Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico

Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de

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RELATÓRIO DE ESTÁGIO – 2/3 (segundo de três) Período: de 10/março/2008 a 02/maio/2008

Master Sistemas Automotivos LTDA

Nome do aluno: Diego Masotti Nome do supervisor: Max Zatta

Nome do orientador: Arcanjo Lenzi

Caxias do Sul, 09 de maio de 2008

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Atividades realizadas durante o período

Passado o período de adaptação, ficou decidido que eu assumo as seguintes funções:

planejamento e execução de atividades experimentais, desenvolvimento de atuadores e

ajustadores de freio e atividade de squeal (pesquisa em ruído de freios).

A seguir, é feita uma breve revisão bibliográfica sobre alguns conceitos utilizados no

desenvolvimento das atividades. Esta revisão auxiliará no entendimento da descrição das

atividades realizadas durante o estágio.

ÍNDICES DE CAPABILIDADE DO PROCESSO

Os índices e taxas que medem a capabilidade, ou seja, a capacidade de um dado

processo fabricar produtos dentro da faixa de especificação, surgiram dos estudos sobre

Controle Estatístico de Processo (CEP). O objetivo do controle estatístico do processo é

aprimorar e controlar o processo produtivo por meio da identificação das diferentes fontes de

variabilidade do processo. Utilizando conceitos de estatística procura-se separar os efeitos

da variabilidade causada pelas chamadas causas comuns, ou seja, àquelas inerentes à

natureza do processo produtivo, das causas especiais, ou àquelas derivadas da atuação de

variáveis específicas e controláveis sobre o processo.

Os índices de capabilidade podem ser obtidos diretamente dos dados registrados nas

cartas de controle e medem, para um processo sob controle estatístico, a relação entre a

faixa de tolerância especificada para uma dada característica de projeto do produto e a

variabilidade natural do processo produtivo destinado a obtenção daquela característica (a

variabilidade devida às causas comuns). Se a variabilidade do processo é muito grande,

ultrapassando os limites de especificação, é possível estimar a probabilidade de produção

de peças fora da especificação. Os índices de capabilidade mais utilizados são:

• Capabilidade (Cp) (Conhecido como Capabilidade de Máquina): Definido como o intervalo

de tolerância dividido pela capabilidade do processo, ou seja, 6 vezes o desvio padrão

estimado considerando a ausência de causas especiais. Ele é independente da

centralização do processo o desvio padrão é estimado considerando processos estáveis;

• Desempenho (Pp): Intervalo de tolerância dividido pelo desempenho do processo, ou seja,

pelo desvio padrão estimado pelas leituras individuais. Também independentemente da

centralização.

• Superior de Capabilidade (CPU): variação superior da tolerância dividida por 3 vezes o

desvio padrão estimado pela capabilidade do processo.

• Inferior de Capabilidade (CPL): variação inferior da tolerância dividida pela dispersão

superior real do processo.

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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• Capabilidade (Cpk): é o índice que leva em conta a centralização do processo e é definido

como o mínimo entre CPU e CPL. Geralmente diz-se que o processo é capaz se

apresenta Cpk ≥ 1,67.

Tabela 1: índices de capabilidade

Onde:

LSE = Limite superior de tolerância;

LIE = Limite inferior de tolerância;

X = média dos valores medidos;

σ̂ = desvio padrão.

FATOR DE CONFIANÇA MODAL

O Fator de Confiança Modal (Modal Assurance Criterion – MAC) é um parâmetro que

indica o nível de correlação entre duas formas modais sob análise. Matematicamente, o

MAC expressa a natureza da relação entre um par de autovetores (modos de vibração). O

valor de MAC entre um par de autovetores qualquer ( )

jxφ e

( )jpφé dado pela equação:

( 1 )

Os valores de MAC situam-se sempre entre 0 e 1, sendo que o valor 1 indica uma

completa correlação entre as formas modais, ao passo que MAC igual a 0 indica que os

modos não possuem nenhum tipo de correlação geométrica.

- Instabilidade Dinâmica / Análise modal tambor

Dando continuidade a atividade de Instabilidade Dinâmica citada no relatório anterior,

foram realizadas algumas análises modais numéricas de tambores de freio. O engenheiro

Luciano Matozo, da Fras-le, realizou experimentos conforme norma ASTM E756-98 para

determinar as propriedades mecânicas do ferro fundido usado para fabricar os tambores.

Estes experimentos fornecem o módulo de elasticidade (E), o módulo de cisalhamento (G) e

o coeficiente de Poisson (ν) da amostra ensaiada. Estes dados são usados como entrada do

modelo numérico confeccionado no programa Ansys WorkBench 11. Foram usados modelos

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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do tipo Sólido dos dois tambores sob análise. O engenheiro André Cesário e eu definimos a

malha a as condições de contorno. As propriedades do material foram informadas ao

software e a análise modal foi realizada.

O objetivo principal desta análise era validar a simulação de um dos tambores,

baseado em dados de uma análise modal experimental realizada alguns meses atrás pelo

professor Roberto Jordan, em um trabalho desenvolvido em parceria com o Laboratório de

Vibrações e Acústica na Universidade Federal de Santa Catarina.

Figura 1: forma modal do tambor, obtida numericamente.

A alta densidade modal na faixa de interesse da análise (em torno de 3kHz), aliada à

complexidade das formas modais, inviabilizou a correta correlação entre os modos

numéricos e experimentais. A dificuldade foi informada ao grupo e optou-se por fazer a

correlação dos modos usando o MAC. Esta técnica é bastante robusta, mas requer a

manipulação de uma grande quantidade de dados com diversas etapas de processamento.

Um algoritmo deverá ser criado nas próximas semanas para executar esta tarefa. Se a

correlação por MAC não apontar bons resultados, poderá ser necessário refazer a análise

modal experimental do tambor com uma discretização mais refinada.

- Estudo de montagem atuadores Spring Brake

Um estudo detalhado foi conduzido para determinar a causa de dificuldades de ajuste

da dimensão chamada BCPP (altura da ponta de contato) durante o processo de montagem

de alguns modelos de atuadores Spring Brake. Os problemas são observados nos

atuadores com a parte de serviço de 14” e 16”. Nos atuadores avaliados, o BCPP

especificado é de (15,00 ± 0,50)mm.

Em primeiro lugar, foram avaliadas características dimensionais de onze componentes

que podem afetar a altura da ponteira de contato. Foram medidas 35 amostras de cada um

dos componentes. As amostras foram retiradas aleatoriamente dos estoques da fábrica.

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Figura 2: vista em corte do atuador sob estudo.

As peças foram numeradas e medidas com o instrumento apropriado (conforme faixa

de tolerância da cota medida). Para cada uma das cotas medidas foi feito um estudo de

capabilidade usando o software MiniTab. A figura abaixo mostra um dos relatórios gerados

pelo programa.

Figura 3: relatório mostrando os índices de capabilidade obtidos em uma das cotas medidas.

As peças medidas foram levadas para a linha de montagem e montadas seguindo

fluxo normal de produção. Durante a fabricação dos atuadores foram realizadas diversas

intervenções para a medição de algumas características dimensionais.

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Figura 4: medição do BCPP na linha de montagem (esquerda) e estação de recolhimento da mola.

Vários resultados importantes foram obtidos neste estudo. Uma síntese dos mesmos é

mostrada na seqüência.

Muitas das características analisadas estão fora da especificação de projeto. Exemplo

disso é a altura do conjunto de tampa alta, que influi diretamente na altura da ponta de

contato, e apresenta capabilidade de apenas Cpk = -0,32.

Outro problema que foi relatado pelos montadores é a dificuldade no cravamento das

pontas de contato (recartilha da ponta de contato é prensada no furo da haste, fixando por

interferência mecânica). Na análise dimensional foram encontradas hastes com o diâmetro

abaixo do especificado e recartilhas com o diâmetro acima do máximo permitido, sendo que

a interferência na montagem pode chegar a 0,34mm.

Quando da liberação para produção destes atuadores, foram realizados testes para

determinar a força necessária para cravar a ponta de contato. O gráfico abaixo mostra que a

força de montagem para uma interferência de 0,34mm é de aproximadamente 10KN, ou

seja, 25% superior a força necessária para montar a ponta com a interferência máxima de

projeto (0,30mm).

Figura 5: gráfico da força de montagem em função da interferência.

INTERFERÊNCIA x FORÇA MONTAGEM

0,233790

0,194721

0,191928

0,359091

0,2912796

0,3710573

0,075386

0,09940

0,142422

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

INTERFERÊNCIA [mm]

FO

RÇ

A D

E M

ON

TA

GE

M [N

]

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Uma das características medidas durante o processo de montagem foi a altura da face

do apoio do êmbolo até a superfície do corpo intermediário. Observou-se forte correlação

entre a altura do apoio e BCPP. Usando o MS Excel, a correlação foi calculada em 98%.

Várias observações e sugestões de melhoria foram levantadas em relação ao

processo de montagem dos atuadores. Estas fogem aos objetivos deste relatório e não

serão citadas.

Uma importante constatação foi que a principal causa da variação do BCPP é a folga

observada entre o diafragma e o corpo intermediário no compartimento de serviço. Esta

folga permite que diafragma seja empurrado pela mola de retorno e este, por sua vez, cede

até encostar no apoio do êmbolo.

Figura 6: altura entre o diafragma e o corpo intermediário.

Em um primeiro momento as alterações de projeto devem ser feitas sem alterar a

curva de força X curso do atuador. O motivo para tal é evitar que a o atuador precise ser

novamente homologado pelo RWTÜV Fahrzeug GmbH (instituto certificador alemão).

Algumas possíveis soluções foram discutidas e optou-se por prototipar duas delas. Estas

alterações de engenharia são confidenciais e não serão citadas neste relatório.

- Resistência dos parafusos do mancal

Foi detectado na inspeção de recebimento um grande lote de parafusos do mancal

fabricados com matéria-prima fora das especificações. Para verificar a possibilidade de uso

dos parafusos, foram realizados ensaios de durabilidade do conjunto mancal do eixo,

simulando a quebra de dois (02) dos quatro (04) parafusos que fixam o mancal ao seu

suporte. Os mancais foram submetidos ao ensaio que simula a condição de frenagem do

veículo (chucker Test) conforme procedimento de teste PT-265 da ArvinMeritor.

Duas configurações foram testadas, variando a posição dos parafusos no conjunto do

mancal. As configurações são: parafusos em diagonal e parafusos lado a lado.

Força da mola

de retorno

Diafragma

Corpo

Intermediário

Apoio do

êmbolo

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Figura 7: esquema da montagem do mancal na configuração diagonal

O torque dos parafusos foi verificado antes e após o teste de ciclagem. Foi verificada

pequena perda de torque, mas o valor residual estava dentro dos limites especificados.

Na configuração diagonal foram realizados 11.700 ciclos. Já o teste com parafusos

lado a lado rodou 14.600 ciclos. Após o teste, os parafusos foram retirados e submetidos a

testes de magnaflux para verificar a presença de trincas. Nenhuma falha foi constatada.

Figura 8: fotos do mancal montado com os parafusos lado a lado.

Depois de ensaiados, os parafusos foram submetidos a um ensaio de “queima”, para

verificação da composição química. A composição química obtida foi comparada com as

especificações. Comprovou-se que os parafusos ensaiados pertenciam ao lote de peças

com problemas de matéria-prima. Baseado nos resultados dos testes, os parafusos foram

considerados aprovados para uso.

- Avaliação de desgaste de mancais

Foi realizado ensaio de Chucker Test com o objetivo de comparar o desgaste

apresentado por buchas do mancal de diferentes materiais, neste caso, bronze e aço

sinterizado. Foram ensaiadas seis (06) amostras eixo-bucha. Três buchas de bronze, três de

aço sinterizado e seis eixos expansores.

X

X

SEM

Parafuso

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Figura 9: buchas analisadas (esq.) e detalhe da cabeça e assento do mancal no eixo expansor.

O diâmetro das buchas e dos eixos foi medido antes e após o teste de ciclagem. Cada

uma das amostras foi submetida a 30.000 ciclos. Os mancais foram lubrificados a cada

10.000 ciclos.

TP-265 Procedimento Chucker Teste

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

0 1 2 3 4 5

Tempo (seg)

To

rqu

e (N

m)

Figura 10: torque aplicado em cada ciclo do Chucker Test.

Conforme já era esperado, a bucha e o eixo apresentam desgaste localizado em

alguns pontos de maior esforço. Todas as medidas dos diâmetros foram obtidas nas regiões

de maior desgaste.

Ao fim do teste foi possível concluir qual tipo de bucha apresenta maior desgaste e

qual delas acarreta em um desgaste maior no eixo expansor.

- Outros testes

Durante este período de estágio mais alguns testes de chucker foram realizados.

Podem ser citados:

• Nervura estendida: alteração de projeto na região de apoio do rolete na

nervura. Esta alteração visa a redução da ocorrência de estalo observado em

campo.

• Furação da ancoragem: desvio na usinagem da furação da ancoragem da

aranha de freio. Teste realizado para aprovar desvio de engenharia das peças

problemáticas.

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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• Nervura com material alterado: algumas nervuras foram fabricadas com

material diferente do especificado, e por conseqüência, a dureza do

componente também ficou baixa. O teste de chucker foi feito para verificar se o

componente suportava os esforços de frenagem.

Todos estes testes requerem bastante tempo de preparação e de análise dos

resultados. Em sua maioria, requerem ensaios dimensionais, de material e de integridade

física (líquidos penetrantes, magnaflux, inspeção visual).

- Unidade hidráulica do Chucker

A unidade hidráulica usada para realizar o experimento de Chucker apresentou

diversos problemas de funcionamento nos últimos meses, incluindo ruptura de mangueiras e

do filtro de retorno em mais de uma oportunidade. Juntamente com a empresa que fabricou

a unidade, foi feita uma análise completa equipamento. As vazões e pressões em diferentes

partes da unidade foram recalculadas, levando em consideração as velocidades e forças

requeridas para o acionamento do Chucker.

Figura 11: diagrama hidráulico do equipamento analisado.

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Como resultado deste estudo, a unidade foi recondicionada, alterando pressões de

funcionamento e a lógica de acionamento de válvulas direcionais. A unidade será

instrumentada para verificar a ocorrência de picos de pressão no filtro de retorno. Após este

estudo será possível verificar a necessidade de substituição do filtro.

Figura 12: foto da unidade hidráulica.

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Discussões e conclusões

Atuar na área experimental é uma incrível oportunidade de aprendizado para um

engenheiro no início de suas atividades profissionais. Os experimentos mostram muitas

peculiaridades sobre o produto que se está lidando. Muitas coisas que são aprendidas em

uma bancada de ensaio não estão disponíveis em nenhum livro ou apostila.

Igualmente proveitoso foi o período de acompanhamento da montagem dos atuadores

de freio. As pessoas envolvidas na montagem dos atuadores têm muitas coisas

interessantes para ensinar. Um engenheiro que conhece o processo de montagem e

entende suas limitações, com certeza estará mais bem preparado para projetar novos

atuadores de freio.

Segundo relatório de estágio – Diego Masotti

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Referências Bibliográficas

[1] Limpert, R., Brake Design and Safety, 2nd ed., SAE, Estados Unidos. 1999.

[2] Dias, A.,Sistema de freio automotivo: Dimensionamento e Manutenção, Apostila da

disciplina de Elementos de Máquinas II, UFSC, 2003.

[3] Catálogo Técnico Elementos de Fixação. Macrosul. 1º Edição. Caxias do Sul. 2206.

[4] Dimensioning and Tolerancing. Norma ASME Y14.5M-1994

[5] Análise de freio “S” came. Apostila de treinamento.

[6] Jordan, R., Análise Modal Experimental, Apostila do curso de pós-graduação em Eng.

Mecânica. UFSC. 2006.

[7] Matozo, L.T., Análise Vibroacústica de Sistema de Freio a tambor para Veículos

Comerciais. 7th International Brake Colloquium. SAE. 2005

[8] Trichês, M., Analysis of Brake Squeal Noise Using the Finite Element Method: a

Parametric Study. 7th International Brake Colloquium. SAE. 2005

[9] Shigley, J. E., Elementos de Máquinas – Volume II. LTC Editora. São Paulo.

[10] Guesser, W. L., Ferros Fundidos Empregados para Discos e Tambores de Freio.

Trabalho disponível em: www.tupy.com.br. Consultado em: 08/04/2008.

[11] Fundamentos de controle estatístico de processo CEP. IQA. 1997.

[12] Normas e procedimentos diversos