Trabalho Final Mma

7/25/2019 Trabalho Final Mma

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA (FEMEC)CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

DISCIPLINA DE MECNICA DOS MATERIAIS APLICADAFEMEC41065

Fadiga em Molas Helicoidais

Enzo Perini 11211EMC019Jos Renato Santos do Amaral Cardoso 11211EMC022Matheus Henrique Fratassi 11211EMC067Toms Antnio Donadeli 11211EMC060

UberlndiaMGFevereiro de 2015


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SUMRIO

Pg.

1. INTRODUO .................................................................................................. 02

2. REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................................... 02

2.1. FADIGA ................................................................................................. 02

2.2. RESISTNCIA ...................................................................................... 03

2.3. MOLAS .................................................................................................. 04

2.3.1. MOLAS DE COMPRESSO ................................................... 07

2.3.2. MOLAS DE EXTENSO ......................................................... 08

2.3.3. MOLAS DE TORO .............................................................. 09

3. ESTUDOS DE FADIGA EM MOLAS HELICOIDAIS ....................................09

3.1. FADIGA DO AO PARA MOLAS DE VLVULAS SAE 9258

PRODUZIDO INDUSTRIALMENTE POR LINGOTAMENTO

CONVENCIONAL E CONTNUO ........................................................ 09

3.2. FADIGA DE MOLAS HELICOIDAIS DE SUSPENSO DE

AUTOMVEIS ..................................................................................... 13

4. CONSIDERAES FINAIS ............................................................................. 18

5. REFERNCIAS ................................................................................................. 18


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1. INTRODUO

Qualquer elemento mecnico, metlico ou no, pode ser considerado uma mola.Em ltima anlise, todos tm alguma elasticidade e respondem elasticamente pelomenos num intervalo da solicitao (de fora ou deslocamento). Esta resposta elstica

depende do tipo de elemento (forma, geometria, ...) e do material (ARCANJO, 2008).Apesar de poder apresentar o formato de alavancas, as molas mais utilizadas naengenharia so as helicoidais, uma vez que estas so fceis de fabricar, apresentam umacapacidade de carga muito maior que o seu peso e reduzem a necessidade de espaohorizontal.

Peas que trabalham sob tenses repetitivas ou flutuantes ao longo do tempo estosujeitas a falhas por fadiga, isto , a existncia de foras que flutuam em torno de umvalor mdio induz a formao de uma trinca que propaga-se at que ocorra a fraturadessa pea.

Todas as molas esto sujeitas a cargas variveis no tempo, mesmo que noperiodicamente, dessa forma, elas so particularmente suscetveis a fratura por fadiga.

Assim, torna-se evidente a importncia de estudos aprofundados nesta rea.Entre outros, este trabalho trata sobre estes aspectos que o projeto mecnico no

permite contornar, alm de analisar o comportamento das molas helicoidais decompresso e trao fadiga.

2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1. FADIGA

Baseado na dissertao de mestrado de Renan Felipe de Paula, pode-se definirfadiga como uma forma de falha que componentes ou estruturas mecnicas, submetidasa tenses cclicas ou dinmicas, esto sujeitos. plausvel que uma falha ocorra em umnvel menor daquele definido no seu limite de escoamento para uma carga esttica emmateriais que sofram carregamentos deste tipo. O termo fadiga usado, porque esse

tipo de falha ocorre normalmente aps um longo perodo de tenses repetidas ou ciclosde deformao (CALLISTER, 2008).

A fadiga em materiais dcteis se caracteriza como uma falha frgil, quase noexistindo a deformao plstica associada a esta. O processo ocorre pela iniciao e

propagao de trincas, onde em geral a superfcie da fratura perpendicular a direo deuma tenso de trao aplicada.

O comportamento dos materiais em relao fadiga afetado por uma extensasrie de parmetros, como acabamento superficial, revestimentos, tenses residuais,concentrao de tenses, tratamento trmico, meio de trabalho, dentre outros. As molasso especialmente suscetveis a regimes que induzem a fadiga, podendo ser projetadas

para durarem poucos ciclos (milhares de ciclos) ou longos ciclos (milhes de ciclos).A fadiga, em materiais metlicos, pode ser dividida em trs etapas distintas, a

nucleao da trinca, em que h o aparecimento de danos iniciais causados pelocarregamento cclico na microestrutura da trinca, os quais podem ser removidos atravsde tratamento trmico. O crescimento de microtrincas e trincas, estas se propagam porfadiga e, a ruptura da pea, onde ocorre a separao do material na direo

perpendicular da aplicao da tenso.


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2.2. RESISTNCIA

Em regime esttico, considerando Sut o limite de resistncia a trao, Ssy o limitede escoamento ao cisalhamento, o coeficiente de segurana as tenses mximas

admissveis para cada tipo de mola so:

Compresso:

Trao: as tenses mximas admissveis so dadas em funo do limite de resistncia atrao, segundo a tabela:

Tabela 1 - Percentagem da Resistncia de Trao em Toro e em Flexo (Shigley, 2005)

Toro: calculado segundo o tipo de material.

Tabela 2 - Sy em funo do material

Sy = 0.78 SutFio musical e aos carbono estriados a

frio

Sy = 0.87 SutAos carbono temperados-revenidos e de

baixa liga

Sy = 0.61 SutAos inoxidveis austenticos e ligas no-

ferrosas

Para o clculo de resistncia a fadiga, deve-se primeiro calcular as tensesalternada e mdia, convencionalmente determinada por

Onde,

O limite de fadiga ao cisalhamento Sse, corrigido, determinado por


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Se a tenso limite de fadiga e k o fator de modificao da tenso limite defadiga e definido por:

onde, Ki so os fatores que contabilizam os parmetros que influenciam a vida fadiga(acabamento superficial, dimenso, carregamento, temperatura, corroso, etc.).

Utilizando o critrio de Goodman para tenses de Goodman para cisalhamentotem-se:

Com a tenso de ruptura ao cisalhamento, Ssu, determinada por:

2.3. MOLAS

Elementos ou associao de elementos capazes de sofrer considerveisdeformaes elsticas quando esto sobre a ao de foras ou momentos, em condiode armazenar energia potencial elstica, so definidos como molas.Molas so largamente utilizadas na engenharia com o intuito de exercer fora, comomolas de balana, de fornecer flexibilidade, como aquelas presentes nos discos de

embreagem de automveis, ou mesmo para armazenar ou absorver energia, como nasuspenso de veculos.

A necessidade de adequar as molas a diversas condies de projeto particulares,como restrio espacial, presena de uma constante de elasticidade varivel, dentreoutras, proporcionou o desenvolvimento de diversos tipos de molas. Contudo, nasaplicaes mecnicas comumente so utilizadas molas helicoidais de seo transversalcircular, sendo que estas podem ser de trao, de compresso ou de toro, comoilustrado na figura abaixo.

Figura 1 - Molas helicoidais: (a) de trao, (b) de compresso e (c) de toro

As molas podem ser classificadas como linear elsticas, caso a deformao linearda mola seja diretamente proporcional fora aplicada sobre ela, isto , obedece a lei deHooke:


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onde k a rigidez ou constante elstica da mola, F a fora aplicad a sobre ela e avariao de comprimento entre as extremidades dela. Elas ainda podem ser classificadas

quanto

, onde y o deslocamento relativo entre as duas extremidades da mola e

F(y) fora aplicada em funo desse deslocamento. Caso , a mola linear, caso seja uma funo estritamente decrescente de y, a mola no linear edesignada flexvel. Ainda, se

for uma funo estritamente crescente de y, a mola

no linear e denominada rgida.

(a) (b)Figura 2 - Relao entre F(y) e y de uma (a) mola flexvel e de uma (b) mola rgida

A escolha do tipo de mola a ser utilizado deve ser pautada em fatores como oespao disponvel, o peso e a durabilidade. Entretanto, existe casos em que tambmdeve-se observar as propriedades elsticas e a relao entre fora aplicada edeformao. O material da mola, por sua vez, deve ser escolhido de maneira a suportaros esforos impostos e apresentar o menor custo possvel.A resistncia do arame utilizado depende apenas de seu dimetro o do material utilizado

para sua fabricao e, pode ser facilmente calculada por

onde os valores de Ap e dmso tabelados.

Tabela 3 - ConstantesApe mde Sutpara estimativa da resistncia mnima trao de arames comuns de molas

Considerando F a fora aplicada no centro da mola, A a rea da seo transversal,G o mdulo de elasticidade, D o dimetro mdio da espira, d o dimetro mdio do


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arame, p o passo da hlice, o ngulo de hlice, Na o nmero de espiras ativas e N tonmero total de espiras, podemos calcular os esforos aos quais as molas esto sujeitas:

Como o ndice de mola

Tem-se,

Onde

Contudo, ao utilizar o fator de Bergstrsser para corrigir os efeitos de curvatura:

Com

O deslocamento em y pode ser calculado por

A constante da mola pode ser calculada por


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Figura 3 - Tenso de corte no arame da mola: (a) toro pura, (b) esforo transverso, (c) toro eesforo transverso sem o efeito da curvatura e (d) toro e esforo transverso com efeito da

curvatura evidenciando um efeito muito localizado

2.3.1. MOLAS DE COMPRESSO

Molas helicoidais de compresso podem apresentar quatro tipos distintos deextremidades,plana, esquadrada, esmerilhada e esmerilhada e esquadrada. Sendo que otipo de extremidade utilizada afeta o comprimento da mola e o nmero de espiras ativas

Tabela 4 - Tipos de extremidades de Mola

Devido aos grandes esforos axiais de compresso a que as molas helicoidais decompresso esto submetidas, deve-se calcular a estabilidade destas, isto , a capacidadede suportar a flambagem sobre o efeito de altas deflexes. A deflexo crtica dada por

Onde eff a razo efetiva de esbeltez, calculada por

E

A estabilidade est garantida quando o termo maior do que a unidade, isto

implica que a estabilidade absoluta garantida quando,


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Onde a constante tabelado:

Tabela 5 - Constantes de condio da extremidade para molas helicoidais de compresso

2.3.2. MOLAS DE EXTENSO

As molas de extenso (trao) diferem das de compresso no tipo de transfernciade carga, necessitando essas de algumas formas de transmisso de carregamento para amola, desde o suporte at o corpo desta. A forma mais simples e barata de transmisso atravs de um gancho feito com o prprio fio da mola, ficando nas extremidades damola.

A avaliao das tenses no corpo da mola de trao tratada da mesma forma quenas molas de compresso. No projeto de uma mola com uma extremidade de gancho,flexo e toro no gancho devem ser includas nos clculos e analise do projeto. Sendoos pontos crticos no gancho da mola o ponto de curvatura entre o corpo e o gancho(ponto B) e o ponto de curvatura do gancho paralelo a direo de aplicao da tenso(ponto A). C1

2A tenso de mxima trao no ponto A, causado por um carregamento axial e de

flexo, : C12

Onde Ka um fator de correo de tenso de flexo para curvatura, obtido por

, A tenso mxima de toro no ponto B obtida por

Sendo o fator de correo da tenso para curvatura Kb sendo igual

Kb = , C2=

2.3.3. MOLAS DE TORO


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As molas helicoidais de toro geralmente de enrolamento fechado e de tororeta, este ltimo devido ao custo, o arame utilizado na sua concepo est submetido aesforos de flexo e a uma trao inicial desprezvel.

A localizao da extremidade sem carga dada pelo ngulo , o nmero de voltas

do corpo Nb dado pelo nmero de voltas inteiras mais a volta parcial, que dada por

Assim,

Considerando F a fora aplicada, l a distncia do ponto de aplicao da carga, C o

ndice de mola, d o dimetro do arame e Ki o fator de correo devido a curvatura,pode-se calcular facilmente a tenso de flexo :

Sendo l1 e l2os comprimentos das extremidades, pode-se determinar a deflexototal em radianos e o nmero de voltas ativas:

Assim, o dimetro interno final dado por

3. ESTUDOS DE FADIGA EM MOLAS HELICOIDAIS

3.1. FADIGA DO AO PARA MOLAS DE VLVULAS SAE 9258 PRODUZIDOINDUSTRIALMENTE POR LINGOTAMENTO CONVENCIONAL ECONTNUO (Martins, 2010)

CONTEXTUALIZAO DA TESE

Martins (2010), em seu trabalho, avaliou os aspectos metalrgicos e aspropriedades mecnicas de fadiga do ao SAE 9258, para molas helicoidais, as quaisso utilizadas em vlvulas de automveis. Visava-se comparar o ao obtido atravs dedois modos de produo distintos, lingotamento convencional (mais utilizado

atualmente nas indstrias) e lingotamento contnuo (modo alternativo proposto paraestudo e comparao).


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As microestruturas e o desempenho em fadiga podem ser analisadas e comparadasnas trs fases distintas do processamento: fase intermediria da laminao do arame;fase na qual o ao comercializado (forma de arame); e fase de produto final, comomola helicoidal. Os principais ensaios de fadiga so: fadiga axial em corpos de provas

padronizados, flexo rotativa, e ensaio de fadiga em molas.

Como j exposto anteriormente, o presente trabalho busca destacar o estudoenvolvendo fadiga de molas helicoidais, de modo que os detalhes internos tese dedefesa do mestrado defendida nesse exemplo de aplicao sero postos de lado, e poder-se- fazer uso da referncia para especulao mais aprofundada de tal obra.

O processo de produo do ao para molas de vlvulas muito bem explicadoatravs de um fluxograma encontrado na figura 2.6 (pgina 31) da tese apresentandocada etapa do processo e suas especificaes. O autor tambm apresenta asconsideraes gerais sobre a eliminao de impurezas, formao da escria e controledas incluses para aos que se aplicam s vlvulas automotivas.

A seguir, pode-se visualizar a localizao e a disposio das molas de vlvula emum motor de automvel, na Figura 4. Sua finalidade atuar durante a abertura e o

fechamento das vlvulas, realizando, portanto, movimentos alternativos, estandocompletamente sujeitas a falhas por fadiga caso no projetadas com os cuidadosadequados.

Figura 4 - Disposio das molas de vlvula em um motor de automvel (SUDA, 2005)

ENSAIOS DE FADIGA

O mtodo mais descomplicado e usual para se avaliar as propriedades de fadigados materiais o da realizao de ensaios em corpos de prova padronizados, seguindonormas como ASTM e DIN, que permitem obteno de resultados satisfatrios aresistncia fadiga dos materiais de uso geral na engenharia, quando preparados comsuperfcie polida e sem variaes bruscas de sees.

O ensaio de fadiga axial (ASTM E 466) indicado quando o parmetro a sercontrolado no ensaio a deformao,ou para aqueles casos em que a tenso ou adeformao devem ser uniformes na seo de ensaio do corpo-de-prova.

O ensaio de fadiga por flexo rotativa atende propsitos gerais relacionados com afadiga. Ensaios de fadiga por flexo rotativa so ensaios mais simples e rpidos, porisso so muito utilizados para a obteno de curvas S-N.

Os corpos-de-prova utilizados por Martins em seus ensaios foram cilndricos,obtidos na condio laminada e trefilada, para trao e fadiga axial segundo normas da


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ASTM; e corpos-de-prova provenientes de arame (seguindo a rota industrial deproduo e tratamento trmico), para fadiga por flexo rotativa e fadiga em molas.

O ao Cr-Si, que o ao analisado (SAE 9250), comercializado com dimetrosque variam de 2,00 a 6,50 mm e tolerncia de 0,025 mm. As composies qumicasdo ao em cada processo de obteno so mostradas na figura 1.2. Observa-se que os

aos apresentam as mesmas composies qumicas, quando no, ocorrem variaesmnimas. Este material tem valores de dureza entre 48 e 50 HRC.

Tabela 6 - Composies qumicas do ao em cada processo

As descries completas do ensaio de fadiga por flexo rotativa no arame pode serencontrada no item 3.6 (pgina 95) da tese de Martins, enquanto que a descrio para os

ensaios de trao e fadiga axial so explanadas a partir da pgina 100 no item 3.8. Osdemais enasaios, como metalogrfico e microscopia eletrnica de varredura, tambmesto no corpo da tese, embora omitidos aqui. Nessa reviso, destaca-se o ensaio defadiga em molas helicoidais para vlvulas de motores, devido a sua particularidade.

ENSAIO DE FADIGA EM MOLAS HELICOIDAIS PARA VLVULAS DE MOTORES

Este ensaio simula de maneira acelerada o nmero de acionamentos que ocomponente sofrer durante sua vida til, determinando as caractersticas reais de fadigada mola. So utilizados como dados de entrada para o ensaio a constante da mola, ocomprimento livre e o comprimento em bloqueio (mola totalmente comprimida).

O equipamento para o ensaio de fadiga em molas, da marca Bosch, permitecomprimir a mola em degraus, utilizando no primeiro degrau uma compressomximana fileira de molas que ainda no as bloqueia. Nos degraus seguintes, cadafileira de molas submetida a compresses sucessivamente menores. Dessa forma

possvel determinar quantas molas quebram e o nmero de ciclos em vrios nveis detenses simultaneamente (Martins, 2014). Com esses dados, possvel a construo dacurva S-N. A mquina para este ensaio mostrada na Figura 5.

Figura 5Mquina para ensaios de fadiga em molas de vlvulas (cortesia, LUK)


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A mquina acionada e um operador verifica de tempos em tempos para registraro nmero de ciclos quando uma mola quebra. O teste prossegue at se atingirem nmerode ciclos definido ou at que todas as molas se quebrem (geralmente 36 ou 48 molas nototal). Os resultados obtidos devem totalizar um nmero suficiente de quebras vlidas,

para se construir a curva representativa da vida em fadiga da mola. Foram utilizados

arames de corpos-de-prova com dimetro de 4,00 mm.

RESULTADOS E ANLISE

Alm das microestruturas e da rugosidade serem obtidas atravs dos ensaios (estesresultados no so apresentados nesta reviso), algumas propriedades mecnicas dereferncia so resultados dos ensaios anteriormente j citados.

A figura 1.4 mostra os resultados de resistncia trao e reduo de rea paradiferentes tipos de lingotamento, enquanto a figura 1.5 desvela os valores de tenso deescoamento e do mdulo de elasticidade para os materiais ensaiados.

Tabela 7 - Resultados da resistncia trao e reduo em rea. Superior: lingotamentocontnuo. Inferior: lingotamento convencional.

Tabela 8 - Tenso de escoamento e mdulo de elasticidade para ambos os casos de lingotamento

Na figura 1.6, observa-se os limites de fadiga para cada caso de lingotamento,obtidos atravs do mtodo da curva S-logN do ensaio de fadiga pro flexo rotativa, pela

qual possvel dizer que as diferenas nos dois modos de produo do ao, contnuo ou


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o convencional, no afetam a vida em fadiga dos arames destinados confeco demolas para vlvulas.

Tabela 9 - Limites de fadiga

A principal diferena que ressalta nos resultados obtidos por Martin provmdaquele ensaio de fadiga axial. Os corpos-de-prova do processo convencional delingotamento apresentam melhor vida em fadiga do que aqueles produzidos pela rotacontnua. Atravs de anlises metalogrficas e ensaios mecnicos de trao, depreende-se que, sendo o valor mdio da reduo de rea das amostras para lingotamentocontnuo menores que aquelas para o caso de lingotamento convencional (19,87% parao contnuo contra 38,66% para o convencional), a matriz torna-se menos dtil para o

primeiro caso, apresentando, consequentemente, menor resistncia propagao detrinca (menor resistncia a fadiga), implicando na anlise constatada (Martins, 2010).Em suma, no h diferenas significativas entre os dois modos de lingotamento na

fase de processamento (arame) assim como no h diferenas com o produto acabado(mola). Evidencia-se, entretanto, a diferenas em fase intermediria do processo (fio-mquina) das propriedades mecnicas e das microestruturas (no abordadas nessareviso).

3.2. FADIGA DE MOLAS HELICOIDAIS DE SUSPENSO DE AUTOMVEIS(Paula, 2013)

Paula (2013), em sua dissertao de mestrado, analisou o efeito do jateamentosobre a vida em fadiga de molas helicoidais de ao SAE 9254 de suspenso deautomveis. Diversos parmetros foram estudados, como rugosidade, microestrutura,dureza, vida em fadiga, medidas de tenses residuais, entre outros. Entretanto, oobjetivo principal do autor (e o que nos interessa neste documento) foi estudar ecomparar o comportamento em fadiga das molas produzidas com diferentes mtodos de

jateamento, variando-se o tamanho da granalha utilizada, a temperatura e o nvel detenso da mola durante o jateamento. Avaliou-se o efeito positivo e negativo de cadamtodo na vida em fadiga das molas em trs diferentes nveis de tenso. a influncia decada processo na vida em fadiga das molas.

A seguir, ser apresentado parte deste trabalho, com os principais resultadosreferentes vida em fadiga dessas molas helicoidais.

CONTEXTUALIZAO DA TESE

A suspenso de um automvel tem a funo de sustentar o peso do mesmo,maximizar o atrito dos pneus com o solo e absorver e amortecer impactos, de modo afornecer estabilidade na direo do veculo e conforto aos passageiros. O sistema desuspenso formado principalmente por molas, amortecedores, barras estabilizadoras,

pinos esfricos e bandejas de suspenso (Callister, 2008). Nesse sistema, molas eamortecedores trabalham em conjunto. Enquanto a mola absorve os impactos sofridos

pelas rodas, os amortecedores seguram a sua distenso brusca. Por isso, a suspenso um dos sistemas mais importantes do veculo.


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Para melhorar o desempenho em fadiga das molas, as empresas fabricantes demolas de suspenso procuram melhorar a matria-prima e o prprio processo defabricao. Entretanto, realizar tais melhorias no simples e requerem altosinvestimentos. A melhor opo para se melhorar a resistncia fadiga das molas melhorar os estgios da produo da mola, desde o modo como o tratamento trmico de

tmpera e revenimento realizado at o processo de jateamento da mola. Este ltimoprocesso empregado com o intuito de introduzir tenses residuais compressivas nasuperfcie da pea, o que contribui para inibir a nucleao e propagao de trincas.

Existem diversas tcnicas de jateamento, dentre as quais podem ser alteradosparmetros como o tempo e o nmero de vezes em que a pea jateada, a temperatura eo estado de tenso da mola durante esse processo, o tamanho, a dureza e a velocidade dagranalha que lanada dobre a pea, ou mesmo o ngulo de ataque. Tais parmetrosinfluenciam diretamente no desempenho final da mola. Devido quantidade devariveis no processo de jateamento, complicado determinar qual seria a melhorcondio de jateamento.

FUNDAMENTAO TERICA

Segundo Chiaverini (2005), os materiais para molas de suspenso devemapresentar as seguintes caractersticas:

alto limite de elasticidade (tenso de escoamento), para suportar apreciveiscargas sem apresentar deformao permanente; baixo mdulo de elasticidade, para propiciar deformaes elsticas; alto limite de fadiga, pois no caso da indstria automobilstica, praticamente todasas molas falham por fadiga, o que gera a ruptura em algum ponto de concentrao detenso; elevada resistncia ao choque, principalmente em molas para automveis, avies eaplicaes similares.

Para que os aos mola exeram sua funo, necessrio que apresentem elevadaresilincia, ou seja, a capacidade de absorver energia quando o material deformadoelasticamente e, depois, permitir a liberao dessa energia quando a carga removida(Callister, 2008). Para se elevar a tenso de escoamento e, consequentemente, o mdulode resilincia dos aos mola, necessrio que os mesmos sejam temperados erevenidos, obtendo microestrutura martensita.

O ao mola SAE 9254, com composio qumica equivalente aos aos JIS SUP 12

e DIN 54SiCr6, um ao cromo-silcio, o arame inicialmente temperado em leo erevenido e posteriormente deformado a frio (Yamada, 2007).Um dos mtodos mais eficientes e mais utilizados para induzir tenses residuais

compressivas na superfcie de uma pea o jateamento por partculas. Esse processo amplamente utilizado para o endurecimento superficial de componentes, principalmenteaqueles com geometrias complexas.

Fathallah (1994) define jateamento como um processo no qual a superfcie docomponente impactada com um jato de partculas, as quais podem ser de ao comum,ao inoxidvel, vidro ou material cermico. Esse bombardeamento provoca umencruamento na camada superficial da pea, introduzindo tenses residuais decompresso na superfcie. Isso aumenta o limite de escoamento, alm de alterar a

rugosidade superficial da pea (Niku-Lari et al., 1983; Kumar et al., 1987).


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O jateamento aumenta a resistncia fadiga do material. Essa melhoria na vidaem fadiga ocorre devido s tenses residuais compressivas geradas no jateamento, asquais se somam s tenses trativas do carregamento externo do componente, reduzindoassim o nvel total de tenses aplicadas na superfcie da pea;

Entretanto, o processo de jateamento tambm gera efeitos negativos, como o

aumento da rugosidade da superfcie do material, o que pode levar a uma queda naresistncia fadiga (Ypsilantis et al., 1984). De acordo com Fuchs et al.(1990), essesdanos ocorridos durante o jateamento so sobrepostos pelos efeitos benficos dastenses residuais compressivas.

MATERIAIS E MTODOS

No trabalho em questo, foram selecionadas molas de suspenso traseira deautomvel de um mesmo lote. As molas eram feitas de arame com dimetro final de11,60 mm (aps trefilao), com limite de resistncia trao entre 2000 e 2050 MPa,aps tmpera em leo e revenimento. O material selecionado para a fabricao das

molas foi o ao mola SAE 9254. Aps a produo das molas, foram realizados examesde microestrutura, medidas de tenses residuais, medidas de rugosidade e testes defadiga, os quais podem ser encontrados na dissertao do autor.

Foram analisados 4 processos distintos na fabricao das molas: o Processo 1(P1), no qual no houve o jateamento, e serviu como referncia para os parmetros queseriam obtidos nos outros testes; o Processo 2 (P2), no qual houve jateamento a frioseguido de jateamento com a mola comprimida; o Processo 3 (P3), no qual houve

jateamento a quente seguido de jateamento com a mola comprimida; e o Processo 4(P4), no qual houve jateamento a quente seguido de jateamento com granalha fina 0,3mm. As diferenas entre cada processo podem ser melhor vistas na Tabela 10.

Tabela 10 - Dados dos mtodos de jateamento.

P1

P2

P3

P4


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Neste trabalho, foram utilizadas ao todo 160 molas, divididas em quatro grupos dequarenta molas para cada um dos quatro processos citados anteriormente.

ENSAIOS DE FADIGA

A fim de comparar a durabilidade das molas de cada processo de fabricao,foram realizados testes de fadiga em trs diferentes nveis de tenso, totalizando nomnimo 12 testes por processo em estudo, possibilitando determinar as curvas SN(Tenso aplacada, S; nmero de ciclos at a falha, N).

As tenses aplicadas na mola dependem das alturas de compresso mnima emxima a qual a mola ajustada na mquina de teste de fadiga, no sendo aplicadonenhum tipo de carga externa para a realizao do teste. A Tabela 11 indica ascondies dos testes de fadiga, sendo a condio de teste N 2 a tenso aplicada paraessa mola no automvel.

Tabela 11 - Condies dos testes em fadiga para cada processo em estudo

Todas as molas foram submetidas ao ensaio de fadiga at a ruptura e assuperfcies de fraturas foram examinadas para determinar as causas das falhas. Asfraturas foram examinadas em um microscpio eletrnico de varredura com EDSacoplado. Os resultados dos testes de fadiga so mostrados resumidamente na Figura 6,onde esto traadas as curvas S-N. (Os resultados dos testes de fadiga no esto

presentes neste documento, mas podem ser encontrados na Tabela 24 da pgina 116 dadissertao de mestrado de Paula, 2013.)

O processo de jateamento P4 apresentou o melhor desempenho em fadiga,seguido pelo processo de jateamento P3 e P2, nessa ordem. O processo P1 (sem

jateamento) apresentou o pior desempenho em fadiga.

Figura 6 - Valor da mdia e desvio padro dos resultados de ciclos at a fadiga versus atenso aplicada nos ensaios.


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ANLISE DAS FALHAS

Para todos os nveis de tenso aplicados, todas as molas que no foramsubmetidas ao jateamento quebraram com o menor nmero de ciclos, e a origem daquebra das molas foi na regio de maior tenso, na superfcie da mola na regio interna.

Segundo Paula (2013), como a rugosidade dessas peas baixa se comparado com arugosidade das molas jateadas, esse provavelmente no foi um fator que contribuiu paraa fratura. Entretanto, as molas sem jateamento apresentam tenses trativas em toda asuperfcie, o que contribuiu para a gerao e propagao de trincas em pequenosdefeitos da superfcie da pea.

As molas produzidas pelo jateamento P2 apresentaram o terceiro melhordesempenho em fadiga em todos os nveis de tenso aplicados, sendo superior apenas smolas sem jateamento. Todas as molas falharam com incio de trinca em incluses.

O motivo pelo qual as molas produzidas pelo processo P2 apresentaram umdesempenho inferior s molas produzidas pelos processos P3 e P4 foi devido scaractersticas das tenses residuais compressivas induzidas pelo jateamento. As molas

do processo P2 apresentam valor mximo de tenso residual compressiva mais elevadaque a do processo P3 (processo que obteve o melhor desempenho em fadiga), porm a

profundidade da tenso residual inferior que a do processo P3. Assim, percebe-se quea profundidade da tenso residual tem um efeito mais significativo que o valor mximode tenso residual (Paula, 2013).

As molas produzidas pelo processo com jateamento P3 apresentaram o segundomelhor desempenho em fadiga para todos os nveis de tenso aplicados, perdendoapenas para as molas do processo P4. 86 % das molas que falharam tiveram comoconcentrador de tenso incluses, e 14 % das molas fraturaram na regio interna damola sem incluso. As molas que obtiveram este ltimo tipo de fratura apresentarammaior nmero de ciclos (acima de 3.000.000 ciclos).

O processo P3 apresentou o maior valor de tenso residual mxima compressiva,porm a profundidade da tenso residual foi menor que a do processo P4, o que justificao fato de as molas produzidas pelo processo P4 apresentarem o melhor desempenho emfadiga (Paula, 2013).

As molas produzidas pelo processo P4 apresentaram o melhor desempenho emfadiga em todos os nveis de tenso aplicados. Apenas uma mola quebrou por trincainiciada em incluso. O restante das molas tiveram a fratura na regio interna semincluso, alcanando valores de ciclos variando entre 1.244.702 e 3.039.162 ciclos.

O valor mximo de tenso residual compressiva no processo P4 foi o menos secomparado aos processos P2 e P3, entretanto a profundidade da tenso residual foi

maior (na ordem de 300 m).CONCLUSES

A partir dos resultados obtidos em seu trabalho, o autor concluiu que os efeitosbenficos do jateamento no comportamento em fadiga das molas helicoidais traseiras deautomveis so superiores aos efeitos nocivos da rugosidade das molas.

O processo de jateamento aumenta a vida em fadiga das molas de maneirasignificativa. Analisando os dados obtidos, nota-se que o jateamento no processo P2aumentou a vida em fadiga em 3560 %, o processo P3 aumentou em 5850 % r o

processo P4 aumentou em 15216 % (tomando-se como referncia as molas sem

jateamento) (Paula, 2013).


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4. CONSIDERAES FINAIS

A elaborao deste trabalho permitiu a visualizao da importncia do clculo defadiga em molas helicoidais, visto que estas so largamente utilizadas na indstria, emfuno da sua fcil fabricao, baixa manuteno e possibilidade de uso em locais com

restrio espacial lateral.Ainda foi possvel observar a influncia dos parmetros geomtricos etribolgicos na vida das molas que operam submetidas a foras alternadas, como oaumento do nmero de ciclos destas somente com modificaes no acabamentosuperficial, no caso de jateamento da pea.

Entretanto, outros parmetros no implicam na mudana da vida das molas, comoquando comparadas as molas produzidas com arames fabricados atravs delingotamento contnuo e convencional.

Dessa forma, foi possvel concluir que durante o dimensionamento de molas desuma importncia considerar os efeitos da fadiga sobre as molas, visto que elas operamquase sempre sobre aes de foras alternadas. Alm disso, este trabalho mostrou a

importncia dos parmetros geomtricos e tribolgicos no aumento do nmero deciclos, ainda que outros no influenciem neste parmetro.

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Documents

Trabalho Final Mma