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Dimensional de eixos calculos de fadiga
Tipologia: Teses (TCC)
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Trabalho de conclusão da disciplina de Estágio II (MEC 0258A), apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade de Caxias do Sul, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Supervisor: Prof. MSc. Eng. Vagner Grison
As empresas, continuamente, procuram melhorar sua produtividade, produzindo mais em menos tempo, mantendo ou até melhorando a qualidade dos seus produtos. Com este intuito, o presente trabalho apresenta uma sistemática para dimensionamento de eixo veicular auxiliar (EVA) para o transporte rodoviário, tendo como base dois ensaios realizados perante a aplicação da norma de ensaios da ABNT. O trabalho foi desenvolvido contemplando as seguintes etapas: interpretação da norma para ensaios ABNT NBR 10961, simulações numéricas para identificação dos pontos críticos, cálculos analíticos para comparação dos resultados de tensão obtidos numericamente, após a comparação, os resultados foram utilizados nos procedimentos de cálculos para obtenção da vida sob fadiga. Por fim, foram realizadas análises comparativas entre os ensaios práticos e os resultados calculados analiticamente. O trabalho teve como um de seus principais objetivos a elaboração de um memorial de cálculos, tendo a incumbência de diminuir a demanda de tempo dispensada para o dimensionamento de futuros projetos de EVA.
Palavras-chave: Implementos Rodoviários. Eixo Veicular Auxiliar. Vida Sob Fadiga.
Companies aim continuously to improve their productivity, producing more in less time, keeping or even improving their products' quality. Therefore, this study presents a systematic for axle scaling in road transport in order to replace an axle model considered obsolete. This paper will be grounded in three main parts: the understanding of the Brazilian Technical Standards Organisation NBR 10961, analytical calculations (statical analyses to obtain critical tensions of the materials which will be used as source to verify the number of cycles) and numerical analyses.To assess the life under fatigue through the finite element method, specimens were tested to obtain the S-N curve of the material which will be linked to the software. Then, statical analyses will be carried out to measure the critical tensions. Next, these will be data for Solid Works. Finally, the number of cycles will be found. Based on the results, a comparison between the practical tests of the axle, the analytical analyses and the finite element method will be carried out.
Key-words: Road Implements. Axle Vehicle Auxiliary. Life under fatigue.
Tabela 1 – Deslocamento das vigas ...................................................................................... 21 Tabela 2 – Deformação das vigas ......................................................................................... 22 Tabela 3 – Fração de resistência à fadiga 𝑓 .......................................................................... 25 Tabela 4 – Parâmetros para fator de modificação de superfície de Marin .............................. 26 Tabela 5 – Fatores de confiabilidade .................................................................................... 28 Tabela 6 – Equações para construção das linhas para os critérios e coeficientes de segurança ............................................................................................................................................ 32 Tabela 7 – Ensaio de tração do material LNE 38 .................................................................. 43 Tabela 8 – Ensaio de tração do material SAE 1030 .............................................................. 43 Tabela 9 – Valores das variáveis necessárias para o cálculo do número de ciclos ................. 52 Tabela 10 – Tensões críticas para os ensaios com braço de alavanca de 388 mm e 500 mm .. 52 Tabela 11 – Números de ciclos teóricos para o projeto de alavanca com 388 mm ................. 52 Tabela 12 – Números de ciclos teóricos para o projeto de alavanca com 500 mm ................. 52 Tabela 13 – Números de ciclos teóricos referentes análises das Figuras 32 e 33 para os ensaios de fixação dos elementos de freio ......................................................................................... 56
𝑟 Inclinação da Linha de Carga
𝑆𝑒 ′^ Tensão de Resistência à Fadiga do material
𝑘𝑎 Fator de Modificação da Condição de Superfície
𝑘𝑏 Fator de Modificação de Tamanho
𝑘𝑐 Fator de Modificação de Carga
𝑘𝑑 Fator de Modificação de Temperatura
𝑘𝑓 Fator de Modificação de Efeitos Variados
𝑑 Diâmetro
𝑑𝑒 Diâmetro Efetivo
𝐾𝑇 Fator de Concentração de Tensão
𝐹𝑚 Força Média
𝐹𝑎 Amplitude da Componente de Força
𝜎𝑚 Tensão Média
𝑆𝑎 Resistência Alternante
𝑆𝑚 Resistência Média
𝑀𝐸𝐹 Método de Elementos Finitos
𝐸𝑉𝐴 Eixo Veicular Auxiliar
𝐸𝑃𝑆 Especificação dos Processos de Soldagem
𝑃𝐵𝑇 Peso Bruto Total
𝑃𝐵𝑇𝐶 Peso Bruto Total Combinado
𝑘𝑒 Fator de Confiabilidade
𝑑𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 Diâmetro Equivalente
𝐾𝐹 Fator de Concentração de Tensão de Fadiga
𝑆𝑇 Resistência à Tração na Temperatura de Operação
𝑆𝑅𝑇 Resistência à Tração na Temperatura Ambiente
𝐴𝐵𝑁𝑇 Associação Brasileira de Normas Técnicas
𝜎𝑎 Tensão Alternada
Tensão de Resistência à Fadiga do material
Fator de Modificação da Condição de Superfície Fator de Modificação de Tamanho Fator de Modificação de Carga Fator de Modificação de Temperatura
Fator de Modificação de Efeitos Variados
Diâmetro Diâmetro Efetivo
Fator de Concentração de Tensão
Fator de Confiabilidade
Diâmetro Equivalente
Fator de Concentração de Tensão de Fadiga
Resistência à Tração na Temperatura de Operação Resistência à Tração na Temperatura Ambiente
A indústria de caminhões se instalou no Brasil nos anos 50, com incentivo do parque fabril iniciado pelo governo de Jucelino Kubitschek. O primeiro caminhão feito no país foi o Ford F-600 em agosto de 1957, com motor V8, a gasolina, com 167 hp e com 40% de nacionalização. Atualmente, a malha rodoviária brasileira possui cerca de 1,6 milhões de quilômetros de extensão entre rodovias pavimentadas e não pavimentadas, sendo o transporte rodoviário o principal meio de transporte de cargas. Hoje 56% de toda carga movimentada no país é feita por intermédio do transporte rodoviário. As montadoras vêm investindo cada vez mais em tecnologias para aprimorar seus produtos e métodos de fabricação, sempre procurando maior durabilidade, mais conforto para seus usuários e, ao mesmo tempo, possibilitando maior retorno financeiro à empresa. Isto é possível com projetos mais elaborados, técnicas mais modernas de análise estrutural e a aplicação das normas específicas. A grande frota de caminhões existente no Brasil naturalmente gera uma grande gama de fabricantes de implementos rodoviários em todas as regiões do país. Isto torna o ambiente muito competitivo, obrigando as empresas a investirem em seus produtos atuais, bem como desenvolver novos produtos e novos processos. As montadoras de caminhões produzem modelos básicos, havendo a necessidade de adaptar os mesmos ao tipo de carga e operação do veículo. Esta adaptação pode ser feita com a instalação de um eixo auxiliar, objeto de estudo deste trabalho, que tem como função aumentar a capacidade de carga original, possibilitando extrair o máximo de aproveitamento do caminhão no que diz respeito à sua capacidade de carga. A fabricação e montagem dos eixos auxiliares são realizadas por empresas fabricantes e adaptadoras deste tipo de produto, onde a atuação do engenheiro mecânico é de fundamental importância para o desenvolvimento dos projetos, dimensionamento, acompanhamento do processo fabril, dentre outras atividades de relevância técnica. Uma fonte indispensável para o desenvolvimento dos eixos auxiliares é a norma para ensaio NBR 10961, a qual define os procedimentos de ensaio para o produto, simulando as condições reais de uso. A norma prevê um total de três ensaios distintos para a homologação do eixo, os quais são: ensaio de fadiga de flexão vertical do eixo; ensaio de fadiga de flexão da ponteira do eixo; e ensaio de fadiga dos elementos de fixação do freio.
Eixo veicular é um conjunto de elementos mecânicos que faz a ligação entre as rodas ou conjunto de rodas situadas em lados opostos do veículo, sendo sempre integrados de componentes de freio ou rodagem, podendo ainda estar integrado a componentes estruturais de carroceria e suspensão (NORMA, 10961, p. 1). Segundo Gillespie (1992), o primeiro sistema de suspensão, utilizado em carruagens, possuía molas semi-elípticas (feixe de molas). As principais vantagens do uso de molas deste tipo são a simplicidade de construção, a robustez e o baixo custo. Foi utilizada até por volta de 1960 em veículos de passeio (suspensão traseira) e ainda hoje é utilizada em veículos de transporte rodoviário, caminhões leves e pesados. Normalmente, molas semi- elípticas eram aplicadas em eixos rígidos, sendo que a configuração mais conhecida é a HOTCHKISS, onde as molas eram montadas longitudinalmente sobre o eixo. Nas suspensões onde são usadas molas semi-elípticas, torna-se indispensável se fazer o uso de braços tensores, que tem como finalidade absorver o torque e evitar o enrolamento das molas. O eixo auxiliar veicular é conhecido, popularmente, por terceiro eixo, e é aplicado nos mais diversos tipos de caminhões, auxiliando no transporte de cargas, e tem como principal utilidade o aumento do peso bruto total “PBT” do veículo. O caminhão vem de fábrica com chassi reforçado, o qual permite que haja o aumento da capacidade de carga para a qual o eixo auxiliar é instalado. Para adaptação, é necessário alongar o chassi para a instalação de uma suspensão que, no caso em estudo, é mecânica e inclui a colocação de suportes, balancim e feixe de molas, como pode ser observado no esquema demonstrado na Figura 1. Este tem como finalidade o ajuste da distribuição de carga entre os eixos, o que assegura maior segurança no transporte de cargas.
Figura 1 – Esquema de suspensão mecânica e seus principais componentes
Fonte: elaborado pelo autor
Este estudo surgiu da necessidade de redimensionamento de um produto já existente. Neste caso, o produto apresentava um alto custo e, por este motivo, tinha pouca demanda. Devido às reclamações do setor comercial da empresa, houve a necessidade de reavaliar os processos e o projeto. Foram realizadas análises e, por meio disto, foi escolhida a opção de reformulação do projeto original, visando reduzir o custo do produto por meio da redução do seu peso e mudança nos processos de fabricação. Essa atividade exige uma série de estudos baseados nos conceitos de mecânica dos sólidos, dinâmica veicular, fadiga, materiais e processos de fabricação. Além disso, é indispensável que o produto seja submetido aos ensaios definidos pela norma NBR 10961 para que seja homologado. Deste estudo resultará uma sequência de procedimentos técnicos devidamente fundamentados, resultando na padronização de uma metodologia para o dimensionamento do Eixo Veicular Auxiliar (EVA). Esta sequência contempla os cálculos analíticos, as simulações numéricas e os ensaios físicos pertinentes ao produto em estudo.
1.3 OBJETIVO GERAL
Determinar um método (sistemática organizada), para análise e dimensionamento de eixos para o transporte rodoviário, com base em dois ensaios realizados nos parâmetros estabelecidos pela norma brasileira ABNT NBR 10961.
1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos a serem conseguidos com o desenvolvimento do trabalho são os seguintes: a) analisar e interpretar o método de ensaio da norma brasileira ABNT NBR 10961, para a correta modelagem de análise de tensões; b) revisar bibliografia sobre resistência dos materiais e fadiga estrutural; c) realizar análises pelo método de elementos finitos com o objetivo de definição dos pontos críticos e comparação dos resultados de tensão estática obtidos analiticamente;
d) realizar cálculos analíticos, de modo a validar o projeto no âmbito de cálculo estrutural, tendo como meta comprovação dos resultados obtidos no ensaio realizado conforme a norma NBR 10961; e) elaborar um memorial de cálculos que vise facilitar e agilizar o dimensionamento de futuros projetos de EVA’s.
1.5 HISTÓRICO DA EMPRESA
A Zurlo Implementos Rodoviários foi fundada em 1987 e está situada na cidade de Caxias do Sul, RS 453-Km 6.2. A empresa é referência de qualidade e eficiência na fabricação de implementos rodoviários. Conta com uma estrutura eficaz, maquinário moderno e equipe qualificada, atendendo às necessidades de montadoras e autopeças - linha pesada. Possui o sistema de gestão da qualidade ISO 9001 e atualmente se destaca no mercado brasileiro e vem conquistando espaço no mercado externo, já fornecendo seus produtos para mais de 15 países.
Figura 4 – Esquema de ensaio de fadiga por flexão vertical
Fonte: Norma NBR 10961
b) ensaio dos elementos de fixação do freio: conforme a norma, é necessário ensaiar somente um lado do eixo. A força “F” é senoidal, variando de zero a “G”, sendo perpendicular à direção longitudinal do eixo. Após a aplicação do número especificado de ciclos de carregamento em uma direção, deve-se mudar o sentido de aplicação da carga de torção e repetir o número de ciclos especificados. Ao final, devem ser aplicados tantos ciclos de torção para um lado como para outro, ou seja, 30.000 para trás e 30.000 para frente, onde “G” representa 40% da capacidade nominal do eixo multiplicado pelo raio do pneu a ser utilizado (em mm) à frequência 0,5 a 10 Hz. O esquema de ensaio deve ser conforme Figura 5 ;
Figura 5 – Esquema de ensaio de fadiga dos elementos de fixação do freio
Fonte: Norma NBR 10961
c) ensaio de fadiga da ponta do eixo: a norma diz que é necessário ensaiar apenas um dos lados do eixo, e que a força aplicada “Fe” deve ser de 50% da capacidade nominal do eixo veicular, no sentido real de trabalho do eixo. A força “Fa” é senoidal, variando de ± “G” com frequência de 0,5 a 10 Hz, até atingir 40. ciclos. O esquema de ensaio deve ser conforme Figura 6.
Figura 6 – Esquema de ensaio de fadiga da ponta do eixo veicular
Fonte: Norma NBR 10961
2.2 FLEXÃO EM VIGAS
Para flexão, relaciona-se a distribuição das tensões normais de uma viga ao momento fletor resultante interno, atuando em sua secção transversal, assumindo que o material apresente um comportamento elástico linear. A tensão varia de zero, no eixo neutro do elemento, até um valor máximo, conforme equação 1. A distância c corresponde a fibra mais afastada do eixo neutro como mostrado na Figura 7.
Figura 7 – Variação da tensão de flexão
Fonte: Hibbeler (2004)
