
anel sincronizador seja ligeiramente pressionado contra o cone
sincronizador da engrenagem. Esse é o início da próxima fase.
A fase 3, ocorre quase que concomitantemente com a fase anterior. O toque do anel
sincronizador no cone gera um pequeno torque de atrito que gira o anel até
a posição de indexação (Figura 9), a qual é geometricamente definida de
forma a garantir que os chanfros da estria da luva de engate fiquem
26
alinhados com o dentado do anel sincronizador (Figura 10). Para que o giro
de indexação ocorra, é fundamental que as estrias da luva de engate não
estejam em contato com o dentado do anel sincronizador, pois se isso
acontecer a indexação não é realizada.
Figura 9 - Anel sincronizador indexado
Figura 10 - Esquema do posicionamento dos dentados de engates durante a indexação
Após a indexação, a luva de engate se desloca axialmente até que o seu
dentado de engate entre em contato com o dentado do anel sincronizador,
iniciando a fase 4, a sincronização.
Na fase 4 ocorre a transmissão do esforço da luva de engate para o anel
sincronizador através do contato dos dentados de engate (Figura 11).
Como a superfície de atrito é cônica, o esforço axial é amplificado conforme
mostrado na Figura 12 e na Equação 1.
Anel sincronizador
desindexado
Anel sincronizador
indexado
27
Figura 11 - Esquema do posicionamento dos dentados de engates durante a sincronização
Figura 12 - Representação esquemática das forças axial e normal na superfície cônica de atrito
senFF A
N (1)
Onde:
FN - força normal à superfície de atrito do cone sincronizador
28
FA - força axial aplicada à luva de engate
α - ângulo de inclinação da superfície cônica
Essa força normal à superfície cônica, associada com o coeficiente de
atrito nessa interface de contato, produz o torque de atrito responsável pela
equalização das rotações.
Se o motorista estiver realizando uma subida de marcha, por exemplo, indo
de 1ª para 2ª, o torque de atrito deve reduzir (frear) a rotação da
engrenagem a ser engatada. No caso de uma descida de marcha, por
exemplo, indo de 3ª para 2ª, o torque de atrito deve aumentar (acelerar) a
rotação da engrenagem a ser engatada.
Durante a sincronização a luva de engate cessa seu deslocamento axial,
pois o torque de atrito gerado no cone sincronizador produz um esforço
suficientemente alto para manter o anel sincronizador na posição de
indexação. Enquanto o anel sincronizador permanecer nessa posição, a
luva de engate não é capaz de continuar seu movimento axial.
Na sincronização a diferença de energia cinética entre as partes girantes é
dissipada na forma de calor até que a rotação seja equalizada. Lovas et al.
(2006) citam que a temperatura do anel sincronizador eleva-se de 4 a 9 °C.
É por isso que tanto o material de atrito do anel sincronizador, quanto o do
cone sincronizador devem ser escolhidos levando-se em consideração
esse aumento de temperatura, conforme salientado por Ore et al. (1995).
Ao final da sincronização, a rotação da engrenagem está equalizada com a
rotação da luva de engate, conseqüentemente o torque de atrito na
interface cônica de contato cessa-se, e a fase seguinte é iniciada, a
desindexação.
Na fase 5, como o torque de atrito não está mais presente, a força que mantém o
anel sincronizador na posição de indexação deixa de existir. Assim, o
esforço axial aplicado sobre a luva de engate produz, devido o chanfro na
ponta do dentado de engate, uma componente de força na direção
tangencial a qual gira o anel sincronizador (Figura 13). Dessa forma, a luva
de engate consegue prosseguir com seu deslocamento, pois o caminho
não está mais obstruído pelo anel sincronizador.
29
Figura 13 - Esquema do posicionamento dos dentados de engates durante a desindexação
A facilidade ou dificuldade em girar o anel sincronizador nessa fase está
relacionada com o coeficiente de atrito estático da superfície de contato.
Quanto menor for esse coeficiente de atrito, mais facilmente o anel
sincronizador é girado e mais confortável é a troca de marcha para o
motorista. Portanto, o melhor material de atrito é aquele capaz de oferecer
um alto coeficiente de atrito dinâmico durante a sincronização e um baixo
coeficiente de atrito estático durante a desindexação.
Dentro desse contexto, Oster e Pflaum (1987) comentam que se o
coeficiente de atrito dinâmico ficar muito baixo, o efeito bloqueador do
avanço da luva de engate falha, conseqüentemente o engate apresenta
raspagem. Os mesmos autores ainda mencionam que se o coeficiente de
atrito estático ficar muito alto torna-se difícil completar a troca de marcha.
Por causa desses potenciais problemas e visando o desenvolvimento de
um projeto robusto, é fundamental conhecer os parâmetros que afetam o
coeficiente de atrito entre o anel sincronizador e o cone.
Na fase 6, ocorre o deslocamento livre, onde o avanço axial da luva de engate está
com passagem livre até o início da próxima fase.
A fase 7, ocorre quando o chanfro da ponta do dentado de engate da luva de
engate se choca com o chanfro de engate da engrenagem (Figura 14).
Esse fenômeno é conhecido como duplo estágio e dependendo da
magnitude do impacto entre os dentados, gera uma qualidade de engate
30
ruim. A ocorrência do duplo estágio é difícil de ser prevista sem o uso de
modelos dinâmicos complexos de simulação da troca de marcha, pois o
ponto de parada do dentado de engate da engrenagem é aleatório.
Figura 14 - Esquema do posicionamento dos dentados de engates no início do duplo estágio
O esforço axial aplicado sobre a luva de engate produz uma força
tangencial sobre o dentado de engate da engrenagem devido à geometria
do chanfro. Essa força faz com que a engrenagem gire, permitindo o
avanço da luva (Figura 15).
Figura 15 - Esquema do posicionamento dos dentados de engates no final do duplo estágio
31
Na fase 8, a última, a luva de engate desloca-se até encontrar um batente mecânico
que limita o seu avanço axial e o engate está finalizado.
Com a liberação do pedal de embreagem, o torque do motor chega até a
engrenagem, a qual permanece ligada à luva de engate (ligação
assegurada pelos ângulos antiescape) até a próxima troca de marcha
(Figura 16).
Figura 16 - Esquema do posicionamento dos dentados de engates ao final da troca de marcha
32
4 JUSTIFICATIVA
4.1 MOTIVAÇÃO AO DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO PARA
ENSAIO DE ANÉIS SINCRONIZADORES
Bouffet (2004) destaca que o número de equipamentos padronizados para a
avaliação de desempenho de sincronizadores existentes no mercado é pequeno.
Além disso, para aqueles disponíveis comercialmente, as condições de testes nem
sempre reproduzem o comportamento encontrado em campo, notadamente no que
diz respeito a desempenho dinâmico.
O crescimento do uso de transmissões automatizadas, que mantém o layout
mecânico dos componentes internos e acrescentam sistemas pneumáticos, elétricos
ou hidráulicos, controlados por uma central eletrônica para a realização das trocas
de marcha, acarreta maior solicitação do sistema de sincronização. Os anéis
sincronizadores são notadamente as partes mais exigidas, uma vez que essas
transmissões automatizadas buscam reduzir o tempo de troca de marcha a fim de
amenizar o desconforto causado aos ocupantes do veículo devido à sensação de
interrupção de torque. Essa sobrecarga nos anéis sincronizadores é ainda mais
evidente se a automatização da transmissão não for acompanhada por uma
completa revisão do sistema de sincronização.
Bouffet (2004) defende que diante das solicitações mais severas para os
sincronizadores, torna-se necessário desenvolver novas bancadas de testes (sejam
elas padronizadas ou não) com o intuito de se conhecer o comportamento das
propriedades de atrito para essas novas condições operacionais. Isso ajudaria os
projetistas e engenheiros a desenvolverem de forma mais adequada os
componentes do sistema de sincronização, a especificarem apropriadamente os
lubrificantes e a selecionarem corretamente os processos de manufatura visando o
aperfeiçoamento do projeto dos sincronizadores das transmissões automotivas.
Schmid (2007) no seu trabalho apresentado no V Seminário SAE Brasil de
Powertrain, Figura 17, mostra um aumento do rigor na legislação européia sobre as
emissões de poluentes que está sendo acompanhado por um crescimento tanto no
33
torque dos motores quanto na temperatura de trabalho do óleo da transmissão. Esse
aumento de torque do motor conduz a um redimensionamento da transmissão que,
na maioria das vezes, se resume a um reprojeto das engrenagens o qual
eventualmente é acompanhado por um redimensionamento da embreagem. O
reprojeto das engrenagens normalmente implica em aumento da largura do dentado
e aumento do momento de inércia dessas peças. O redimensionamento da
embreagem, por sua vez, requer que o diâmetro do disco de embreagem seja
majorado para ampliar a capacidade de transmissão de torque do sistema. Essas
modificações, devido ao aumento do torque dos motores, passam a exigir mais dos
sincronizadores, pois os momentos de inércia das peças girantes tornam-se
maiores. Com isso, é necessário reavaliar o sistema de sincronização a fim de
garantir que o desempenho e a durabilidade do mesmo atendam os requisitos do
cliente e do fabricante.
Figura 17 - Tendência do torque dos motores e da temperatura do óleo para ônibus articulados
(Schmidt, 2007)
Além do cuidado que os projetistas e engenheiros precisam ter com os requisitos
cada vez maiores de durabilidade e desempenho de sincronização, outro ponto que
não pode ser deixado de lado e que está diretamente relacionado com o usuário
final é a qualidade de engate.
34
Qualidade de engate é uma característica da troca de marcha que está intimamente
relacionada com o coeficiente de atrito dos anéis sincronizadores e seu
comportamento ao longo da vida útil da transmissão.
Quanto maior for o coeficiente de atrito dos anéis sincronizadores, maior será a
capacidade de frenagem/aceleração na sincronização, logo menor será o tempo
necessário para concluir a troca de marcha e, conseqüentemente, menor será a
sensação de interrupção de torque percebida pelo motorista e ocupantes do veículo.
Ainda, quanto maior o coeficiente de atrito, menor é o ângulo necessário no dentado
de engate tanto do anel sincronizador, quanto da luva de engate. Isso implica em
uma menor necessidade de giro do anel sincronizador ao final da sincronização e
também menor giro da engrenagem a ser engatada. Dessa forma, o deslocamento
axial da luva de engate é facilitado durante todo o percurso de engate e o motorista
percebe menos duplo estágio na manopla da alavanca de câmbio. Quanto menos
duplo estágio houver, melhor será a sensação do engate.
Assim, a busca por uma qualidade de engate melhor requer desenvolvimento e
homologação de produto em ensaios, inicialmente em laboratório, e conforme já
acima discutido, não existem equipamentos que permitam a realização de testes que
realmente sejam capazes de reproduzir as falhas, notadamente de desgaste, em
período curto de tempo, o que seguramente justifica o desenvolvimento deste
trabalho de Mestrado.
Outra justificativa para o desenvolvimento da máquina de teste está relacionada com
a corroboração dos resultados encontrados na literatura ao longo dos últimos 30
anos. Especialmente as experimentações que avaliaram durabilidade e
comportamento do coeficiente de atrito de anéis sincronizadores. Por exemplo,
Bouffet (2004) conclui em seu trabalho que cerca de 90% do comportamento do
atrito em anéis sincronizadores de latão se deve ao projeto dos sincronizadores e da
tecnologia empregada neles. Apesar de Bouffet não deixar claro quais as variações
construtivas analisadas e o que exatamente são essas tecnologias, seu estudo
motiva a reprodução de seus testes diante de uma nova óptica, ou seja, replicar os
testes realizados, na bancada proposta neste trabalho. Com a finalidade de
averiguar se essa proporção de 90% se mantém.
Ao invés de avaliar a vida ao desgaste dos anéis sincronizadores inteiros,
empregando uma bancada de engate em linha ou uma bancada de engate em ‘H’, o
equipamento para testes proposto neste trabalho utiliza amostras dos anéis, sem a
35
necessidade de se ter uma transmissão inteiramente montada o que reduzirá,
significativamente, o tempo de ensaio dos protótipos construídos.
Assim, as necessidades de ensaios capazes de reproduzir o comportamento
tribológico encontrado em anéis de sincronismo aliadas à inexistência de
equipamentos de testes acelerados alavancaram e motivaram o desenvolvimento da
bancada de testes proposta neste Trabalho.
4.2 TRABALHOS FUTUROS
Os ensaios que estão sendo realizados têm indicando a necessidade de adicionar
ao sistema de lubrificação, um circuito de aquecimento/resfriamento de óleo para
melhor controlar a temperatura do óleo aplicado sobre a superfície de atrito, o que
será incrementado brevemente ao equipamento.
Mesmo assim, os ensaios que estão sendo realizados têm mostrado que o objetivo
de reproduzir o desgaste de anéis, de maneira acelerada, está sendo alcançado.
No entanto para homologação do equipamento há a necessidade de comparar o
desempenho tribológico obtido com aqueles realizados em campo e em bancada de
engate, utilizando anéis de um mesmo lote de fabricação.
Ensaios de campo para caminhões comerciais leves (vida projetada de 500.000 km)
demorariam cerca de 10,5 anos; para ônibus (vida projetada de 350.000 km)
aproximadamente 6 anos e para pick-ups (vida projetada de 320.000 km) 2,5 anos,
para veículos de testes da EATON (que rodam ininterruptamente por dois turnos de
trabalho), assim se demanda de um longo período para a homologação definitiva do
equipamento.
Contudo, acredita-se que o equipamento em desenvolvimento cumprirá
satisfatoriamente os objetivos para ensaios comparativos entre anéis fabricados com
materiais diferentes.
36
5 TIPOS DE FALHAS
Os tópicos a seguir apresentam as principais falhas de anéis sincronizadores
observadas em veículo e em bancada de engate.
5.1 TIPOS DE FALHAS DOS SINCRONIZADORES
Quando uma transmissão é submetida a um teste de durabilidade em bancada de
sincronização, não só os anéis sincronizadores são avaliados. Outros componentes
do sistema de engate (como garfos, varões, luva de engate, cubo e cone
sincronizador) também são testados.
Basicamente, três grandes áreas são cobertas pelos testes: desgaste, resistência
mecânica e verificação do funcionamento do sistema de engate. A Figura 18
apresenta os componentes e as partes avaliadas em um teste de durabilidade de
bancada de sincronização.
37
Durabilidade em Bancada de Sincronização
Desgaste Resistência Mecânica Funcionamento
Anel Sincronizador(Superfíce de Atrito)
Anel Sincronizador(Dentado)
Luva de Engate(Dentado)
Luva de Engate(Rampas da Lamela)
Luva de Engate(Calha do Garfo)
Lamela
Patim do Garfo
Cone da Engrenagem(Dentado)
Cone da Engrenagem(Superfície de Atrito)
Varões de Engate(Apoio nos Mancais)
Varões de Engate(Rampas dos Posicionadores)
Pinos e Posicionadores
Cubo Sincronizador
Alavanca Interna
Anel Sincronizador(Dentado)
Anel Sincronizador(Corpo)
Cone da Engrenagem(Batentes de Engate)
Lamela
Garfos de Engate
Varões de Engate
Alavanca Interna
Molas do Sistema
Engates
Torre de Controle
Interferência Mecânica
Escape de Componentes
Raspagem de Marcha
Bloqueio de Engate
Figura 18 - Partes avaliadas em bancada de durabilidade de sincronizadores
Os dois itens destacados em azul são aqueles avaliados na bancada proposta neste
trabalho. Todos os demais não são testados nela, por isso o intuito dessa máquina
38
não é o de substituir os testes feitos na bancada de engate em linha e na bancada
de engate em ‘H’.
A seguir são apresentados os principais modos de falha de anéis sincronizadores
identificados tanto em veículos no campo, quanto em bancadas de durabilidade.
5.1.1 Desgaste de anel sincronizador
Este é o principal modo de falha que a bancada de testes proposta neste trabalho se
propõe a analisar.
Normalmente, esse tipo de falha ocorre após a vida projetada da transmissão,
mesmo com o veículo operando adequadamente e dentro das condições normais de
uso. Assim, é o modo de falha diretamente relacionado com a vida da sincronização.
Quando ocorre esse tipo de falha, o efeito percebido é a raspagem de marcha, a
qual pode ser causada tanto por falta de curso axial do anel sincronizador, devido à
magnitude do desgaste, quanto por falta de capacidade de frenagem devido à queda
no atrito. Neste último caso, ainda existe o curso axial disponível para o anel.
A Figura 19 apresenta a crista do filete de rosca de um anel sincronizador de latão
que falhou por perda no coeficiente de atrito em teste de durabilidade de
sincronização.
Figura 19 - Crista de um filete de rosca de um anel sincronizador falhado em teste de durabilidade
39
A Figura 20 mostra um anel sincronizador novo de latão. Nessa figura é possível
observar a fina largura da crista da rosca da superfície de atrito do anel
sincronizador. Já a Figura 21 exibe o mesmo anel, porém após um teste de
desempenho de sincronização realizado em veículo, onde se pode observar o
aumento na largura da crista do filete de rosca.
Figura 20 - Filetes de rosca na superfície de atrito de um anel sincronizador novo
Figura 21 - Filetes de rosca na superfície de atrito de um anel sincronizador usado
A bancada apresentada neste trabalho foi desenvolvida para estudar os parâmetros
que influenciam o desempenho tribológico de anéis sincronizadores como esses
mostrados nas figuras anteriores.
Esses parâmetros podem ser geométricos:
altura do filete de rosca;
Fina largura da
crista da rosca
Aumento na
largura da crista
40
largura da crista;
passo da rosca;
perfil do rasgo de escoamento de óleo;
largura do anel sincronizador;
rugosidade na superfície do cone da engrenagem;
ondulação na superfície do cone da engrenagem;
circularidade na superfície do cone da engrenagem;
tolerância do ângulo do cone da engrenagem.
Podem ser parâmetros metalúrgicos:
material da superfície de atrito do anel sincronizador;
material do cone da engrenagem;
tratamento térmico do cone da engrenagem;
dureza da superfície do cone da engrenagem.
Ou ainda parâmetros de lubrificação:
tipo de óleo;
temperatura do óleo;
aditivos do óleo;
viscosidade do óleo.
5.1.2 Quebra do anel sincronizador
Este tipo de falha, por não ser de natureza tribológica, foge aos objetivos do
equipamento proposto neste trabalho. No entanto, por se tratar de uma falha que
ocorre nos anéis sincronizadores será descrita a seguir.
Normalmente, esse tipo de falha é ocasionado por subdimensionamento do anel, por
problemas no material, por não atendimento à geometria especificada em desenho
ou por sobrecarga devido uso inadequado da transmissão durante a troca de
marcha.
O resultado imediato após a ocorrência dessa falha é a raspagem de marcha, pois a
capacidade de aplicação de torque de atrito é prejudicada e o sistema de
41
sincronização torna-se incapaz de equalizar a rotação da engrenagem que será
engatada com a rotação da luva de engate.
As Figuras 22 e 23 mostram um anel sincronizador, de aço sinterizado, partido. Esse
rompimento faz com que a superfície de contato interna do anel perca sua
efetividade de atrito ao tocar o cone sincronizador da engrenagem.
Figura 22 - Vista exterior da falha em anel sincronizador de aço sinterizado
Figura 23 - Vista interna da falha em anel sincronizador de aço sinterizado
A Figura 24 mostra um anel sincronizador de latão com todos os dentes de engate
arrancados. A Figura 25 exibe o detalhe deste arrancamento.
Figura 24 - Anel sincronizador sem os dentes de engate
42
Figura 25 - Detalhe do arrancamento do dente
Diferentemente da falha descrita anteriormente, nesta falha a superfície interna do
anel permanece intacta, porém a eliminação do dentado de engate impede que a
força exercida sobre a luva de engate chegue até o anel sincronizador. Sem a carga,
o anel sincronizador não atua e a rotação da engrenagem não é equalizada,
acarretando raspagem de marcha.
A falha por quebra é detectada tanto em bancada de durabilidade quanto em
veículo, porém não é percebida pela máquina de testes proposta aqui, pois a
amostra ensaiada, além de ser um segmento do anel sincronizador real, não é
carregada da mesma forma que em uma transmissão. Na transmissão, todo o
esforço aplicado na luva de engate é transmitido para o anel sincronizador através
dos dentes de engate (Figura 26), já na bancada proposta neste texto, o esforço é
transmitido através da face da amostra (Figura 27).
Figura 26 - Local de aplicação da força em condições reais de uso
43
Figura 27 - Local de aplicação da força na bancada de testes proposta neste trabalho
5.1.3 Falha do anel sincronizador por amassamento
A falha por amassamento pode ocorrer de duas formas e o resultado produzido na
peça é diferente conforme sua origem.
Uma delas é a falha por amassamento no dentado do anel sincronizador (Figura 28)
a qual é causada pela combinação de alto esforço de engate com pequena área de
contato entre a luva de engate e o anel. Essa falha é potencializada se o anel
sincronizador e/ou a luva de engate apresentar erro de espaçamento ou de batida
no dentado de engate.
Figura 28 - Dentado amassado de anel sincronizador de latão
O resultado desse amassamento é a perda da sincronização e conseqüentemente,
raspagem de marcha.
44
O outro modo de falha por amassamento ocorre quando a vibração torcional oriunda
do motor do veículo não é devidamente amortecida pela embreagem. Essa vibração
faz com que todos os componentes internos da transmissão, inclusive os conjuntos
sincronizadores, vibrem radialmente. Dependendo da amplitude e da freqüência de
vibração, os anéis sincronizadores sofrem esmagamento na região de indexação,
conforme mostrado na Figura 29.
Figura 29 - Rebaixo de indexação de um anel sincronizador danificado por vibração torcional
Esse amassamento na região de indexação é gradual e provoca aumento na força
requerida para a troca de marcha e piora na qualidade de engate. Se a peça não for
substituída, o resultado, em longo prazo, pode ser o bloqueio completo do engate da
marcha em que se encontra o anel danificado.
45
6 REVISÃO DOS MEIOS DE TESTES
Os tópicos a seguir mostram os testes feitos com anéis sincronizadores na EATON e
aqueles feitos em bancadas disponíveis comercialmente.
6.1 ENSAIOS ATUAIS
A Norma alemã DIN 50322 classifica os ensaios tribológicos lubrificados de acordo
com as condições de testes e conforme o tipo de sistema utilizado. Contudo, nem
sempre é fácil alocar determinados testes nas categorias propostas pela Norma,
pois alguns ensaios podem se enquadrar simultaneamente em mais de uma
categoria. A Figura 30 a seguir mostra como a classificação é feita nesta Norma.
46
Figura 30 - Classificação dos ensaios tribológicos lubrificados conforme norma DIN 50322 (Mang e
Dresel, 2007)
Os ensaios realizados pela engenharia de testes da empresa EATON, para
avaliação do desempenho e da durabilidade dos anéis sincronizadores, enquadram-
se na Categoria I e III da norma DIN 50322. Assim é possível concluir que a duração
de cada teste é longa, pois o mesmo procura reproduzir as condições de
dirigibilidade e utilização presenciadas ao longo da vida útil da transmissão.
Já a bancada de testes de atrito e desgaste de anéis sincronizadores sugerida neste
trabalho pode ser enquadrada na Categoria V ou VI, pois além de não exigir o uso
de uma transmissão completa, permiti que parâmetros como força aplicada e
rotação sejam controlados conforme aspiração da engenharia, independentemente
de estar reproduzindo uma condição real de uso.
47
A vantagem que se obtém ao sair de um teste em veículo para um teste laboratorial,
utilizando amostras representativas das peças originais, é a reprodutibilidade e o
controle sobre as condições de ensaio.
A seguir são apresentados os testes atualmente realizados pela EATON para
avaliação dos sincronizadores.
6.1.1 Avaliação em veículo
A avaliação em veículo visa determinar a durabilidade não só do sistema de
sincronização, mas da transmissão como um todo. Esse teste procura reproduzir as
condições normais de dirigibilidade do veículo em uma rota pré-estabelecida, ou
seja, é um teste de Categoria I conforme proposto pela norma DIN 50322.
Os veículos utilizados podem ser tanto da própria empresa produtora, quanto de
terceiros, eventualmente do próprio usuário da transmissão. No caso de terceiros, a
transmissão é instalada livre de qualquer custo e, caso ocorra alguma falha durante
o período de avaliação, os gastos envolvidos na troca ou manutenção da
transmissão também são absorvidos pela fabricante do produto.
Os testes em veículo são interessantes, pois representam condições típicas de
utilização da transmissão e possibilitam que várias amostras sejam analisadas
simultaneamente, bastando multiplicar a quantidade de veículos avaliados. Além
disso, o custo desse teste corresponde à aproximadamente 10% do custo de um
teste em bancada de engate em linha. A desvantagem é que neste tipo de teste, a
transmissão nunca é avaliada até o final de sua vida projetada: para caminhões,
500.000 km; para ônibus, 350.000 km e para pick-ups, 320.000 km, valores típicos
de uso, porém podendo variar conforme o requisito do cliente.
Nos testes em veículo, normalmente, a quilometragem alvo é 120.000 km para
caminhões (24% da vida projetada), 120.000 km para ônibus (34% da vida) e 80.000
km para pick-ups (25% da vida), os quais demoram respectivamente 30, 24 e 8
meses para serem concluídos.
Logo, as falhas encontradas nesse tipo de teste são aquelas devido a fenômenos
eventuais como os defeitos de fabricação ou erros de projeto. Falhas de final de
48
vida, normalmente associadas ao desgaste dos componentes, não são avaliadas
nesse teste. As falhas devido ao desgaste são analisadas nas bancadas de engate
em linha e nas bancadas de engate em ‘H’ que serão discutidos a seguir.
6.1.2 Bancada de engate em linha
As bancadas de engate em linha, como a própria denominação sugere, são
utilizadas para avaliar a durabilidade nos engates em que as marchas estão
alinhadas. Dessa forma, não é necessário fazer o movimento de seleção de marcha
entre uma troca e a outra.
Assim, em uma transmissão de 5 marchas cujo posicionamento das marchas seja
conforme ilustrado na Figura 31, os engates passíveis de serem avaliados são: 1►2,
2►1, 3►4 e 4►3, que segundo a Norma DIN 50322, seriam de Categoria III.
Figura 31 - Disposição das marchas de uma pick-up equipada com transmissão de 5 marchas
As bancadas de engate em linha (Figura 32) permitem que a força, aplicada por um
sistema pneumático, seja ajustada conforme solicitação e teste desejado. Além
disso, a rotação e o disco de inércia, o qual representa o disco de embreagem do
veículo, podem também ser ajustados de acordo.
49
Figura 32 - Bancada de engate em linha
Nessa bancada, a rotação é aplicada ao eixo de saída da transmissão por meio de
um motor elétrico e não pelo eixo piloto através da embreagem como no veículo.
Nesse teste, podem ser monitorados a rotação do eixo piloto e do eixo de saída, a
temperatura do óleo dentro da transmissão, a força aplicada na alavanca de
mudança de marchas e a quantidade e freqüência de engates.
Como os testes de durabilidade realizados nessas bancadas são acelerados em
termos de freqüência de engates, é possível testar os sincronizadores (e também
todo o sistema de engate) por toda a vida projetada da transmissão. Dessa forma,
evita-se a avaliação em veículo, que neste caso seria inviável, pois para um
caminhão atingir a vida projetada da transmissão demorar-se-iam 10,5 anos
aproximadamente.
Ainda assim, no caso de uma transmissão utilizada em pick-up, o tempo necessário
para avaliar uma única amostra nos engates alinhados é de cerca de 1 mês (com a
bancada funcionando 24 horas por dia, de segunda a sexta-feira). Já para uma
transmissão utilizada em caminhão ou microônibus, o tempo seria de 4,5 meses
para uma amostra.
A avaliação dos engates não alinhados é feita na bancada de engate em ‘H’ descrito
no próximo item.
50
6.1.3 Bancada de engate em ‘H’
A bancada de engate em ‘H’ (Figura 33), além de poder realizar os engates em
linha, pode também executar as trocas de marcha que exigem a realização do
movimento de seleção. Considerando a mesma configuração de marchas da Figura
31 mostrada anteriormente, os seguintes engates não alinhados são passíveis de
serem avaliados nesse tipo de bancada: 2►3, 3►2, 4►5 e 5►4.
Assim, como no caso da bancada em linha, essa bancada pode ser classificada
segundo a Norma DIN 50322 na Categoria III.
Figura 33 - Bancada de engate em 'H'
O princípio de funcionamento, as variáveis controladas e as saídas monitoradas são
as mesmas da bancada de engate em linha. O diferencial dessa bancada é que o
sistema de aplicação de força para mudança de marcha é realizado por um robô
51
pneumático capaz de movimentar a alavanca tanto em ‘x’, quanto em ‘y’. Permitindo
efetuar o movimento de seleção e de engate.
O tempo necessário para a avaliação de todos os engates (sejam eles alinhados ou
não) de uma transmissão de pick-up ao longo da vida projetada é de 3 meses (com
a bancada funcionando 24 horas por dia, de segunda a sexta-feira). Já para uma
transmissão utilizada em caminhão ou microônibus, olhando os mesmos engates, o
tempo é de 12 meses para uma amostra.
6.2 BANCADAS DE TESTES DE SINCRONIZADORES EXISTENTES
A seguir são mostrados os equipamentos padronizados e também aqueles não
padronizados, disponíveis comercialmente no mercado, dedicados à avaliação
tribológica de anéis sincronizadores.
6.2.1 Bancada FZG SSP 180
Segundo Bouffet (2004), o equipamento de testes mais conhecido, e disseminado no
mercado, para avaliação do desempenho de anéis sincronizadores é a bancada
comercialmente conhecida como FZG SSP 180 (Figura 34) fabricada pela
companhia alemã Hürth Company.
52
Figura 34 - Máquina de testes FZG SSP 180 (HD Automation, 2008)
Essa bancada foi desenvolvida pela Hürth Company em parceria com o Centro de
Pesquisa de Engrenagens (FZG) da Universidade de Munique na Alemanha.
Atualmente é comercializada pela ZF em Passau (Alemanha), empresa fabricante de
transmissões automotivas.
Os testes realizados nesse equipamento seguem principalmente a Norma Técnica
CEC L-66-T-99, do Co-ordinating European Council, uma organização privada
responsável pelo desenvolvimento de procedimentos de testes para a indústria
automotiva, destinada notadamente para testes relacionados com lubrificação de
transmissões ou de motores.
Essa máquina utiliza um conjunto sincronizador completo para avaliar o
desempenho de anéis sincronizadores, ou seja, dentro do receptáculo de teste
existe: uma luva de engate, um cubo, duas engrenagens, dois cones
sincronizadores, um garfo de engate e dois ou mais anéis sincronizadores conforme
a configuração de sincronização empregada (cone simples, duplo cone ou triplo
cone).
53
Além do conjunto sincronizador, também compõem o equipamento: um motor
elétrico, dois discos de inércia, atuadores hidráulicos e um sistema de aquecimento
e circulação de óleo (MANG e DRESEL, 2007). A Figura 35 mostra um esquema da
bancada FZG SSP 180.
Figura 35 - Esquema da bancada FZG SSP 180 (Mang e Dresel, 2007)
O disco de inércia maior está conectado, através de um conjunto correia-polia, ao
motor elétrico, o qual é responsável por fornecer rotação ao sistema. Esse disco de
inércia também está fisicamente preso à engrenagem indicada pelo número II na
Figura 35.
O disco de inércia menor está conectado ao cubo sincronizador e é esse disco que
representa a inércia que os anéis sincronizadores tentam acelerar (engate para o
lado B utilizando o anel sincronizador II) ou desacelerar até zero (engate para o lado
A utilizando o anel sincronizador I). Esse movimento de engate/desengate de
marcha é realizado pelo atuador hidráulico, que está conectado ao garfo de engate,
que por sua vez aciona a luva de engate. O óleo aquecido é aplicado por um
54
pulverizador sobre os anéis sincronizadores e as engrenagens durante as trocas de
marcha.
Essa configuração e a forma de atuação da sincronização (aceleração e
desaceleração de um disco inercial) buscam reproduzir o comportamento dos anéis
sincronizadores dentro da transmissão em veículos. Assim, segundo a Norma DIN
50322, os ensaios realizados podem ser classificados como Categoria III a V,
dependendo das condições estabelecidas durante os testes.
Ao longo do tempo, essa bancada avalia o desgaste dos anéis sincronizadores, a
variação do atrito, na superfície de contato entre o anel sincronizador e o cone da
engrenagem, o torque de atrito, o tempo de sincronização e o deslocamento axial.
As Figuras 36, 37 e 38 mostram resultados gráficos típicos dessa bancada.
Figura 36 - Tendência do coeficiente de atrito ao longo de um ciclo de pressão x rotação (Sigl et al.,
2003)
55
Figura 37 – Comportamento do coeficiente de atrito e do desgaste axial em função da quantidade de
ciclos de engate no decorrer de um teste de durabilidade (Sigl et al., 2003)
Figura 38 - Resultado gráfico da avaliação de um único engate (Sigl et al., 2003)
Os parâmetros controlados na máquina FZG SSP 180 são: a rotação das
engrenagens, a quantidade de ciclos, a temperatura do óleo e a pressão de contato.
Segundo Mang e Dresel (2007), as limitações técnicas da FZG SSP 180 são:
diâmetro dos anéis sincronizadores: 40 – 200 mm
diferença de rotação: 0 – 5000 rpm
força axial: até 4000 N
disco de inércia: 0,040 – 0,120 kg.m²
tempo de cada ciclo: > 4 s
56
temperatura do óleo: 10 – 120 °C
vazão de óleo: 2 – 9 L/min
volume de óleo: 8 – 10 L
Segundo Bouffet (2004), apesar de bem projetada, a flexibilidade dessa bancada é
limitada o que a torna nada versátil para os atuais requisitos dinâmicos de
sincronização. Além disso, a preparação e a operação dessa máquina são
trabalhosas e demoradas.
6.2.2 µ-Comp
Este equipamento está disponível em duas versões, uma tradicional e outra para
caminhões e pode ser vista na (Figura 39).
É uma máquina de teste de sincronizadores que foi desenvolvida pela Höerbiger
(fabricante de anéis sincronizadores) de Schongau na Alemanha (MANG e DRESEL,
2007).
Figura 39 - Máquina de testes µ-Comp (HD Automation, 2008)
Diferentemente da FZG SSP 180, que avalia tanto uma subida de marcha quanto
uma descida, essa bancada avalia somente subida de marcha, ou seja, o anel
57
sincronizador sempre atua como um freio, tentando reduzir a rotação da massa
girante. Contudo, visando evitar sobrecarga no dentado de engate do anel
sincronizador em teste e também para se aproximar das condições reais de uso de
uma transmissão em veículo, essa máquina de testes, a cada 200 revoluções,
inverte o sentido de rotação para que ambos os flancos do dentado de engate sejam
solicitados.
Segundo Mang e Dresel (2007), além de sincronizadores do tipo cone simples, essa
bancada também é capaz de testar sincronizadores do tipo dublo cone ou triplo
cone.
Essa máquina de testes utiliza metade de um conjunto sincronizador, ou seja,
somente um anel sincronizador é montado e, conseqüentemente, o engate é sempre
feito para o mesmo lado do cubo sincronizador. Assim, dentro do receptáculo de
teste existe: uma luva de engate, um cubo, uma engrenagem, um cone
sincronizador, um garfo de engate e um anel sincronizador (ou mais anéis
sincronizadores caso a configuração de sincronização empregada seja do tipo duplo
cone ou triplo cone).
Além do conjunto sincronizador, também compõem o equipamento: um motor
elétrico, discos de inércia, atuadores hidráulicos, um transdutor (Figura 41) e um
sistema de aquecimento e circulação de óleo (MANG e DRESEL, 2007). A Figura 40
mostra um esquema da bancada µ-Comp.
Figura 40 - Esquema da máquina de testes µ-Comp (Mang e Dresel, 2007)
58
Figura 41 - Transdutor e cone sincronizador (HOTLINE, 2006)
Através de uma embreagem, os discos de inércia estão conectados ao motor
elétrico que é responsável por fornecer rotação ao sistema. Além da união com o
motor elétrico, os discos de inércia estão conectados ao cubo sincronizador e
representam a inércia que o anel sincronizador tenta desacelerar até zero. Uma vez
concluída a sincronização e o engate da marcha, o atuador hidráulico efetua o
desengate da luva de engate e o motor elétrico acelera os discos de inércia,
novamente, até a rotação de teste programada (MANG e DRESEL, 2007).
A engrenagem e conseqüentemente o cone sincronizador estão parados o tempo
todo, pois se encontram fixos ao transdutor que mede o torque de atrito aplicado
pelo anel sincronizador no momento da frenagem da rotação dos discos de inércia.
Nessa máquina, as partes girantes do conjunto sincronizador são: cubo, luva de
engate e anel sincronizador.
Semelhante a FZG SSP 180, um sistema pulverizador aplica óleo aquecido sobre o
anel sincronizador e a engrenagem durante o engate da marcha.
Do mesmo modo que a FZG SSP 180, a configuração construtiva e a forma de
atuação da sincronização da bancada µ-Comp buscam reproduzir o comportamento
dos anéis sincronizadores observados dentro da transmissão em veículos do campo.
Assim, segundo a Norma DIN 50322, os testes realizados nessa máquina também
podem ser classificados como Categoria III a V, dependendo das condições de
ensaio estabelecidas.
A Figura 42 mostra um resultado gráfico típico dessa bancada.
59
Figura 42 - Resultado gráfico da bancada µ-Comp para um único engate (HOTLINE, 2006)
Segundo Mang e Dresel (2007), as limitações técnicas da µ-Comp tradicional são:
diâmetro dos anéis sincronizadores: 50 – 120 mm
diferença de rotação: 0 – 4500 rpm
força axial: até 5000 N
disco de inércia: 0,013 – 0,036 kg.m²
tempo de cada ciclo: > 3 s
temperatura do óleo: até 120 °C dentro do receptáculo de testes
vazão de óleo: 0 – 3,5 L/min
volume de óleo: 4 – 6 L
Já as limitações técnicas da µ-Comp para caminhões são:
diâmetro dos anéis sincronizadores: 100 – 200 mm
diferença de rotação: 0 – 3500 rpm
força axial: até 5000 N
disco de inércia: 0,015 – 2,500 kg.m²
tempo de cada ciclo: > 3 s
60
temperatura do óleo: até 120 °C dentro do receptáculo de testes
vazão de óleo: 0 – 3,5 L/min
volume de óleo: 4 – 6 L
6.2.3 SAE No.2
Originalmente desenvolvida com o intuito de avaliar as características de atrito dos
discos de embreagem de transmissões automáticas frente a diferentes fluidos
lubrificantes (SAE J286, 2006), a máquina de testes SAE No. 2 (Figura 43) foi
modificada por algumas empresas de forma a permitir estudar o comportamento
tribológico de anéis sincronizadores.
Figura 43 - Máquina de testes SAE No.2 comercializada pela Automax (Automax, 2008)
A ETSm (Expertise Technology & Services) que hoje faz parte do grupo D2T, é um
laboratório francês independente que realiza pesquisas na área de trem-de-força.
O equipamento denominado de ETSm Synchronizer Friction Machine (Figura 44), foi
desenvolvido com a substituição do motor elétrico original da SAE No. 2. Essa
modificação foi necessária, pois a inércia do motor elétrico original era alta demais
para representar a inércia real de trabalho de uma transmissão mecânica manual
(BOUFFET, 2004).
61
Segundo Bouffet (2004), além da troca do motor elétrico, os fabricantes dessa
máquina de testes se preocuparam com: velocidade de atuação do sistema de
engate de marcha (feito por um cilindro pneumático), curso de engate, facilidade de
manutenção, flexibilidade operacional e baixo custo do equipamento.
Figura 44 - ETSm Synchronizer Friction Machine (Bouffet, 2004)
O princípio de funcionamento da máquina ETSm Synchronizer Friction Machine é
similar ao das máquinas FZG SSP 180 e µ-Comp, ou seja, consiste em acelerar uma
massa inercial até uma desejada rotação e em seguida acionar o conjunto
sincronizador que freia essa rotação através da atuação do anel sincronizador.
A bancada de testes proposta neste trabalho utiliza um princípio diferente de
funcionamento, pois a atuação do anel sincronizador não efetua a desaceleração de
uma massa inercial. O princípio de funcionamento está mais próximo de uma
máquina de ensaios de desgaste como a Falex block-on-ring test machine.
6.2.4 Falex block-on-ring test machine
Criada pela empresa Falex Corporation dos Estados Unidos, essa máquina de
testes (Figura 45) possibilita o estudo tribológico do desgaste em condições de atrito
deslizante lubrificado ou não. Essa bancada aplica uma carga normal sobre um
bloco retangular que se encontra em contato com um anel em rotação constante ou
em movimento oscilante. Tanto o bloco quanto o anel podem ser confinados em uma
62
câmara que permite o controle da temperatura e da pressão interna de forma a se
controlar a umidade ou se evitar a formação de gases corrosivos.
Figura 45 - Falex block-on-ring test machine (FALEX TRIBOLOGY NV NEWSLETTER, 2002)
As características técnicas da máquina de testes são (FALEX TRIBOLOGY NV
NEWSLETTER, 2002):
carga: < 4000 N
rotação: < 3000 rpm
temperatura: até 150 °C
pressão da câmara de testes: < 10 bar
A bancada permite que o coeficiente de atrito, a temperatura e o desgaste sejam
medidos no decorrer dos ensaios.
63
7 PROJETO E CONSTRUÇÃO DA BANCADA
Os capítulos a seguir apresentam o projeto e características construtivas de cada
sistema da bancada proposta neste trabalho. Assim como, as limitações do
equipamento.
7.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Diferentemente das bancadas disponíveis comercialmente, a máquina de testes
proposta neste trabalho não aciona o anel sincronizador com o intuito de
frear/acelerar uma massa inercial girante, praticamente reproduzindo o princípio de
funcionamento do sistema sincronizador dentro da transmissão.
Como o intuito é avaliar o desempenho da superfície de atrito, reproduzir um engate
real demanda tempo em fases da troca de marcha que não colocam a interface de
atrito do anel sincronizador para trabalhar e que, conseqüentemente, não agregam
ao objetivo visado.
Diante disso, ao contrário de bancadas como a FZG SSP 180 e a µ-Comp, o
equipamento proposto neste trabalho faz com que um segmento de anel
sincronizador atrite contra um cone sincronizador de forma que a rotação e a força
aplicada sejam controladas e mantidas constantes, ou não, conforme desejado.
7.2 CONCEPÇÃO DA MÁQUINA
Os primeiros pontos a serem definidos no projeto de uma bancada de testes são as
limitações do equipamento. Limitações tanto geométricas (seja de tamanho da
amostra a ser ensaiada, seja de dimensões da bancada) quanto de capacidade
(limites superiores e inferiores de rotação e de aplicação de carga, freqüência de
64
aquisição de dados dos sensores, resolução dos sensores, curso máximo de
deslocamento, entre outros).
7.2.1 Geometria da amostra
Diferentemente da abordagem empregada nas máquinas de testes encontradas no
mercado, decidiu-se que as amostras para os ensaios seriam segmentos de anel
sincronizador ao invés de peças inteiras.
A vantagem desta abordagem é que de um único anel sincronizador podem ser
extraídos mais de seis corpos-de-prova, conseqüentemente, variações metalúrgicas
e dimensionais inerentes ao processo de fabricação dessa peça são minimizadas
entre os exemplares tirados de um mesmo componente. Com isso, elimina-se um
fator gerador de variabilidade nos resultados que é proveniente das inconstâncias do
processo de manufatura.
7.2.2 Dimensão do corpo-de-prova
Após a definição da geometria, um fator crucial para o início do projeto da bancada
foi a definição do tamanho máximo e mínimo dos corpos-de-prova a serem
ensaiados. Para isso, primeiramente se observou quais são as transmissões que
fazem parte do portfólio de produtos projetados e fabricados pela EATON e em
seguida selecionou-se aquelas com maior e menor capacidade de torque,
respectivamente a transmissão FSO-4405 (580 N.m), mostrada na Figura 46, e a
FSO-1305 (244 N.m), mostrada na Figura 47.
65
Figura 46 - Transmissão FSO-4405
Figura 47 - Transmissão FSO-1305
A FSO-4405 é uma transmissão que equipa microônibus e caminhões comerciais
leves, com peso bruto total de até 9 toneladas, e a FSO-1305, uma transmissão para
pick-ups atualmente é utilizada na S-10 da GM com motorização à gasolina e flex
combustível.
Depois de escolhidas as transmissões, observou-se qual é o maior anel
sincronizador da FSO-4405 e qual é o menor da FSO-1305. Para realizar essa
seleção, utilizou-se o diâmetro médio do cone interno do anel sincronizador, ou seja,
o diâmetro médio da superfície de atrito.
O resultado dessa análise foi:
FSO-4405 – anel sincronizador de 4ª marcha – Ø 93,00 mm
FSO-1305 – anel sincronizador de 5ª marcha – Ø 53,95 mm
A Figura 48 mostra essas peças lado a lado.
66
Figura 48 - À esquerda, anel sincronizador de 5ª da FSO-1305 e, à direita, anel sincronizador de 4ª
da FSO-4405
Quando a concepção do projeto da bancada foi realizada, a FSO-4405 era, dentre
as transmissões leves, aquela com a maior capacidade de torque, contudo em
dezembro de 2007 surgiu uma nova transmissão, a FSO-4505, a qual se tornou a
transmissão com maior torque, devido seus 600 N.m. Apesar disso, o diâmetro
máximo do anel sincronizador não foi modificado e a bancada continua
dimensionada para atender todos os diâmetros dos anéis sincronizadores do
portfólio de transmissões leves.
Em seguida, após a escolha do tamanho dos anéis sincronizadores, foi definido que,
no mínimo, 6 corpos-de-prova seriam retirados por peça. Essa definição é
fundamental para o dimensionamento da porta-amostra.
Para fins de calibração e acerto da bancada, optou-se por trabalhar com amostras
oriundas de anéis sincronizadores roscados de latão de mesma geometria que os
anéis sincronizadores da transmissão FSO-2405. A única diferença entre esses
anéis sincronizadores é a superfície de atrito (Figura 49).
67
Figura 49 - Diferença entre o anel sincronizador de produção (com fita de fibra de carbono) e o anel
sincronizador utilizado durante o desenvolvimento da bancada (com rosca)
Esta escolha foi feita por dois motivos: primeiro devido à facilidade em se conseguir
exemplares do contra-corpo (eixo piloto) dado à elevada demanda dessa
transmissão e segundo, devido o desconhecimento do comportamento da fita de
fibra de carbono diante da segmentação do anel sincronizador.
Assim, os corpos-de-prova utilizados no desenvolvimento da bancada possuem um
diâmetro médio da superfície de atrito de 90 mm e correspondem a 1/6 do anel
sincronizador (Figura 50).
68
Figura 50 - Amostra utilizada durante o desenvolvimento da bancada
7.2.3 Carga aplicada sobre a amostra
A escolha dos carregamentos aplicados sobre a amostra veio da avaliação das
forças de engate empregadas durante a sincronização para diferentes transmissões
leves.
A força de sincronização aplicada pelo motorista depende de:
geometria do cone sincronizador da engrenagem,
coeficiente de atrito dinâmico entre o anel sincronizador e o cone,
arrasto do óleo,
eficiência mecânica do sistema de controle,
rotação do motor durante a troca de marcha,
relação de alavanca existente entre a luva de engate e a manopla do câmbio,
inércia das peças girantes, e
do tempo de sincronização.
Conforme mostra a Equação 2 a seguir.
CdALAV
DS
R
A RR
Tt
IsenEF
12
(2)
69
Onde:
FA - força aplicada na manopla de engate [N]
E - eficiência do sistema de controle da transmissão
α - ângulo da superfície cônica de atrito [graus]
IR - inércia refletida das peças girantes que são freadas ou aceleradas
durante a sincronização [kg.m²]
ω2 - velocidade angular do cone sincronizador imediatamente depois da
sincronização [rad/s]
ω1 - velocidade angular do cone sincronizador imediatamente antes da
sincronização [rad/s]
ts - duração da sincronização [s]
TD - torque devido o arrasto do óleo [N.m]
RALAV - relação de alavanca do sistema de controle
µd - coeficiente de atrito dinâmico
RC - raio médio da superfície cônica [m]
A Figura 51 mostra um gráfico de força de engate, em Newton, para a troca de
marcha de 4ª para 5ª em uma pick-up, em função do deslocamento da manopla, em
milímetros.
Figura 51 - Gráfico da medição objetiva do esforço de engate durante uma troca de marcha de 4ª
para 5ª
70
A linha vermelha contínua corresponde ao valor médio da força para os engates
dinâmicos, enquanto que a linha verde tracejada corresponde ao valor médio para
os engates estáticos.
A força de sincronização é aquela situada entre 40 e 60 mm de deslocamento da
alavanca.
Após a análise do banco de dados das forças de engate para a transmissão FSO-
4405, disponível na EATON nos últimos 5 anos, a maior força de sincronização
encontrada foi de 200 kgf (força aplicada à luva de engate). Utilizando um fator de
segurança de 50% sobre este valor e dividindo o resultado por 6, maior segmento
permitido do corpo-de-prova é 1/6 do anel sincronizador, o sistema de aplicação de
força deve ser capaz de carregar o corpo-de-prova com até 50 kgf.
7.2.4 Força tangencial (de atrito)
Para determinar qual é a maior força tangencial (de atrito), é fundamental conhecer
quais os parâmetros que afetam diretamente a formação dessa força. Esses
parâmetros estão representados na Equação 6 a seguir deduzida.
senRFT CdL
C
(3)
CTC RFT (4)
Onde:
TC - torque de atrito na superfície de contato [N.m]
FL - força aplicada na luva de engate [N]
FT - força tangencial à superfície de contato [N]
µd - coeficiente de atrito dinâmico
RC - raio médio da superfície cônica [m]
α - ângulo da superfície cônica de atrito [graus]
71
Assim, substituindo 3 em 2 e isolando a variável FT:
senR
RFFC
CdLT
(5)
senFF dL
T
(6)
Com os parâmetros conhecidos (força na luva de engate, coeficiente de atrito e seno
do ângulo da superfície cônica de atrito), o próximo passo é determinar os máximos
valores para cada um deles.
Conforme mencionado no tópico anterior, a máxima força axial admitida é de 50 kgf
(ou 490 N). Assim:
NFL 490
Com relação ao coeficiente de atrito, buscaram-se estudos na literatura que
apresentassem resultados empiricamente medidos do coeficiente de atrito dinâmico,
tanto para diferentes materiais de atrito e óleos lubrificantes, quanto para distintas
geometrias de anéis sincronizadores.
O máximo valor do coeficiente de atrito encontrado, segundo diferentes autores, foi:
Bouffet (2004) – 0,14;
Hoerbiger (1999) – 0,15;
Krehl e Rau (1997) – 0,13;
McCord (1986) – 0,15;
Oster e Pflaum (1987) – 0,16;
Sigl et al. (2003) – 0,12;
Socin e Walters (1968) – 0,13.
Assim, o maior valor encontrado, dentre os pesquisados, para o coeficiente de atrito
dinâmico foi de 0,16 no trabalho conduzido por Oster e Pflaum (1987).
72
Para as transmissões da EATON, o máximo valor encontrado, para anéis
sincronizadores cuja superfície de atrito é um revestimento de fibra de carbono, foi
0,22 (JAMES, 2001).
Dessa forma, o máximo coeficiente de atrito dinâmico é:
22,0d
Conforme dito no capítulo 7.2.2, o maior diâmetro médio de cone é 93 mm. Assim:
mRC3105,46
Finalmente, o ângulo do cone dos anéis sincronizadores está compreendido na faixa
de 6 a 12 graus. Assim, visando maximizar a força tangencial:
graus6
Logo, substituindo esses valores na Equação 6, o resultado da máxima força
tangencial na célula de carga é:
kgfNsen
FT 1053,10316
22,05,490
Somente como referência, para a transmissão FSO-2405, essa força está
compreendida entre 2 e 40 kgf.
7.2.5 Rotação
Para a rotação foi assumido que o valor mínimo de teste fosse 2 Hz (120 rpm), com
um valor máximo de 100 Hz (6000 rpm). Apesar de atualmente nenhum veículo que
emprega uma transmissão leve seja capaz de atingir 6000 rpm de rotação diferencial
73
entre uma marcha e outra subseqüente, foi assumido esse valor, pois se pretende
avaliar, durante os ensaios, não só a aceleração da força, mas também da rotação.
7.2.6 Parâmetros controlados
Além dos parâmetros geométricos e metalúrgicos dos corpos-de-prova e do contra-
corpo, assim como os parâmetros intrínsecos ao óleo lubrificante, os quais não
estão associados à configuração construtiva da bancada, buscou-se projetar a
máquina de testes de forma que fosse possível controlar em tempo real a rotação do
contra-corpo, a carga aplicada axialmente sobre o corpo-de-prova, a duração do
teste e a vazão de lubrificante.
7.2.7 Parâmetros medidos
Os parâmetros medidos em tempo real (com freqüência de aquisição de 1000 Hz)
são:
rotação do contra-corpo;
carga axial aplicada sobre o corpo-de-prova;
carga tangencial no corpo-de-prova (resultado do torque de atrito);
temperatura do óleo;
deslocamento axial do corpo-de-prova.
Como a força axial e a tangencial são medidas simultaneamente, é possível, através
do emprego da Equação 6, determinar o valor da força (coeficiente) de atrito
dinâmico, uma vez que o ângulo da superfície cônica é conhecido.
74
7.3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DA BANCADA
Os próximos subtópicos apresentam os sistemas e subsistemas da bancada de
atrito e desgaste de anéis sincronizadores.
Os desenhos técnicos desses componentes encontram-se disponíveis no Anexo A.
7.3.1 Porta amostra
O porta-amostra foi projetado de forma a permitir que diferentes tamanhos de anéis
sincronizadores possam ser testados sem que várias peças da bancada precisem
ser remanejadas.
Esse elemento da bancada é constituído por:
estojo porta-amostra – responsável por segurar o corpo-de-prova;
base para o estojo porta-amostra – responsável por segurar o estojo porta-
amostra, receber a carga do servo motor e ser o elemento de ligação entre o
corpo-de-prova e a célula de carga tangencial;
base intermediária – responsável por unir a base do estojo porta-amostra com
o patim da guia linear;
tampas laterais – que fecham o estojo porta-amostra e evitam que o corpo-
de-prova caia;
guia linear – a qual oferece um grau de liberdade na direção tangencial a
superfície do contra-corpo.
As tampas laterais são fixadas à base do estojo porta-amostra através de dois
parafusos Allen M5, já a base do estojo porta-amostra é fixada à base intermediária
através de quatro parafusos Allen M5.
A Figura 52 apresenta duas vistas do porta-amostra da bancada e seus
componentes.
75
Figura 52 - Porta-amostra e seus componentes
A Figura 53 mostra o porta-amostra na posição de ensaio com as tampas laterais
fechadas.
Figura 53 - Porta-amostra na posição de teste
Estojo porta-amostra
Corpo-de-prova
Guia linear
Tampa lateral
Base intermediária
Base do estojo porta-amostra
Porta-amostra
76
7.3.2 Contra-corpo
O contra-corpo é o próprio eixo piloto (eixo de entrada de torque) da transmissão,
com a remoção completa do dentado de engate, eliminação da ponta estriada do
eixo, formação de um perfil retangular na face anterior da engrenagem e criação de
um furo passante pelo centro como mostrado nas Figuras 54, 55 e 56.
É através desse perfil retangular que o torque é transferido, sem que haja patinação
do contra-corpo.
Figura 54 - Eixo piloto original e contra-corpo
77
Figura 55 - Detalhe do furo passante no centro do eixo
Figura 56 - Detalhe do perfil retangular e da remoção do dentado deengate
A montagem do contra-corpo no eixo de acionamento principal da bancada é guiada
pelo tronco de cilindro, na parte anterior do contra-corpo, e a fixação é garantida por
um parafuso Allen M12 e uma flange (Figura 57). Para que o aperto desse parafuso
possa ser feito sem que o eixo principal gire, foram usinados dois rebaixos no eixo,
assim, é possível travar a rotação utilizando uma chave de boca apoiada na mesa
da bancada, como mostrado na Figura 58. Os rebaixos estão localizados entre as
polias e o mancal principal (aquele que contém os rolamentos de rolos cilíndricos).
78
Figura 57 - Detalhe da fixação do contra-corpo através de parafuso e flange
Figura 58 - Rebaixo no eixo de acionamento principal para evitar o giro do contra-corpo durante a
fixação do mesmo
7.3.3 Aplicação de carga
A aplicação de carga axial sobre a amostra é realizada por um cilindro elétrico servo
dirigido da Parker (Figura 59). O modelo escolhido para atender o requisito de força
máxima (50 kgf) foi o ET032B08; capaz de fornecer até 600 N. A Figura 60 mostra
detalhes da etiqueta do cilindro elétrico.
O curso escolhido para o cilindro foi de 150 mm.
Flange
Parafuso
M12
Rebaixo
79
Figura 59 - Cilindro elétrico servo dirigido da Parker - modelo ET032B08
Figura 60 - Etiqueta do modelo escolhido
Conforme pode ser visto na Figura 59, o corpo do cilindro não se encontra fixado à
parede frontal da câmara de ensaio. A fixação do cilindro é feita através de um
suporte (Figura 61) que pode ser ajustado verticalmente, por meio de uma placa
espaçadora (Figura 62), de acordo com o diâmetro da amostra de anel sincronizador
a ser testada.
80
Figura 61 - Fixação do cilindro elétrico ao suporte
Figura 62 - Placa espaçadora e suporte do cilindro elétrico
7.3.4 Guia linear
A bancada possui dois conjuntos de guias lineares dispostas horizontalmente: uma
posicionada transversalmente à linha de centro da bancada (já mostrada no capítulo
7.3.1) e outras duas guias, lado a lado, posicionadas longitudinalmente à linha de
Fixação do cilindro
elétrico ao suporte
Placa espaçadora
81
centro da bancada, ou seja, alinhadas com o eixo de acionamento principal (Figura
63).
Figura 63 – Disposição das guias lineares
O modelo de guia linear utilizado foi o SSR 20 XW da THK com vedadores em
ambos os lados do patim (devido à hostilidade do meio), sendo que a guia
transversal tem 120 mm de comprimento e as guias longitudinais têm 200 mm.
As guias lineares longitudinais são fixadas ao suporte superior através de quatro
parafusos Allen M6 por guia. Já a guia transversal é fixada ao seu respectivo suporte
por meio de dois parafusos Allen M6.
7.3.5 Eixos e mancais
O eixo de acionamento principal é suportado por três mancais: um mancal principal
e dois mancais auxiliares.
O mancal principal possui dois rolamentos de rolos cilíndricos: o rolamento frontal é
um NSK NJ-2208-W com vedação NILOS NUP-2208 e o rolamento traseiro é um
NSK NJ-2207-W com vedação NILOS NUP-2207. Esses vedadores ajudam a
prolongar a vida do rolamento, principalmente em ambientes poluídos e hostis.
Guias longitudinais
Guia transversal
82
O primeiro mancal auxiliar possui um rolamento autocompensador de esferas da
SKF, modelo 2206 E-2RS1TN9, montado em uma caixa de rolamentos da Bürger,
modelo SNA 207 TA. Esse mancal está localizado na parte de trás do eixo principal,
próximo às polias.
O segundo mancal auxiliar é constituído por dois apoios ajustáveis, posicionados a
45 graus da vertical, em que cada um possui um rolamento rígido de esferas da
SKF, modelo 62201-2RS1. Esse mancal está localizado próximo à extremidade
frontal do eixo principal, perto do contra-corpo.
As Figuras 64, 65 e 66 apresentam os mancais citados anteriormente.
Figura 64 - Mancais do eixo de acionamento principal
Mancal principal
Mancal auxiliar traseiro
Mancal auxiliar frontal
83
Figura 65 - Mancal auxiliar traseiro e mancal principal
Figura 66 - Mancal auxiliar frontal
7.3.6 Motor elétrico
Para calcular a potência requerida na condição de ensaio mais extrema, emprega-se
a Equação 7:
84
602 nTP C
M
(7)
Onde:
PM - potência do motor [kW]
TC - torque de atrito na superfície de contato [N.m]
n - rotação do motor [rpm]
Substituindo a Equação 3 na Equação 7, obtém-se:
sennRFP CdL
M
60
2 (8)
Onde:
PM - potência do motor [kW]
FL - força aplicada na luva de engate [N]
µd - coeficiente de atrito dinâmico
RC - raio médio da superfície cônica [m]
n - rotação do motor [rpm]
α - ângulo da superfície cônica de atrito [graus]
Assim a máxima potência que o motor deve ser capaz de oferecer para atender às
condições extremas de teste determinadas anteriormente a 6000 rpm é:
cvkWsen
PM 4030660
6000105,4622,04902 3
O motor elétrico selecionado para oferecer rotação para essa bancada foi um WEG
trifásico, modelo IP55 (Figura 67).
85
Figura 67 - Motor elétrico WEG modelo IP55
Abaixo seguem as características técnicas desse motor:
potência: 37kW
máxima rotação: 1775 rpm
corrente nominal em 220V: 122A
número de pólos: 4
Conforme pode ser visto, a máxima rotação do motor é de 1775 rpm. Valor que está
aquém dos desejados 6000 rpm. Para suprir essa deficiência, foi projetado um
sistema de polias e correias (Figura 68) de forma a amplificar a rotação até esse
máximo valor.
O controle do motor elétrico é feito por um inversor modelo TOSVERT VF-PS1 da
Toshiba.
86
Figura 68 - Sistema de polias e correias para a amplificação da rotação
7.3.7 Células de carga
Visando robustez (devido à hostilidade da câmara de testes) e também capacidade
de medição de carga que atendesse ao esforço axial e tangencial incidentes sobre o
corpo-de-prova, foi selecionado o modelo TU K2C da GEFRAN para as células de
carga (Figura 69).
Esse modelo é capaz de suportar até 200 kgf e possui uma classe de precisão de
0,2%.
Figura 69 - Células de carga modelo TU K2C da GEFRAN
Célula de carga que
mede força axial
Célula de carga que
mede força tangencial
87
A célula de carga à esquerda na Figura 69 é utilizada para medir a força axial
aplicada pelo cilindro elétrico. Em uma das extremidades está fixada à ponta da
haste do cilindro elétrico e na outra extremidade ela está fixada a um flange provido
de dois rolamentos rígidos de esferas da SKF (modelo 625-2Z) que por sua vez
interage com o porta-amostra (Figura 70).
Já a célula de carga à direita na Figura 69 é utilizada para medir a força tangencial
resultante do torque de atrito gerado no cone sincronizador. Em uma das
extremidades ela está fixada ao porta-amostra e na outra extremidade está fixada a
um suporte que se encontra interposto entre a guia linear transversal e as guias
longitudinais (Figura 71).
Figura 70 - Célula de carga que mede a força axial
Figura 71 - Suporte da célula de carga tangencial interposto entre as guias lineares
88
7.3.8 Encoder linear
Com curso máximo de 100 mm, o encoder linear escolhido para medir o
deslocamento axial do porta-amostra ao longo do ensaio foi o KA-300 da KALATEC.
Esse equipamento possui resolução de 1 µm.
A Figura 72 mostra a posição de montagem do encoder linear.
Figura 72 - Encoder linear KALATEC modelo KA-300
Como o sensor de deslocamento axial não é robusto o suficiente para suportar as
intempéries da câmara de testes, foi preciso mover o encoder para uma área em
que óleo e partículas da amostra não o atingissem. Devido essa realocação, foi
necessário estabelecer uma ligação mecânica entre o porta-amostra e o encoder
suficientemente rígida (Figura 73).
Encoder
linear
Abertura para
saída de gases
89
Figura 73 - Ligação mecânica entre o porta-amostra e o encoder linear
O foto sensor do encoder encontra-se montado sobre uma guia linear de esferas
recirculantes da THK, modelo SSR 20 XW (Figura 74).
Figura 74 - Detalhe da guia linear sobre a qual se monta o encoder linear
Com a finalidade de informar ao operador da bancada que o cilindro elétrico
encontra-se totalmente recuado, foi acrescentado um sensor magnético ao suporte
do encoder linear (Figura 75). Assim, quando o patim da guia linear do encoder
chega ao fim de curso, um sinal de alarme é emitido ao software de controle da
bancada.
Guia linear
90
Figura 75 - Sensor magnético de fim de curso
7.3.9 Sensor de rotação
Visando realimentar o circuito de controle do motor elétrico, foi adicionado um
sensor de rotação magnético ao eixo de acionamento principal (Figura 76).
Figura 76 - Sensor magnético para medição da rotação
Esse sensor capta as variações do campo magnético gerada pelo rotor dentado à
medida que o eixo gira. Para realizar essa medição, foi escolhido o sensor da
AYRESTECH, cuja faixa de trabalho é de 200 a 12.000 Hz.
Sensor de fim de curso
91
7.3.10 Sensor de temperatura do óleo
A medição de temperatura do óleo é feita em uma cavidade no interior da placa
traseira da câmara de testes, imediatamente antes do início da mangueira flexível
(Figura 77). Apesar da ponteira do termopar estar dentro da placa traseira, o óleo
não tem contato com essa placa, pois um duto plástico previne isso. Essa
construção foi feita visando-se evitar qualquer troca de calor entre o óleo e a placa, o
que poderia prejudicar a medição da temperatura.
Figura 77 - Vista traseira (à esquerda) e frontal (à direita) do posicionamento do termopar
O modelo empregado é o MS-15 da ECIL (Figura 78), um termopar tipo K com
resolução de ±2,2°C e faixa de trabalho de -200 a 1.260°C.
Figura 78 - Termopar MS-15 da ECIL
92
7.3.11 Mesa e estrutura da bancada
Para garantir alta rigidez e suporte aos mancais e à câmara de testes e seus
agregados, é utilizado uma chapa de aço (SAE 1020) de 35 mm de espessura com
1.260 mm de comprimento por 800 mm de largura (Figura 79).
Figura 79 - Mesa da bancada
Para suportar essa mesa e todos os componentes e sistemas em cima dela, existe
uma estrutura treliçada de alumínio (Figura 80) formada por perfis retangulares de
40 x 80 mm e perfis quadrados de 80 x 80 mm. Essa estrutura também sustenta o
motor elétrico com massa aproximada de 250 kg.
Mesa da bancada
Tampa de acrílico na
porta frontal
93
Figura 80 - Estrutura da bancada
Em cada um dos pés da estrutura, com o objetivo de nivelar a mesa e absorver
vibrações com alta freqüência, há um amortecedor da Vibramatt (Figura 81).
Figura 81 - Amortecedor de vibrações presente em cada um dos pés da bancada
7.3.12 Esticador de correias
Visando facilitar a montagem nas polias e também para garantir um correto
tensionamento, foi projetado um sistema esticador de correias.
94
Esse sistema é constituído por um volante de três raios com cabo giratório da
MERKBAK (modelo V3R140+C), duas guias de precisão da RPL (modelo EP-30),
um eixo central roscado, dois mancais, dois suportes para os mancais, uma guia
deslizante e um eixo-flange para as polias, conforme mostrado na Figura 82.
Figura 82 - Esticador de correias
7.3.13 Polias e correias
Conforme dito no capítulo 7.3.6, com o objetivo de amplificar a rotação do motor, foi
projetado um sistema de polias constituído por dois pares de multiplicação. Contudo,
esse sistema foi concebido não só para amplificar como também para reduzir a
rotação do motor, de forma a permitir maior precisão de controle sobre o giro do
contra-corpo à baixa rotação.
95
Assim, a associação de polias pode ser montada de duas maneiras: como
amplificador e como redutor. A Figura 83 mostra a disposição espacial das polias e a
Tabela 1 a máxima rotação conforme a configuração de montagem.
Figura 83 - Disposição espacial das polias
Tabela 1 - Relação de redução/amplificação da rotação conforme a configuração das polias
Configuração Polia do
motor
Polia do eixo
de
acionamento
Relação Rotação no
cone [rpm]
Amplificador Maior Menor 3,6:1 430 - 6300
Redutor Menor Maior 1:3,6 30 - 490
A utilização das polias propicia não apenas a amplificação ou redução da rotação do
motor, outras duas vantagens do advento de seu uso é a filtragem das altas
freqüências vibracionais e a possibilidade de patinação das correias, caso haja
grimpamento do corpo-de-prova ao contra-corpo.
O modelo de correia empregado foi o DU26-308 da Transpower.
Polias do
motor
Polias do eixo de
acionamento
Polias do
esticador
96
7.3.14 Câmara de testes
A câmara de testes foi projetada de forma a permitir abertura pelos dois lados,
visando facilitar o acesso de manuseio e manutenção da bancada (Figura 84).
Figura 84 - Câmara de testes com a porta frontal aberta
As portas laterais são leves (fabricadas em alumínio) e fáceis de abrir e fechar, pois
o travamento é realizado através de dois manípulos (Figura 85), que não requerem o
uso de ferramentas como chave de fenda e chave de boca.
Figura 85 - Manípulo aberto, à esquerda, e fechado, à direita
97
As portas laterais ainda possuem uma tampa acrílica em seu centro para que o
interior da câmara de testes seja visualizado durante os ensaios (Figura 79).
As outras duas paredes verticais são fixas e formam o suporte para todo o sistema
de: aplicação de carga, porta-amostra e encoder linear.
Além da preocupação com as paredes laterais, na parte superior da câmara, tomou-
se o cuidado de proteger o encoder linear de eventuais resíduos (detritos do corpo-
de-prova e óleo) advindos da interface de teste. Ainda, foi deixada uma abertura na
parte superior (Figura 72) para que gases oriundos do ensaio tenham saída livre e
possam, então, ser sugados pelo sistema de exaustão da sala de testes onde se
encontra a bancada.
7.3.15 Sistema de lubrificação
O sistema de lubrificação é constituído por:
reservatório de óleo com capacidade de 12 L (posicionado abaixo da câmara
de testes), conforme Figura 86;
base coletora, alocada na parte inferior do interior da câmara de testes,
conforme mostrada na Figura 88;
tubo coletor, o qual faz a conexão entre a base coletora e o reservatório de
óleo, conforme Figura 86;
mangueira flexível, para direcionamento do fluxo de lubrificante, conforme
mostrada na Figura 88; e
bomba de óleo, modelo 24 da Rule (Figura 89).
98
Figura 86 - Reservatório de óleo posicionado abaixo da câmara de testes
As mangueiras azuis, mostradas na figura acima, conectadas à parte inferior da
mesa da bancada são drenos que recolhem o óleo que escorre para os canais
(Figura 87) que circundam a câmara de testes.
Figura 87 - Canal ao redor da câmara de testes que recolhe o óleo escorrido
Reservatório de óleo
Tubo coletor
99
Figura 88 - Base coletora de óleo na parte inferior da câmara de testes
Figura 89 - Bomba de óleo (Rule)
A bomba de óleo utilizada na bancada é uma bomba de submersão e está localizada
dentro do reservatório de óleo. Apesar de ser destinada para uso náutico e
bombeamento de água, ela foi empregada neste trabalho baseando-se no
desempenho apresentado em outras máquinas de testes da Engenharia
Experimental da EATON. Contudo, durante os ensaios preliminares, observou-se
que sua vazão ficou muito reduzida devido à viscosidade do lubrificante utilizado.
Por isso, futuramente, essa bomba será substituída por outra mais adequada à
necessidade da bancada de atrito e desgaste de anéis sincronizadores.
Furo de drenagem
Mangueira flexível
100
7.3.16 Dispositivos de segurança
Com o intuito de zelar pela segurança dos técnicos da Engenharia Experimental da
EATON, que futuramente serão os encarregados pela execução dos ensaios, foram
adicionados dispositivos de segurança que interrompem o teste através da parada
do motor elétrico.
Estes dispositivos são de dois tipos: sensores de abertura de porta e botões de
emergência.
Os sensores de abertura de porta (Figura 90) estão posicionados em todas as portas
que protegem componentes girantes da bancada, como polias, eixos e contra-corpo.
Caso alguma dessas portas seja aberta no decorrer do ensaio, um sinal de
emergência é enviado ao inversor que automaticamente cessa a rotação do motor
elétrico.
Figura 90 - Sensor de abertura de porta para a polia do eixo de acionamento
Os botões de emergência, ao contrário dos sensores de abertura, são ativados
voluntariamente pelo operador da bancada se qualquer um dos três botões, tipo
cogumelo, for pressionado. Os botões de emergência estão posicionados nos
seguintes lugares:
ao lado da câmara de testes (Figura 91); na porta do painel de controle (Figura 92);
101
ao lado do computador que controla a bancada, do lado de fora da sala de testes.
O princípio de funcionamento é o mesmo daquele citado anteriormente, um sinal de
emergência é enviado ao inversor para interromper a rotação do motor elétrico.
Figura 91 - Botão de emergência ao lado da câmara de testes
Figura 92 - Botão de emergência na porta do painel de controle
102
7.3.17 Software de controle
O software para controle da bancada (Figura 93) foi desenvolvido pensando-se não
somente no controle do atuador e na forma de coleta e registro dos dados dos
sensores, mas também na versatilidade operacional e no controle de acesso dos
usuários. Dessa forma, os seguintes recursos foram disponibilizados:
controle de acesso dos usuários, com três níveis hierárquicos, através de
senha pessoal;
o nível 1 – usuário/operador – não pode editar o código fonte, nem os
testes cadastrados
o nível 2 – administrador – não pode editar o código fonte, mas é
permitido cadastrar e editar os testes
o nível 3 – programador – acesso ilimitado a todos os recursos
operação da bancada em modo manual e automático (Figura 94);
o no modo manual, parâmetros como rotação e força podem ser
modificados durante o decorrer do ensaio
o no modo automático, somente testes cadastrados podem ser
executados e mudanças no decorrer do ensaio não são permitidas
visualização de gráficos com os dados dos sensores em tempo real ou
através de histórico;
gravação dos dados colhidos em formato texto, facilitando a exportação para
outros softwares e reduzindo o tamanho do arquivo;
registro de todas as operações realizadas pelo usuário;
relatório de alarmes e panes durante o ensaio;
botão de emergência.
103
Figura 93 - Tela principal do software de controle da bancada
Figura 94 - Tela do software mostrando os modos de operação: automático e manual
A programação do software foi feita em LabVIEW.
104
8 TESTE DA BANCADA
Os tópicos a seguir apresentam as condições em que os primeiros corpos-de-prova
foram ensaiados.
8.1 ENSAIOS PRELIMINARES
Com o intuito de avaliar a medição dos sensores, o controle do cilindro elétrico
responsável pela aplicação de força axial, a gravação dos dados, a homogeneidade
do desgaste, o funcionamento do sistema de lubrificação e de todo o projeto elétrico,
foram ensaiados três corpos-de-prova oriundos de um mesmo anel sincronizador.
Os três corpos-de-prova foram testados conforme condições apresentadas no tópico
seguinte.
8.1.1 Materiais e métodos
O primeiro passo na realização do teste consiste em montar o corpo-de-prova e
assegurar que os pinos de ancoragem estejam bem posicionados.
Após a montagem do corpo-de-prova no estojo porta-amostra, os dois parafusos da
tampa lateral do estojo são levemente apertados. O cilindro elétrico é acionado e
avançado até que o corpo-de-prova toque no cone sincronizador e atinja a carga
axial programada para aquele ensaio. Em seguida, os parafusos da tampa lateral
são efetivamente apertados. Esse procedimento é realizado para assegurar que as
superfícies de atrito do anel sincronizador e do cone estejam alinhadas.
Depois de fixado o corpo-de-prova, os valores medidos pela célula de carga
tangencial e pela régua linear são zerados no software de controle. Feito isso, o
teste está pronto para ser executado.
105
Durante o ensaio dos três corpos-de-prova, a temperatura ambiente da sala de
testes ficou entre 22 e 25 °C. A umidade relativa do ar não foi medida.
A área de contato dos corpos-de-prova utilizados, fabricados conforme desenho
mostrado no Anexo A (com 30 mm de comprimento), corresponde a
aproximadamente 10,8% da área de contato de um anel sincronizador com 90 mm
de diâmetro médio do cone.
Os valores de força e rotação empregados no ensaio do corpo-de-prova #1 foram
determinados de forma a se manter a mesma pressão superficial e a mesma rotação
relativa utilizados no teste normal de engate do anel sincronizador referência #2. O
teste normal e o anel sincronizador referência #2 são apresentados no capítulo
seguinte.
O corpo-de-prova #1 foi testado nas condições mostradas na Tabela 2 a seguir.
Tabela 2 – Condições de teste do corpo-de-prova #1
Parâmetro do teste Valor
Início [hh:mm:ss] 11:41:56
Término [hh:mm:ss] 12:10:36
Duração [hh:mm:ss] 00:28:40
Rotação do cone [rpm] 435
Força axial [N] 30
Para o corpo-de-prova #2, dobrou-se o valor da rotação e da força. A Tabela 3 exibe
as condições do teste.
Tabela 3 – Condições de teste do corpo-de-prova #2
Parâmetro do teste Valor
Início [hh:mm:ss] 14:55:54
Término [hh:mm:ss] 15:28:04
Duração [hh:mm:ss] 00:32:10
Rotação do cone [rpm] 870
Força axial [N] 60
106
Para os corpos-de-prova #1 e #2, tentou-se manter o tempo de ensaio por volta dos
30 minutos. Ainda não está implementado no software de controle um critério de
parada de teste baseado no tempo.
Para o corpo-de-prova #3, dobrou-se a duração do ensaio, porém mantendo as
mesmas condições de rotação e carga aplicadas no corpo-de-prova #2 (Tabela 4).
Tabela 4 – Condições de teste do corpo-de-prova #3
Parâmetro do teste Valor
Início [hh:mm:ss] 16:03:23
Término [hh:mm:ss] 17:03:55
Duração [hh:mm:ss] 1:00:32
Rotação do cone [rpm] 870
Força axial [N] 60
Nos três ensaios foi aplicado lubrificante Texamatic 7045E na interface de atrito
entre a contra-peça e o corpo-de-prova.
Durante os testes, a gravação dos dados dos sensores é feita a cada segundo,
porém o controle é realizado a cada milissegundo. Isso é feito para poupar memória
e processamento do computador.
O capítulo seguinte apresenta os resultados destes três ensaios.
107
9 RESULTADOS
Neste capítulo são apresentados os resultados dos ensaios preliminares e sua
comparação com o desgaste de anéis sincronizadores testados em bancada de
engate e veículo.
9.1 ANÉIS SINCRONIZADORES DE REFERÊNCIA
O desgaste observado nos três corpos-de-prova ensaiados foi comparado com o
desgaste de três anéis sincronizadores, sendo que dois desses anéis foram testados
em bancada e um foi avaliado em veículo.
Ambos os anéis sincronizadores testados em bancada são anéis internos de 1ª
velocidade (Figura 95) de um sincronizador do tipo tricone (Figura 96), porém um
deles realizou somente o teste severo de engate e não apresentou falha (a partir de
agora denominado anel de referência #1). Já o outro, mostrado na Figura 95,
realizou teste severo e teste normal de engate e apresentou falha (desgaste da
superfície de atrito) com 33,4% dos engates previstos para o teste normal (a partir
de agora denominado anel de referência #2).
Figura 95 - Anel sincronizador interno testado em bancada de engate em 'H'
108
Figura 96 - Anéis sincronizadores de um sincronizador do tipo tricone
Ambos os anéis sincronizadores foram testados nos engates 1ª 2ª 1ª.
No teste severo são realizados 10.000 engates com uma rotação 43% superior à
rotação utilizada no teste normal. Este teste severo tem a finalidade de simular
trocas de marcha abusivas, normalmente relacionadas com um estilo esportivo de
dirigibilidade do veículo.
No teste normal são realizados 140.000 engates com uma rotação equivalente a
uma condição normal de troca de marcha. Esse valor de rotação é determinado
empiricamente (utilizando um veículo instrumentado) e está diretamente relacionado
com o veículo, assim como o motor e a transmissão empregada nele. Dessa forma,
a rotação de troca de marcha e a quantidade de engates utilizada nos testes de
validação são exclusivas para cada aplicação.
Normalmente, se a transmissão em validação será aplicada em vários veículos
distintos, determina-se o caso mais crítico e os testes são feitos nessa condição.
O anel sincronizador testado em veículo foi um de 5ª velocidade (a partir de agora
denominado anel de referência #3). O veículo utilizado foi uma Sprinter MB310, o
qual percorreu 240.000 km em rota urbana, pois era um veículo de entregas. Esse
anel sincronizador não apresentou falha durante o período de avaliação.
Os anéis sincronizadores utilizados como referência e as amostras ensaiadas são
feitos do mesmo material: uma liga de latão com composição química conforme
Tabela 5 e propriedades mecânicas conforme Tabela 6.
109
Tabela 5 - Composição química do material dos anéis sincronizadores Elemento Químico %
Cu 54,0 – 56,0
Ni 6,0 – 7,5
Al 3,0 – 4,5
Si 2,0 – 2,5
Fe 0,5 – 1,0
Zn Restante
Tabela 6 - Propriedades mecânicas do material dos anéis sincronizadores
Item Valor
Limite de resistência (Rm) [Mpa] 830
Limite de escoamento 0,2% (Rp 0,2) [Mpa] 720
Alongamento (A5) [%] 3
Dureza Vickers (HV 50) 240 – 290
Densidade [g/cm³] 7,9
Resistividade elétrica [m/(Ω.mm²)] 9
A seguir são mostrados os resultados da medição de parâmetros geométricos
(Tabelas 7, 8 e 9) e fotos (Figuras 98, 99, 100, 101 e 102) da superfície de atrito dos
anéis sincronizadores de referência.
A Figura 97 apresenta quais são os parâmetros geométricos medidos.
Figura 97 - Parâmetros geométricos medidos (Socin e Walters, 1968)
110
Tabela 7 - Parâmetros geométricos do anel sincronizador referência #1 após teste em bancada
Parâmetro Especificado
em desenho
Superfície de
atrito interna
Superfície de
atrito externa
Largura da crista da rosca [mm] 0,250 – 0,350 0,324 0,381
Altura do filete de rosca [mm] 0,300 – 0,500 0,386 0,377
Tabela 8 - Parâmetros geométricos do anel sincronizador referência #2 após teste em bancada
Parâmetro Especificado
em desenho
Superfície de
atrito interna
Superfície de
atrito externa
Largura da crista da rosca [mm] 0,250 – 0,350 0,327 0,355
Altura do filete de rosca [mm] 0,300 – 0,500 0,374 0,349
Tabela 9 - Parâmetros geométricos do anel sincronizador referência #3 após teste em veículo
Parâmetro Especificado
em desenho
Superfície de
atrito
Largura da crista da rosca [mm] 0,070 – 0,130 0,080
Altura do filete de rosca [mm] 0,400 mín. 0,393
Analisando a largura da crista da rosca na superfície externa do anel sincronizador
referência #1 e do referência #2 é possível observar que a rosca desgastou-se, até
pelo fato dessa dimensão estar fora do especificado em desenho.
Já o anel sincronizador referência #3, apesar de percorrer uma quilometragem alta,
não sofreu muito desgaste, uma vez que a largura da crista da rosca ainda se
encontra dentro da faixa especificada. Certamente isso se deve ao fato do veículo
ter ficado a maior parte de seu tempo em rota urbana, onde marchas altas são
pouco utilizadas.
111
Figura 98 - Crista do filete de rosca da superfície de atrito externa - Anel de referência #1
Figura 99 - Crista do filete de rosca da superfície de atrito interna - Anel de referência #1
112
Figura 100 - Crista do filete de rosca da superfície de atrito externa - Anel de referência #2
Figura 101 - Crista do filete de rosca da superfície de atrito interna - Anel de referência #2
113
Figura 102 - Crista do filete de rosca da superfície de atrito - Anel de referência #3
9.2 RESULTADOS DO CORPO-DE-PROVA #1
A Tabela 10 exibe os resultados geométricos do corpo-de-prova #1 antes e depois
do ensaio.
Tabela 10 - Resultados para o corpo-de-prova #1
Parâmetro Especificado
em desenho
Antes do
ensaio
Depois
do ensaio Diferença
Massa [g] N/A N/A 11,920 N/A
Largura da crista da rosca
[mm] 0,070 – 0,130 0,109 0,125 0,016
Altura do filete de rosca [mm] 0,400 mín. 0,428 0,414 0,014
O corpo-de-prova #1 não foi pesado antes do ensaio.
As Figuras 103 e 104 mostram como ficou a superfície de atrito após o teste.
114
Figura 103 - Superfície de atrito do corpo-de-prova #1
Figura 104 - Superfície de atrito do corpo-de-prova #1
115
Para o corpo-de-prova #1, os primeiros 3 minutos e 34 segundos de teste não foram
registrados, por causa de um problema de programação. Após a correção do
problema, os dados foram gravados a partir de 11:45:30 até 12:03:23. Nesse último
instante, o software anti-vírus do computador começou a ser executado e essa ação
provocou o travamento da atualização de tela do software de controle e causou
também o cancelamento da gravação dos dados. Apesar desse incidente, o controle
sobre a bancada permaneceu ativo até o fim do teste, às 12:10:36.
As Figuras 105, 106, 107, 108 e 109 apresentam os resultados gráficos dos
parâmetros medidos durante o ensaio.
Rotação do cone
430
432
434
436
438
440
442
444
446
448
450
11:45
:30
11:46
:30
11:47
:30
11:48
:30
11:49
:30
11:50
:30
11:51
:30
11:52
:30
11:53
:30
11:54
:30
11:55
:30
11:56
:30
11:57
:30
11:58
:30
11:59
:30
12:00
:30
12:01
:30
12:02
:30 [hs]
[rpm]
Figura 105 - Rotação do cone - Corpo-de-prova #1
A Tabela 11 exibe outros dados sobre a rotação do cone para o corpo-de-prova #1.
Tabela 11 – Demais dados sobre a rotação do cone – Corpo-de-prova #1
Item Valor [rpm]
Máximo 446,86
Mínimo 431,84
Média 438,12
Mediana 437,53
Desvio padrão 3,14
116
Força axial
0
10
20
30
40
50
60
11:45
:30
11:46
:30
11:47
:30
11:48
:30
11:49
:30
11:50
:30
11:51
:30
11:52
:30
11:53
:30
11:54
:30
11:55
:30
11:56
:30
11:57
:30
11:58
:30
11:59
:30
12:00
:30
12:01
:30
12:02
:30 [hs]
[N]
Figura 106 - Força axial - Corpo-de-prova #1
A Tabela 12 exibe outros dados sobre a força axial para o corpo-de-prova #1.
Tabela 12 – Demais dados sobre a força axial – Corpo-de-prova #1
Item Valor [N]
Máximo 58,145
Mínimo 2,944
Média 30,555
Mediana 30,078
Desvio padrão 16,562
Força tangencial
-60
-40
-20
0
20
40
60
11:45
:30
11:46
:30
11:47
:30
11:48
:30
11:49
:30
11:50
:30
11:51
:30
11:52
:30
11:53
:30
11:54
:30
11:55
:30
11:56
:30
11:57
:30
11:58
:30
11:59
:30
12:00
:30
12:01
:30
12:02
:30 [hs]
[N]
Figura 107 - Força tangencial - Corpo-de-prova #1
A Tabela 13 exibe outros dados sobre a força tangencial para o corpo-de-prova #1.
117
Tabela 13 – Demais dados sobre a força tangencial – Corpo-de-prova #1
Item Valor [N]
Máximo 52,939
Mínimo -53,633
Média 8,657
Mediana 12,901
Desvio padrão 27,165
Temperatura do óleo
25,0
25,5
26,0
26,5
27,0
27,5
28,0
11:45
:30
11:46
:30
11:47
:30
11:48
:30
11:49
:30
11:50
:30
11:51
:30
11:52
:30
11:53
:30
11:54
:30
11:55
:30
11:56
:30
11:57
:30
11:58
:30
11:59
:30
12:00
:30
12:01
:30
12:02
:30 [hs]
[°C]
Figura 108 - Temperatura do óleo - Corpo-de-prova #1
A Tabela 14 exibe outros dados sobre a temperatura do óleo para o corpo-de-prova
#1.
Tabela 14 – Demais dados sobre a temperatura do óleo – Corpo-de-prova #1
Item Valor [°C]
Máximo 27,6
Mínimo 25,8
Média 26,7
Mediana 26,7
Desvio padrão 0,5
118
Coeficiente de atrito
-0,20
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
11:45
:30
11:46
:30
11:47
:30
11:48
:30
11:49
:30
11:50
:30
11:51
:30
11:52
:30
11:53
:30
11:54
:30
11:55
:30
11:56
:30
11:57
:30
11:58
:30
11:59
:30
12:00
:30
12:01
:30
12:02
:30 [hs]
Figura 109 - Coeficiente de atrito - Corpo-de-prova #1
A Tabela 15 exibe outros dados sobre o coeficiente de atrito para o corpo-de-prova
#1.
Tabela 15 – Demais dados sobre o coeficiente de atrito – Corpo-de-prova #1
Item Valor
Máximo 1,646
Mínimo -0,151
Média 0,130
Mediana 0,046
Desvio padrão 0,246
Devido um problema de programação no software de controle, o deslocamento axial
não foi medido para o corpo-de-prova #1, contudo, para os demais corpos-de-prova,
o problema foi corrigido e os resultados estão mostrados nos tópicos seguintes.
A linha em vermelho nos gráficos apresentados para o corpo-de-prova #1 representa
a média móvel com período igual a 50.
119
9.3 RESULTADOS DO CORPO-DE-PROVA #2
A Tabela 16 exibe os resultados geométricos do corpo-de-prova #2 antes e depois
do ensaio.
Tabela 16 - Resultados para o corpo-de-prova #2
Parâmetro Especificado
em desenho
Antes do
ensaio
Depois
do ensaio Diferença
Massa [g] N/A 11,778 11,769 0,009
Largura da crista da rosca
[mm] 0,070 – 0,130 0,111 0,165 0,054
Altura do filete de rosca [mm] 0,400 mín. 0,428 0,404 0,024
As Figuras 110 e 111 mostram como ficou a superfície de atrito após o teste.
Figura 110 - Superfície de atrito do corpo-de-prova #2
120
Figura 111 - Superfície de atrito do corpo-de-prova #2
As Figuras 112, 113, 114, 115, 116 e 117 apresentam os resultados gráficos dos
parâmetros medidos durante o ensaio.
Rotação do cone
860
865
870
875
880
885
890
14:55
:55
14:57
:55
14:59
:55
15:01
:55
15:03
:55
15:05
:55
15:07
:55
15:09
:55
15:11
:55
15:13
:55
15:15
:55
15:17
:55
15:19
:55
15:21
:55
15:23
:55
15:25
:55
15:27
:55[hs]
[rpm]
Figura 112 - Rotação do cone - Corpo-de-prova #2
A Tabela 17 exibe outros dados sobre a rotação do cone para o corpo-de-prova #2.
121
Tabela 17 – Demais dados sobre a rotação do cone – Corpo-de-prova #2 Item Valor [rpm]
Máximo 887,95
Mínimo 865,41
Média 874,06
Mediana 871,86
Desvio padrão 5,58
Força axial
20
30
40
50
60
70
80
90
100
14:55
:55
14:57
:55
14:59
:55
15:01
:55
15:03
:55
15:05
:55
15:07
:55
15:09
:55
15:11
:55
15:13
:55
15:15
:55
15:17
:55
15:19
:55
15:21
:55
15:23
:55
15:25
:55
15:27
:55 [hs]
[N]
Figura 113 - Força axial - Corpo-de-prova #2
A Tabela 18 exibe outros dados sobre a força axial para o corpo-de-prova #2.
Tabela 18 – Demais dados sobre a força axial – Corpo-de-prova #2
Item Valor [N]
Máximo 95,913
Mínimo 25,015
Média 60,530
Mediana 62,333
Desvio padrão 20,723
122
Força tangencial
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
14:55
:55
14:57
:55
14:59
:55
15:01
:55
15:03
:55
15:05
:55
15:07
:55
15:09
:55
15:11
:55
15:13
:55
15:15
:55
15:17
:55
15:19
:55
15:21
:55
15:23
:55
15:25
:55
15:27
:55 [hs]
[N]
Figura 114 - Força tangencial - Corpo-de-prova #2
A Tabela 19 exibe outros dados sobre a força tangencial para o corpo-de-prova #2.
Tabela 19 – Demais dados sobre a força tangencial – Corpo-de-prova #2
Item Valor [N]
Máximo 34,755
Mínimo -91,438
Média -13,572
Mediana -10,032
Desvio padrão 30,017
Temperatura do óleo
27,0
27,5
28,0
28,5
29,0
29,5
30,0
30,5
31,0
14:55
:55
14:57
:55
14:59
:55
15:01
:55
15:03
:55
15:05
:55
15:07
:55
15:09
:55
15:11
:55
15:13
:55
15:15
:55
15:17
:55
15:19
:55
15:21
:55
15:23
:55
15:25
:55
15:27
:55 [hs]
[°C]
Figura 115 - Temperatura do óleo - Corpo-de-prova #2
123
A Tabela 20 exibe outros dados sobre a temperatura do óleo para o corpo-de-prova
#2.
Tabela 20 – Demais dados sobre a temperatura do óleo – Corpo-de-prova #2
Item Valor [°C]
Máximo 30,6
Mínimo 27,2
Média 29,0
Mediana 29,0
Desvio padrão 1,0
Coeficiente de atrito
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
14:55
:55
14:57
:55
14:59
:55
15:01
:55
15:03
:55
15:05
:55
15:07
:55
15:09
:55
15:11
:55
15:13
:55
15:15
:55
15:17
:55
15:19
:55
15:21
:55
15:23
:55
15:25
:55
15:27
:55 [hs]
Figura 116 - Coeficiente de atrito - Corpo-de-prova #2
A Tabela 21 exibe outros dados sobre o coeficiente de atrito para o corpo-de-prova
#2.
Tabela 21 – Demais dados sobre o coeficiente de atrito – Corpo-de-prova #2
Item Valor
Máximo 0,089
Mínimo -0,180
Média -0,027
Mediana -0,021
Desvio padrão 0,064
124
Deslocamento axial
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
14:55
:55
14:57
:55
14:59
:55
15:01
:55
15:03
:55
15:05
:55
15:07
:55
15:09
:55
15:11
:55
15:13
:55
15:15
:55
15:17
:55
15:19
:55
15:21
:55
15:23
:55
15:25
:55
15:27
:55 [hs]
[mm]
Figura 117 - Deslocamento axial - Corpo-de-prova #2
A Tabela 22 exibe outros dados sobre o deslocamento axial para o corpo-de-prova
#2.
Tabela 22 – Demais dados sobre o deslocamento axial – Corpo-de-prova #2
Item Valor [mm]
Máximo 0,117
Mínimo -0,848
Média -0,520
Mediana -0,611
Desvio padrão 0,288
A linha em vermelho nos gráficos apresentados para o corpo-de-prova #2 representa
a média móvel com período igual a 50.
9.4 RESULTADOS DO CORPO-DE-PROVA #3
A Tabela 23 exibe os resultados geométricos do corpo-de-prova #3 antes e depois
do ensaio.
125
Tabela 23 - Resultados para o corpo-de-prova #3
Parâmetro Especificado
em desenho
Antes do
ensaio
Depois
do ensaio Diferença
Massa [g] N/A 11,907 11,905 0,002
Largura da crista da rosca
[mm] 0,070 – 0,130 0,107 0,199 0,092
Altura do filete de rosca [mm] 0,400 mín. 0,431 0,419 0,012
As Figuras 118 e 119 mostram como ficou a superfície de atrito após o teste.
Figura 118 - Superfície de atrito do corpo-de-prova #3
126
Figura 119 - Superfície de atrito do corpo-de-prova #3
As Figuras 120, 121, 122, 123, 124 e 125 apresentam os resultados gráficos dos
parâmetros medidos durante o ensaio.
Rotação do cone
860
865
870
875
880
885
890
16:03
:25
16:07
:25
16:11
:25
16:15
:25
16:19
:25
16:23
:25
16:27
:25
16:31
:25
16:35
:25
16:39
:25
16:43
:25
16:47
:25
16:51
:25
16:55
:25
16:59
:25
17:03
:25[hs]
[rpm]
Figura 120 - Rotação do cone - Corpo-de-prova #3
A Tabela 24 exibe outros dados sobre a rotação do cone para o corpo-de-prova #3.
127
Tabela 24 – Demais dados sobre a rotação do cone – Corpo-de-prova #3 Item Valor [rpm]
Máximo 887,46
Mínimo 865,97
Média 874,44
Mediana 872,36
Desvio padrão 5,44
Força axial
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
16:03
:25
16:07
:25
16:11
:25
16:15
:25
16:19
:25
16:23
:25
16:27
:25
16:31
:25
16:35
:25
16:39
:25
16:43
:25
16:47
:25
16:51
:25
16:55
:25
16:59
:25
17:03
:25 [hs]
[N]
Figura 121 - Força axial - Corpo-de-prova #3
A Tabela 25 exibe outros dados sobre a força axial para o corpo-de-prova #3.
Tabela 25 – Demais dados sobre a força axial – Corpo-de-prova #3
Item Valor [N]
Máximo 116,090
Mínimo 25,529
Média 63,559
Mediana 61,232
Desvio padrão 25,561
128
Força tangencial
-110
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
16:03
:25
16:07
:25
16:11
:25
16:15
:25
16:19
:25
16:23
:25
16:27
:25
16:31
:25
16:35
:25
16:39
:25
16:43
:25
16:47
:25
16:51
:25
16:55
:25
16:59
:25
17:03
:25 [hs]
[N]
Figura 122 - Força tangencial - Corpo-de-prova #3
A Tabela 26 exibe outros dados sobre a força tangencial para o corpo-de-prova #3.
Tabela 26 – Demais dados sobre a força tangencial – Corpo-de-prova #3
Item Valor [N]
Máximo 56,498
Mínimo -108,241
Média 5,059
Mediana 12,347
Desvio padrão 35,037
Temperatura do óleo
31,0
31,5
32,0
32,5
33,0
33,5
34,0
34,5
35,0
16:03
:25
16:07
:25
16:11
:25
16:15
:25
16:19
:25
16:23
:25
16:27
:25
16:31
:25
16:35
:25
16:39
:25
16:43
:25
16:47
:25
16:51
:25
16:55
:25
16:59
:25
17:03
:25 [hs]
[°C]
Figura 123 - Temperatura do óleo - Corpo-de-prova #3
129
A Tabela 27 exibe outros dados sobre a temperatura do óleo para o corpo-de-prova
#3.
Tabela 27 – Demais dados sobre a temperatura do óleo – Corpo-de-prova #3
Item Valor [°C]
Máximo 35,0
Mínimo 31,9
Média 33,5
Mediana 33,6
Desvio padrão 0,9
Coeficiente de atrito
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
16:03
:25
16:07
:25
16:11
:25
16:15
:25
16:19
:25
16:23
:25
16:27
:25
16:31
:25
16:35
:25
16:39
:25
16:43
:25
16:47
:25
16:51
:25
16:55
:25
16:59
:25
17:03
:25 [hs]
Figura 124 - Coeficiente de atrito - Corpo-de-prova #3
A Tabela 28 exibe outros dados sobre o coeficiente de atrito para o corpo-de-prova
#3.
Tabela 28 – Demais dados sobre o coeficiente de atrito – Corpo-de-prova #3
Item Valor
Máximo 0,176
Mínimo -0,191
Média 0,026
Mediana 0,025
Desvio padrão 0,076
130
Deslocamento axial
-0,8
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
16:03
:25
16:07
:25
16:11
:25
16:15
:25
16:19
:25
16:23
:25
16:27
:25
16:31
:25
16:35
:25
16:39
:25
16:43
:25
16:47
:25
16:51
:25
16:55
:25
16:59
:25
17:03
:25 [hs]
[mm]
Figura 125 - Deslocamento axial - Corpo-de-prova #3
A Tabela 29 exibe outros dados sobre o deslocamento axial para o corpo-de-prova
#3.
Tabela 29 – Demais dados sobre o deslocamento axial – Corpo-de-prova #3
Item Valor [mm]
Máximo 0,015
Mínimo -0,775
Média -0,648
Mediana -0,735
Desvio padrão 0,162
A linha em vermelho nos gráficos apresentados para o corpo-de-prova #3 representa
a média móvel com período igual a 100.
9.5 ANÁLISE DOS RESULTADOS
As seguintes análises foram feitas sobre os resultados:
Observa-se que a média da força axial está próxima do valor programado
para cada um dos ensaios, contudo a dispersão ao redor da média (desvio
131
padrão) está muito elevada. Esse comportamento faz com que a força
tangencial também varie bastante e isso é resultado do controle proporcional
utilizado na correção da força axial. A correção está muito acentuada e isso
causa a grande oscilação observada no gráfico de força dos três corpos-de-
prova.
Apesar da temperatura do óleo não ter aumentado muito (variação de 2 a 3,5
°C), o estojo porta-amostra apresentou grande mudança de temperatura, indo
de aproximadamente 25°C (temperatura ambiente) para 100°C, no caso do
terceiro ensaio. Esses valores foram medidos com o auxílio de um pirômetro
óptico. Possivelmente o valor de deslocamento negativo observado na Figura
125 seja resultado da dilatação térmica do contra-corpo (cone), do corpo-de-
prova e do estojo porta-amostra, pois após o sistema entrar em regime
térmico, a queda no valor do deslocamento axial é interrompida.
Nota-se que o valor da força tangencial assume valores negativos durante os
ensaios. Esse comportamento, fisicamente, significa que a célula de carga
está sendo puxada ao invés de pressionada (caso não haja uma inversão de
sinal no software de controle), contundo ainda não foi possível analisar
detalhadamente esse fenômeno e investigações futuras serão realizadas.
Possivelmente, a pré-carga que a célula de carga recebe durante sua fixação
ao seu suporte e a dilatação térmica do porta-amostra durante o ensaio
tenham participação nesse fenômeno.
Verifica-se que a massa perdida no corpo-de-prova #3 está menor do que a
massa perdida no corpo-de-prova #2, apesar do corpo-de-prova #3 ter
apresentado um desgaste superior ao do corpo-de-prova #2 (como mostra os
valores da largura de crista). Como o corpo-de-prova #3 permaneceu em
teste pelo dobro do tempo do corpo-de-prova #2, era esperado que a massa
perdida daquele fosse superior ao deste. Provavelmente essa discrepância foi
causada por um descuido na limpeza dos corpos-de-prova após os testes.
Possivelmente uma peça reteve mais óleo e resíduos do que a outra,
provocando a incoerência no valor da massa. Apesar do problema da massa
citado anteriormente, quando se analisa a largura da crista da rosca, os
132
valores medidos exibem exatamente o comportamento presumido, que é o
corpo-de-prova #1 exibir o menor desgaste e o corpo-de-prova #3 o maior.
Nota-se que é necessário calibrar a rotação do motor elétrico, pois sua média
está de 3 a 4 rpm acima do valor programado para os ensaios.
Avaliando o desgaste da superfície de atrito dos corpos-de-prova, pode-se
concluir que a bancada proposta neste trabalho é capaz de reproduzir o
mecanismo de desgaste observado nos anéis sincronizadores utilizados
como referência. Tal conclusão é possível, pois ao se analisar a crista do
filete de rosca nota-se que há a formação de rebarbas ao longo da
extremidade do filete em todas as amostras, tanto nos anéis de referência,
quanto nos corpos-de-prova. Além disso, percebe-se que a crista da rosca
fica com a superfície riscada ao longo do filete, também em todas as
amostras. Outro fator de similaridade é a tonalidade da crista, a qual fica
escurecida devido à oxidação da superfície dado a elevação da temperatura
nessa região durante o contato.
133
10 LIMITAÇÕES DO PROJETO
Em anéis sincronizadores, não só a durabilidade da superfície de atrito é importante
para um bom funcionamento do sistema e garantia da qualidade de engate. O
dentado externo ao anel sincronizador tem participação importante na sincronização,
pois é ele que recebe da luva de engate todo o esforço gerado na manopla durante
a troca de marchas e o repassa para a superfície de atrito. Porém a bancada não
provê meios de testar esse dentado.
Os ressaltos ou rebaixos de indexação podem apresentar amassamento excessivo
dependendo dos materiais utilizados e das condições de funcionamento do veículo,
principalmente no que diz respeito à vibração torcional. No entanto, a bancada não
simula essa condição, portanto não avalia esse tipo de falha.
Resistência dos anéis sincronizadores quanto a trincas nas regiões em que há
concentração de tensões também não é abordada pela bancada. Esse tipo de falha,
por outro lado, é facilmente identificado e pode ser previsto através de análise de
elementos finitos.
Esses itens não cobertos pela bancada proposta neste trabalho continuarão sendo
testados nas bancadas de durabilidade convencionais do departamento de testes da
EATON.
134
11 CONCLUSÕES
O presente trabalho apresentou o projeto e a construção de uma bancada de testes
para atrito e desgaste de anéis sincronizadores de transmissões automotivas (o qual
foi o principal objetivo) e os diferenciais que esta máquina apresenta frente aos
demais equipamentos disponíveis no mercado.
Ensaios preliminares foram realizados e o desgaste dos corpos-de-prova foi
comparado com o desgaste de anéis sincronizadores ensaiados em bancada de
engate e em veículo.
Das análises realizadas e da avaliação dos resultados dos ensaios preliminares é
possível destacar as seguintes conclusões:
O sistema de lubrificação da bancada precisa ser melhorado, pois a vazão de
lubrificante está baixa demais o que acarreta sobreaquecimento do porta-
amostra e do corpo-de-prova, além de demora (mais de 30 minutos) no
alcance da temperatura de regime. A implantação de um trocador de calor
auxiliaria sobremaneira na redução desse tempo de espera, além de permitir
(indiretamente) maior controle sobre a viscosidade do óleo lubrificante e a
troca da bomba de óleo resolveria o problema da vazão.
O controle proporcional utilizado na malha fechada de atuação do cilindro
elétrico está agressivo demais, fazendo com que a força aplicada oscile
demasiadamente. Esse sistema de controle precisa ser revisto, pois essa
oscilação afeta a medição de força da célula de carga tangencial,
conseqüentemente, o valor do coeficiente de atrito, calculado a partir dessas
forças, também é afetado.
Estudos futuros precisam ser conduzidos para avaliar se alguma faixa de
rotação do motor elétrico pode ocasionar ressonância na bancada, pois esse
tipo de fenômeno pode impossibilitar a realização de ensaios em tal faixa de
rotação. Uma vez que resultados obtidos nessa condição seriam de validade
duvidosa.
135
O efeito da dilatação térmica é outro ponto que requer mais pesquisa, pois,
dada a sensibilidade do encoder linear (1µm de resolução), o aquecimento
dos componentes próximos a interface de atrito e conseqüentemente a
dilatação dos mesmos, afeta o valor de desgaste axial mensurado pela régua
óptica.
A pré-carga aplicada à célula de carga tangencial, durante sua montagem ao
suporte, é mais um item que necessita de estudos futuros e calibração, pois
aparentemente essa carga residual está afetando a medição. Contudo, para
que esse estudo possa ser realizado, é preciso primeiramente corrigir o
controle proporcional do cilindro elétrico.
Apesar das necessidades de investigação mencionadas anteriormente, a
bancada mostrou-se capaz de reproduzir o mecanismo de desgaste da
superfície de atrito de anéis sincronizadores testados em bancada de engate
e em veículo.
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Referências
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138
ANEXO A – Desenhos técnicos
As próximas páginas apresentam os desenhos técnicos utilizados na construção da
bancada de testes proposta neste trabalho.
178
ANEXO B – Projeto elétrico
As próximas páginas apresentam os desenhos e esquemas do projeto elétrico
utilizados na construção da bancada de testes mostrada neste trabalho.
