Selecção do melhor material para as molas de um motor de combustão interna

8/20/2019 Selecção do melhor material para as molas de um motor de combustão interna

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UNIVERSIDADE DE COIMBRA

FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

CASO DE ESTUDO( MOLAS PARA V)LVULAS DE MOTORES DE

COMBUST*O INTERNA

André Silva Jacinto | Estudante nº 2011171254

Cláudio Alexandre Berenuer Silva | Estudante nº 201115!"02

TRABALHO NO ÂMBITO DA UNIDADE CURRICULAR DE SELEC+*O DE

MATERIAIS E PROCESSOS DE FABRICO

,ANEIRO DE -./0


2/372

1ndi#e

Introdução..........................................................................................................................3

Análise de Mercado e Alternativas....................................................................................4

Alternativas a considerar...............................................................................................4

Análise de Mercado.......................................................................................................6

Definição dos Requisitos...................................................................................................9

Abordae! a seuir........................................................................................................."2

Definição do ob#etivo e de $ar%!etros........................................................................"2

Material Inde&............................................................................................................."4

'r()seleção......................................................................................................................."6

Definição dos !el*ores !ateriais..............................................................................."6

Materiais a estudar......................................................................................................."+

'ro$riedades dos !ateriais a estudar..........................................................................."9

'ro#eto do co!$onente....................................................................................................2"

,eleção do 'rocesso de -abrico......................................................................................24

ta$as do $rocesso......................................................................................................24

,eleção dos $rocessos..................................................................................................24

/ustos 'rocesso de -abrico.............................................................................................26

sti!ativa dos custos dos $rocessos...........................................................................26

/álculo do custo final do $roduto...............................................................................30

Matri1es de seleção..........................................................................................................3"

/onclusão........................................................................................................................34

-ontes..............................................................................................................................3

ibliorafia..................................................................................................................3

ebrafia.....................................................................................................................3

,eleção de Materiais e 'rocessos de -abricoDiscentes5 Andr( acinto

Docente5 Albano /avaleiro /láudio ,ilva


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In2rod$34o

7! dos as$etos !ais i!$ortantes $ara arantir o bo! dese!$en*o e cu!$ri!ento dos

requisitos de qualquer ob#eto8 be! ou co!$onente ( o !aterial ou !ateriais que o constitue!.

Assi! u! bo! $ro#eto $assa8 ta!b(!8 $or selecionar correta!ente os !ateriais tendo se!$re

e! conta as condiçes de utili1ação e fatores co!o o custo final e o te!$o de vida $revisto

$ara o $roduto.

:a unidade curricular de ,eleção de Materiais e 'rocessos de -abrico8 fora!

a$resentados conceitos e !(todos de seleção8 que se $retende! aora consolidar e a$licar

nu! caso de estudo5 seleção do !el*or !aterial $ara as !olas das válvulas de u! !otor de

co!bustão interna.

; $resente relat


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An5%ise de Mer#ado e A%2erna2ivas

Alternativas a considerar

:u! !otor de co!bustão interna8 o que se $retende das !olas e! estudo ( que

$er!ita! o correto funciona!ento das válvulas e! todo o rei!e de utili1ação do !otor8

assi! co!o asseurar a correta vedação das !es!as na devida fase do ciclo de

funciona!ento dos !otores.

A solução !ais co!u! na indstria auto!


5/37

Figura 2- Mola helicoidal dupla

• ,iste!as $neu!áticos B-iura 3C

Dentro dos !otores de elevada $erfor!ance8 as !olas *elicoidais8 se#a! elas si!$les

ou at( !es!o du$las8 $ode! revelar)se inca$a1es de e&ecutar o !ovi!ento de retrocesso das

válvulas nu! $er=odo de te!$o suficiente!ente redu1ido8 ra1ão $ela qual $ode vir a e&istir

interfer>ncia das válvulas co! os $istes.

'ara evitar este $roble!a8 desenvolvera!)se8 e! !eados dos anos F08 os siste!as $neu!áticos8 que consiste! na substituição das !olas $or c%!aras $ressuri1adas

Bnor!al!ente co! a1otoC e !antidas a $ressão constante de !odo $rovocar o !ovi!ento de

retrocesso das válvulas.

Figura 3- Sistema pneumático para o fecho das válvulas

• ,iste!as des!odr

;s siste!as des!odr

As válvulas são fec*adas $or u! siste!a !ec%nico id>ntico ao usado na sua abertura8 isto (5

e&iste! e&centricidades na árvore de ca!es que e! contacto co! os balancins $ro!ove!8

al(! da abertura8 o fec*o das válvulas.

:o entanto8 na !aioria das soluçes que usa! este siste!a e&iste u!a !ola ? torção no ei&o

dos balancins. sta serve $ara criar alu!a $r()tensão e !anter as válvulas fec*adas.

A$esar de ser !ais co!$le&o e !ais $esado8 este siste!a arante u!a !el*or $recisão

e ra$ide18 es$ecial!ente til $ara rotaçes !ais elevadas. Al(! disso $er!ite! variar !ais




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facil!ente aluns $ar%!etros Bao lono do rei!e do !otorC $ara a oti!i1ação da

$erfor!ance.

Figura - Sistema desmodr!mico

Dado que a a$licação das !olas8 no nosso caso de estudo8 será nu! convencional

auto!



7/37+

! casos !ais es$ec=ficos8 no!eada!ente e! !otores !ais rotativos8 devido ?s

!aiores solicitaçes e te!$eraturas de serviço a que as !olas estarão su#eitas8 verifica)se a

utili1ação de !ateriais co!o lias de Hit%nio ou :=quel8 $or(! os custos nor!al!ente não

co!$ensa! a sua a$licação e! !otores de a$licação eral.

Figura "- #iferentes solu$%es de materiais

uanto ?s di!enses8 estas estarão forte!ente de$endentes da arquitetura do !otor e!

si8 no!eada!ente de $ar%!etros co!o a $r()tensão de instalação $retendida8 abertura da

válvula8 entre outros. :o caso do di%!etro do ara!e da !ola8 este irá de$ender do !aterial

e! si8 co!o se irá ver !ais ? frente.

:o que di1 res$eito ao fabrico de !olas $ara válvulas de !otores de co!bustão interna8

os $rocessos utili1ados8 inde$endente!ente da a$licação do co!$onente8 redu1e!)se a u!a

nica escol*a8 co!$osta $or várias eta$as5 stirae! do ara!e BJire draJinC8 enrola!ento e

corte feito nu!a !áquina auto!ática Bs$rin coilin !ac*ineC. 'osterior!ente ( nor!al

fa1er)se o acaba!ento das e&tre!idades da !ola e u! trata!ento su$erficial.

Dentro dos diversos ti$os de acaba!ento das e&tre!idades8 te!os as e&tre!idades

abertas8 e&tre!idades fec*adas8 e&tre!idades abertas e retificadas e e&tre!idades fec*adas e

retificadas B-iura 68 res$etiva!ente da esquerda $ara a direitaC.

Devido ? eo!etria requerida $ara a instalação da !ola8 o acaba!ento !ais utili1ado (

de e&tre!idades abertas e retificadas8 obtido atrav(s u! $rocesso de retificação das

e&tre!idades.




8/37F

Figura 6- &ipos de aca'amento das estrimidades

'or fi!8 e&iste! diversos trata!entos que $ode! ser a$licados ?s !olas. ; !ais

vanta#oso ( o K,*ot 'eeninL Branal*ae!C8 que $er!ite8 indu1indo tenses su$erficiais nos

co!$onentes8 !el*orar as suas $ro$riedades !ec%nicas8 sendo de destacar o au!ento da

resist>ncia ? fadia.




9/379

De6ini34o dos Re7$isi2os

De for!a a definir correta!ente os requisitos !ais i!$ortantes $ara u! co!$onente8 (

necessário con*ecer o ti$o de solicitaçes a que este estará su#eito e! serviço.

As !olas $ara as válvulas de u! !otor de co!bustão interna estão su#eitas a diferentes

solicitaçes de$endendo do ti$o e da a$licação do !otor. 'or e&e!$lo5 as !olas das válvulas

de u! !otor de u!a !ota B-iura +C estarão su#eitas a !ais ciclos8 devido ? !aior

rotatividade desteN $or outro lado8 u! !otor diesel B-iura FC de randes di!enses e&iirá

u! esforço !aior ?s !olas8 $or(! co! u! !enor nO de ciclos.

Figura (-Motor mota )*prilia +S, Figura .- Motor diesel 'ai/a rota$o )aterpillar

Assi!8 o $ri!eiro $asso será es$ecificar o ti$o de !otor e! que estarão a$licadas8

tendo to!ado a o$ção de fa1er a seleção $ara u! !otor de !(dia ca$acidade de u!

auto!


10/37


11/37""

Ha!b(! se fa1 refer>ncia ?s $ro$riedades ou $ar%!etros de que os requisitos $ossa

de$ender.

&a'ela 1- 5mportância dos reuisitos

Requisito 'ro$riedades e $ar%!etros relacionados I!$ort%ncia-orça elevada σmax N N dN u!a& N σced Resist>ncia ? fadia σf N σamp Resist>ncia ? te!$eratura HserviçoN 3Dissi$ação de calor λ 2/usto final /!aterialN /fabrico 2




12/37"2

A!orda'e a se'$ir

Defnição do objetivo e de parâmetros

Hendo sido definidos8 anterior!ente8 os requisitos8 o seundo $asso $assa $or

estabelecer o nosso ob#etivo8 de for!a a encontrar o =ndice de $erfor!ance do !aterial.

Assi! nesta a$licação8 tal co!o na eneralidade das a$licaçes das !olas8 o ob#etivo (

!a&i!i1ar a eneria ar!a1enada $or unidade de defor!ação8 ou se#a !a&i!i1ar o $roduto da

força $ela defor!ação.

E necessário ainda avaliar quais são os $ar%!etros con*ecidos e quais são os que

de$ende! direta!ente do !aterial8 estabelecendo valores realistas $ara os $ri!eiros e

encontrando funçes $ara os restantes.

As di!enses são todas con*ecidas ? e&ceção do di%!etro que de$ende do !aterial.

,endo que8 a$ncia $lástica e ? fadia8

isto (5 a tensão !á&i!a atinida Bσmax) deve ser inferior ? tenção de ced>ncia Bσced) e a

a!$litude de tensão Bσamp) deve ser inferior ? tensão li!ite de fadia Bσf ). A$esar do ciclo

caracter=stico não ser sinusoidal8 u!a a$ro&i!ação $ode ser vista na fiura "".

Al(! desta verificação o valor do di%!etro obtido deve situar)se entre 3!! e 6!!8

$ois corres$onde! aos valores li!ite nor!ais neste ti$o de a$licação.

Figura 11- iclo de fadiga com pr7-tenso

A defor!ação total Bu!a&C vai ser a so!a do valor da defor!ação de $r( tensão Bu $r()tensãoC8

co! u! valor fi&o corres$ondente ? abertura !á&i!a das válvulas BuválvulasC.




13/37"3

A defor!ação de $r()tensão te! que arantir u!a força !=ni!a de 200:8 sendo assi!

$oss=vel encontrar o di%!etro !=ni!o das !olas $ara u!a dada defor!ação.

nquanto a defor!ação de abertura das válvulas ( necessaria!ente u! valor fi&o8 na

defor!ação de $r()tensão e&iste alu!a liberdade8 $ois esta defor!ação ( i!$osta na

!ontae! e $ode)se au!entar ou di!inuir confor!e se $retenda au!entar a força de $r(tensão.

:o entanto8 esta defor!ação na $rática está li!itada a u! intervalo de valores

de$endentes do !otor8 di!enses da !ola etcQ assi!8 a dada altura8 terá de se atribuir u!

valor fi&o ? defor!ação de $r( tensão8 de for!a a se $oder deter!inar o di%!etro da !ola. ;

valor a atribuir deverá ser realista e arantir a força !=ni!a $ara u! di%!etro dentro dos

valores $retendidos.

:a tabela seuinte B2C a$resenta!)se os valores con*ecidos e os intervalos $ara os

valores ainda a definir e na fiura "2 $ode ver)se a que di!enses corres$onde! os valores

a$resentados

&a'ela 2- 8'etivo e 9arâmetros a cumprir

;b#etivo Ma&i!i1ar a eneria ar!a1enada $or unidade de defor!ação.Defor!ação u!a& u $r()tensãoS uválvulas N uválvulas2!! N 2!! Tu $r()tensãoT 6!!

/o!$ri!ento U00!!Raio

R"2!! ¿

Da

2+ Di

2

2

:O es$iras n Di%!etro 3!!TdT6!!- !=ni!a - $r()tensão 200:

Figura 12- #imens%es da mola




14/37"4

Material Index

Hendo e! conta os requisitos #á estabelecidos8 $retende)se aora deter!inar o =ndice de

$erfor!ance do !aterial que nos irá $er!itir identificar os !el*ores !ateriais $ara a nossa

a$licação.

Assi!8 o ob#etivo de u!a !ola ( ar!a1enar eneria $ara a libertar $osterior!ente sobre

a for!a de u!a força e i!$ondo u! desloca!ento. /o!o tal8 $ara !a&i!i1ar a eneria8

quere!os !a&i!i1ar o $roduto da força $elo desloca!ento.

A eneria ar!a1enada ( dada $or5

n VW-WXVW-Wu B"C

'ela e&$ressão anterior B"C8 !a&i!i1ando a força eYou a defor!ação8 !a&i!i1a)se a

eneria ar!a1enada. Mas a defor!ação não $ode ser !a&i!i1ada indefinida!ente e8 !ais ?

frente8 terá de se atribu=r u! valor fi&o8 $elo que será u! $ar%!etro con*ecido.

uanto ? força8 dada $ela equação B2C8 $ode ser !a&i!i1ada. :o entanto8 ( necessário

ter e! conta os dois requisitos !ais i!$ortantes5 não *aver ced>ncia $lástica e não ocorrer

fal*a $or fadia.

Hendo isto e! conta8 nesta abordae!8 ao substituir)se Z8 o$tou)se $or utili1ar a tensão

de ced>ncia na deter!inação do =ndice do !aterial e $osterior!ente na $r( seleção i!$or u!li!ite !=ni!o $ara a tensão li!ite de fadia do !aterial.

3[Wd WZ- B2C

32WR

Assi! substituindo a equação B2C e! B"C obt(!)se a equação B3C5

3

cn

[Wd WZ VW Wu B3C

32WR

:a equação B3C8 #á se con*ece! todos os $ar%!etros ? e&ceção do di%!etro do ara!e8

que irá de$ender do !aterial8 tendo e! conta a defor!ação de $r()tensão a definir.

/onsequente!ente ( necessário encontrar u!a e&$ressão $ara o di%!etro8 que $ode ser obtida

a $artir da e&$ressão que nos dá a defor!ação B4C.




15/37"

3

4

64W-WR Wnu B4C

Wd

:a e&$ressão B4C volta a a$arecer a força8 que não ( con*ecida. E necessário8 antes de

resolver e! orde! ao di%!etro8 substituir B2C e! B4C8 obtendo a equação BC $ara a

defor!ação.

33c

2

c

4

[Wd WZ64W WR Wn

32WR 2W[WZWR Wnu BC

Wd Wd

÷

E aora $oss=vel8 a $artir de BC8 encontrar u!a e&$ressão $ara o di%!etro5

2 2

c c2W[WZWR Wn 2W[WZWR Wnu d B6CWd Wu

⇒

,ubstituindo a e&$ressão do di%!etro B6C na equação B3C e si!$lificando5

2

c

3

c

n

4

n 3

4

2

3

[W WZ VW Wu B

2W[WZWR Wn

Wu

ZW

+C32WR

VW[ W BFC

4W

n

u

R

Wc

÷

÷

; =ndice do !aterial8 que se $retende !a&i!i1ar8 na nossa a$licação (

3

4

c Z

M

÷

.




16/37"6

Pr8"se%e34o

Defnição dos melhores materiais

'ara $oder filtrar a nossa seleção a$enas a aluns !ateriais ( necessário i!$or alu!as

restriçes.

/o!o na deter!inação do =ndice do !aterial se usou a tensão de ced>ncia8 ( aora

necessário ter e! conta os $oss=veis $roble!as de fadia.

A a!$litude de tensão8 co!o se $ode ver na fiura ""8 de$ende da tensão !=ni!a Bde

$r()tensãoC e da tensão !á&i!a. :o entanto8 a tensão !á&i!a não irá ser sinificativa!ente

su$erior ? tensão !=ni!a B$ois a defor!ação de abertura das válvulas ( relativa!ente

$equenaC.

Ainda assi!8 de for!a a evitar $or co!$leto este $roble!a8 considerou)se que os

!ateriais t>! que ter u!a tensão li!ite de fadia su$erior a 400M'a.

Al(! dessa restrição introdu1ida no li!ite8 introdu1ira!)se todas as restriçes #á

con*ecidas5 a te!$eratura de serviço !á&i!a de8 no !=ni!o8 200O/ e o !aterial ser u! bo!

condutor t(r!ico.

'or lti!o8 considerou)se que se iria usar necessaria!ente u! !etal8 $ois neste ti$o de

a$licaçes outro ti$o de !ateriais não se revela! boas soluçes. De u!a for!a eral8 os $ol=!eros ou co!$! $roble!as co! a te!$eratura8 e os

cer%!icos são !ateriais fráeis.

A$licando estas restriçes e fa1endo u! ráfico co! o =ndice do !aterial8 no n=vel 2 do

$rora!a /, du'ac@8 c*eou)se ?s fa!=lias de !ateriais que consta! na fiura "3.




17/37"+

Figura 13- Fam:lias de materiais poss:veis para as molas das válvulas de um motor de com'usto

/o!o esta seleção ainda enloba u! elevado n!ero de !ateriais8 $ois aluns

corres$onde! a fa!=lias de !ateriais8 va!os restrinir a seleção ?s duas fa!=lias que se

a$resenta! co!o u!a !el*or solução Blias de base de :=quel e lias de aço de bai&o teor

e! /arbonoC8 que coincide! co! os !ateriais ti$ica!ente usados na a$licação $retendida.

Materiais a estudar

Hendo sido #á definidas as !el*ores fa!=lias de !ateriais $ara esta a$licação8 $assou)se

$ara o n=vel 3 do $rora!a /, du'ac@8 onde se !antivera! as !es!as restriçes e se

deli!itou os resultados a$enas ?s duas fa!=lias anterior!ente referidas.

Mes!o assi!8 o n!ero de resultados $oss=veis era de!asiado elevado Bna orde! das

duas centenas de !ateriaisC.

'or esse !otivo8 fe1)se u!a análise !ulti$ara!(trica8 isto (5 de for!a a encontrar

!ateriais que de!onstrasse! u! bo! dese!$en*o e! si!ult%neo nos diferentes requisitos8fe1)se u! ráfico re$resentando o =ndice do !aterial e a condutividade t(r!ica8 e outro co! o

=ndice do !aterial e a tensão li!ite de fadia B-iuras "4 e "C.




18/37"F

Figura 1- ;ráfico com :ndice do material e condutividade t7rmica

Figura 1"- ;ráfico com :ndice do material e tenso limite de fadiga

'osterior!ente8 dentro de cada ráfico8 $rocurou)se encontrar os !el*ores !ateriais e

cru1ara!)se os dados obtidos entre eles8 de !odo a escol*er os !ateriais e! co!u! e8 que ao

!es!o te!$o8 fosse! adequados $ara a $rodução de !olas BGer tabela 3C.

&a'ela 3- ru/C @ oi% 7$en#?edUoJ allo\ steel8 AI,I 0608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*ed

Lo9 a%%o: s2ee%; ...M; 7$en#?ed @ 2eeredLo9 a%%o: s2ee%; ...M; 7$en#?ed @ 2eeredLo9 a%%o: s2ee%; AISI .B0.; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?ed /Lo9 a%%o: s2ee%; AISI /0.; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?ed -Lo9 a%%o: s2ee%; AISI -; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?ed >UoJ allo\ steel8 D6A/8 quenc*ed ^ te!$eredNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: ==.; ?ard =

Ni#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: CR"/; #as2; annea%ed a'ed Ni#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: M --.C; #as2; annea%ed a'ed 0 :ic@el)/r)/o)Mo allo\8 Rene 4"8 Jire




19/37"9

UoJ allo\ steel8 AI,I "308 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I "408 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I "08 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edLo9 a%%o: s2ee%; AISI /0.; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?edUoJ allo\ steel8 AI,I "608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I "608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I 6"08 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F"48 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*ed

UoJ allo\ steel8 AI,I F6308 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F6408 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F608 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F6608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F648 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I F+408 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edLo9 a%%o: s2ee%; AISI -; 2eered a2 >/C @ oi% 7$en#?edUoJ allo\ steel8 AI,I 928 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I 92608 te!$ered at 42]/ ^ oil quenc*edUoJ allo\ steel8 AI,I 94308 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: ==.; ?ardNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: CR"/; #as2; annea%ed a'edNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: M --.C; #as2; annea%ed a'ed

Ueenda5A cor estão re$resentados todos os !ateriais e! co!u!.

A a$% es24o reresen2ados os a2eriais e #o$ 7$e se ir4o es2$dar<

A %arana es24o reresen2ados os a2eriais e #o$ as 7$e n4o 2& indi#a34o do $so e o%as


20/3720

3 "+9 6+9 290 4F8 +F0 0840F&0.9083+

F2

4 "3"0 +9 40 3"8+ FF00 428+&08+32803

++8

"2 6"28 40 3" F"9 084&08+3+8F0

6+8

6 "2 9 40 3" F"00 44&08+33800

+0

;s custos dos !ateriais fora! obtidos usando a !(dia dos valores encontrados na base

de dados do /, du'ac@ B20"4C8 $onderados $or u! fator de atuali1ação.

ste fator foi esti!ado co! base na evolução dos $reços dos !ateriais de base das lias

usadas.

Assi!8 $ara as lias de n=quel usou)se a evolução do $reço do n=quel8 re$resentada no

ráfico da fiura "68 onde se esti!ou u! fator de redução de 08+.

'ara as lias de aço analisou)se a evolução do $reço das lias de aço)!anan>s

B$rinci$al ele!ento nas lias e! estudoC8 re$resentada no ráfico da fiura "+8 esti!ando)se

u! fator de redução de 089.

Figura 16- =volu$o do pre$o do >:uel nos ?ltimos " anos




21/372"

Figura 1(- =volu$o do pre$o de a$o com mangan@s nos ?ltimos " anos

:ota5

; ráfico da fiura "+ a$esar de di1er que se refere ao $reço do !anan>s refere)se8

seundo a fonte de infor!ação8 a aços co! !anan>s. ,endo retirado de u!a secção referente

a aços8 onde e&istia! outros $or e&e!$lo co! Ganádio ou /r

vários ele!entos.




22/3722

Proe2o do #oonen2e

:esta fase ( aora $oss=vel deter!inar o di%!etro do ara!e da !ola8 $ara cada u! dos

!ateriais e verificar se e&iste! $roble!as de fal*a $or ced>ncia $lástica ou $or fadia.

'ara definir o di%!etro do ara!e8 ( necessário atribuir u! valor ? defor!ação de $r()

tensão. Assi!8 va!os atribuir u! valor !(dio e realista8 verificar os resultados e decidir se (

!antido ou não.

-a1endo8 então8 $r()tensãou 4!!

8 a defor!ação !á&i!a fica ta!b(! definida e ( dada

$or5

!a& $r()tensão válvulas 4S26u u !!S u B9C

; di%!etro !=ni!o do ara!e ( deter!inado resolvendo a e&$ressão B4C e! orde! ao

di%!etro5

3 3

44

64W-WR Wn 64W-WR Wnu d B"0C

Wd Wu⇔

;nde - ( substitu=do $elo valor da força !=ni!a de $r()tensão e u ( substitu=do $elo

valor de $r()tensãou

.

:o caso do !aterial B"C8 se fi1er!os esta substituição te!os5

3

43

64W200W"2 Wd 4.3"!!

F0W"0 W4

,endo este o valor !=ni!o do di%!etro que arante a força de $r()tensão8 deve)se

arredondar o valor do di%!etro ? d(ci!a de !il=!etro su$erior.d4.4!!⇒

Assi!8 a força !á&i!a e !=ni!a calculadas a $artir do di%!etro #á corriido serão

dadas8 res$ectiva!ente8 $or5




23/3723

4

total!a& 3

4

$r()tensão

!in 3

Wd Wu- B""C

64WR Wn

Wd Wu- B"2C

64WR Wn

'ara o !es!o !aterial8 te!os5

3 4

!a& 3

3 4

!in 3

F0W"0 W4.4 W6- 32.36:

64W"2 W

F0W"0 W4 W6- 2"6.90:

64W"2 W

'ara calcular a tensão !á&i!a e !=ni!a su$ortada $ela !ola8 resolve)se a equação B2C

e! orde! ? tensão5

3

f 3

[Wd WZ -W32WR - Z B"4C

32WR[Wd⇒

/o!o tal8 $ara a tensão !á&i!a e !=ni!a te!)se8 res$ectiva!ente8 as e&$resses B"C e

B"6C5!a&

!a& 3

- W32WR Z B"C

[Wd

!in!in 3

- W32WR Z B"6C

[Wd

:ova!ente a t=tulo de e&e!$lo8 $ara o !aterial B"C5

!a& 3

32.36W32W"2Z 466.FM'a

[W4.4

!in 3

2"6.90W32W"2Z 3"".24M'a

[W4.4

'ara fa1er a verificação ? fadia8 te! de se ter e! conta a a!$litude de tensão dos

ciclos8 dada $or5




24/3724

!a& !ina!$

Z )ZZ B"+C

2

:o !aterial "8 a a!$litude dos ciclos (8 então5

a!$

466.F)3"".24Z ++.F"M'a

2

Re$etindo todo o $rocesso $ara os restantes !ateriais8 obt>!)se os seuintes resultados8

resu!idos na tabela .

; volu!e de !aterial foi obtido co! recurso a u! $rora!a de desen*o 3D BInventorC

onde se desen*ou o co!$onente e se retirou o seu volu!e B-iura "FC

&a'ela "- #iâmetroA For$as e &ens%es para cada material

Material

Dmin (mm)

Dcorr (mm)

Fmax (N)

Fmin (N)

σmax (MPa)

σmin (MPa)

σamp (MPa)

Volume(m3)

1 4.31 4.4 3!.3"

1".#$

4"".%! 311.4 &&.%1 !.4$!e'"

4.3$ 4.3 3$$.4%

$$.3

4"1.#! 3$&.#" &".## !.1"!e'"

3 4.# 4.3 3$4.1# $. 4"&."! 311.&& &&.#4 !.1"!e'"

4 4.34 4.4 31!.1#

1$.13

4!.& 3$1.!1 &!.3& !.4$!e'"

! 4.!$ 4.! 3$$.34

$$.3

4$.%" !%.!& "&.14 !."4#e'"

" 4.4" 4.! 311.4"

$&."4

41&.&% &%.! "#."3 !."4#e'"




25/372

Figura 1.- Mola o'tida no 5nventor )dC"mm

A$ncia de fal*a $or ced>ncia $lástica ou

$or fadia $ara nen*u! dos !ateriais.




26/3726

Se%e34o do Pro#esso de Fa!ri#o

Etapas do processo

As !olas $ara válvulas de !otores de co!bustão são obtidas $or u!a s(rie de

$rocessos e! cadeia.

:u! $ri!eiro $rocesso ( dada a for!a final ao ara!e. ste $rocesso deve ser u!

$rocesso cont=nuo8 co!$at=vel co! o di%!etro $retendido e ao !es!o te!$o arantir que o

valor do di%!etro está dentro de u! intervalo de toler%ncia a$ertado.

; seundo $rocesso consiste e! enrolar o ara!e na for!a *elicoidal co! o raio

$retendido e cortá)lo de for!a a obter o co!$ri!ento estabelecido $ara a !ola.

&iste ainda u!a fase final que consiste e! dois $rocessos de acaba!ento. 7! consiste

e! desbastar as e&tre!idades da !ola8 $ara que esta $ossa encostar !el*or quando for

!ontada. ; outro $rocesso trata)se de u! trata!ento co! vista a arantir u!a !el*or

qualidade do $roduto final que8 quando i!$le!entado8 $rocura introdu1ir tenses residuais de

co!$ressão na su$erf=cie !el*orando as $ro$riedades !ec%nicas da !ola.

eleção dos processos

; $rocesso !ais i!$ortante será8 talve18 o $ri!eiro. ste ( que $er!ite obter a secção

circular do ara!e8 co! as di!enses e $recisão necessárias.

'ara encontrar o $rocesso !ais adequado recorreu)se ao $rora!a /, du'ac@

introdu1indo os seuintes li!ites5

• -or!a ` /ircular • a!a de es$essura da secção ` 3 a 6!!• Holer%ncia !á&i!a ` 0.0!! B/o!o se está a e&iir secçes co! u!a $recisão do

di%!etro at( ? d(ci!a de !il=!etro8 considerou)se este valor $ara a toler%ncia!á&i!aC

• ; $rocesso deve ser cont=nuo

Ale! disso verificou)se a co!$atibilidade co! cada u! dos !ateriais. ; nico

$rocesso que cu!$re todas estas i!$osiçes ( o de estirae! de fio.

; $rocesso envolvido na seunda eta$a ( u! $rocesso quase e&clusivo $ara o fabrico de

!olas e fa1 uso de u!a !áquina que enrola o ara!e anterior!ente estirado8 dando)l*e a

for!a $retendida8 e corta)o co! as di!enses estabelecidas.




27/372+

;s lti!os dois $rocessos não são obriat


28/372F

C$s2os Pro#esso de Fa!ri#o

Estimativa dos custos dos processos

/o!o todo o $rocesso de fabrico ( id>ntico $ara qualquer u! dos !ateriais8 a nica

variável diferente ( o custo do !aterial. Ainda assi!8 não sendo necessária !uita $recisão8 vai

ser esti!ado o custo total de $rodução. ste $ode ser dado $ela e&$ressão B"FC5

t c!o*.

Jo

/ /!W/ "/ S S W S/ B"FC

")f n UWtn

÷

∑ ∑

;nde5/! ` custo $or @ de !aterial

/t ` custo das ferra!entas utili1adas

/c ` custo de ca$ital

/o* ` custos over*ead

U ` fator de cara

tJo ` te!$o de de$reciação

f ` fração $erdida de !aterial

! ` !assa de u!a unidade

n ` nO de $eças $rodu1idas

.

n ` ta&a de $rodução

Aluns dos $ar%!etros anteriores #á estão definidos8 co!o ( o caso do custo do !aterial

$ara cada u! dos !ateriais. ;utros8 a$


29/3729

; $rocesso $rinci$al não te! !uitas $erdas. A fração $erdida deve)se sobretudo ?

retificação final das e&tre!idades da !ola e a des$erd=cios de sobrasY$ontas a$ncia !ec%nica relativa!ente elevada e o

di%!etro ainda ( considerável8 esti!á!os u! investi!ento de 400 000 .

'ara o enrola!ento e corte de !olas8 os $reços dos equi$a!entos encontrados Bfiura2"C $ode! ir desde os 000 a 00 000 euros8 de$endendo do di%!etro do ara!e a dobrar e do

rau de auto!atis!o. Hendo e! conta a nossa a$licação e di%!etros fi&ou)se e! "60 000.

; equi$a!ento $ara o trata!ento de ranal*ae! Bfiura 23C varia! desde aluns

!il*ares a alu!as centenas de !il*ares de euros. /o!o os co!$onentes são relativa!ente

$equenos8 considera!os 20 000

As !áquinas de retificação Bfiura 22C ta!b(! $ode! c*ear a valores !uito elevados8

es$ecial!ente se fore! !uito auto!ati1adas e $rora!áveis. &iste! inclusive !áquinas

es$ec=ficas $ara !olas. /onsiderou)se u! investi!ento nu!a !áquina #á co! alu! rau de




30/3730

auto!ação e $rora!ável de for!a a !anter u!a ta&a de $rodução elevada8 corres$ondente a

40 000

Figura 20- =/emplo máuina de estiragem )para arame de a$o

Figura 21- Máuina de enrolamento e corte das molas



Figura 22- Máuina para retifica$o de molas


31/373"

Figura 23- Máuina para o tratamento de DShot peeningD )adeuada para molas de válvulasA em'raiagemA etc

Antes de $rosseuir8 ( necessário calcular a !assa $ara cada u! dos !ateriais B$ela

e&$ressão "9C e8 inde$endente!ente dos !ateriais8 o co!$ri!ento do ara!e e! cada !ola

B$ela equação 20C8 $ois a ta&a de $rodução $ara a estirae! ( dada e! !etros.

Hodos estes valores estão resu!idos na tabela 6.

!GWb B"9C

2

G/o!$ri!ento do ara!e B20C

d

[ 2

÷

&a'ela 6- MassaA omprimento e usto do material

Material Massa da !ola B@C /o!$ri!ento do

ara!e $or !ola B!C

/! BY@C!

!W/

")f

BC" 080424

083

08"6&0890846

08023

2 08040 08393&089083 080"+3 08040 0840F&0.9

083+080"F

4 0804+6 428+&08+32803

"8+94

080463 084&08+3+8F0

2809

6 08046 44&08+33800

"8++0

,e considerar!os a$enas o $ri!eiro $rocesso Bestirae! do ara!eC8 utili1ando o

$rora!a /, du'ac@ B20"4C8 ( $oss=vel obter i!ediata!ente u!a esti!ativa dos custos.




32/3732

A$resentada8 $ara o !aterial "8 no ráfico da fiura 248 e onde se $ode verificar que

$ara o nosso nO de $eças o custo no final deste "O $rocesso seria de a$ro&i!ada!ente 0."0.

:o entanto8 o $rora!a não nos $er!ite obter tão facil!ente os custos de fabrico dos

outros $rocessos.

Assi! os valores indicados anterior!ente $ara os custos relacionados co! os $rocessosfora! esti!ados co! base e! aluns $reços de equi$a!entos encontrados online e $or

co!$aração8 $odendo ter erros sinificativos face ? realidade B!as que não interfere! co! a

escol*a do !aterialC.

Figura 2- ustos do processo de estiragem )=S =du9acE 201

!álculo do custo fnal do produto"

E8 aora8 $oss=vel esti!ar o custo lobal do $roduto final substituindo todos os valores

na equação B"FC.

'ara o !aterial " te!os5

0.0424W0.46 0000 " 620000/ S S W S200 0.+00

")0." 2000000 30 0.WW36W24

÷

∑

;s custos lobais de fabrico $ara cada u! dos !ateriais estão resu!idos na tabela +.




33/3733

&a'ela (- usto final de produ$o do componente para cada um dos materiais

Material /usto final de fabrico do co!$onente BC" 0.+002 0.694

3 0.694 2.4+" 2.+366 2.44F

Ma2ries de se%e34o

stando aora reunidas todas as condiçes $ara tal8 $ode)se $assar ? avaliação dos

diversos !ateriais $r()selecionados8 relativa!ente aos requisitos $retendidos8 construindo as

!atri1es de seleção./o!eçando $elas $ro$riedades dos !ateriais8 rande $arte das que ire!os $recisar #á

fora! a$resentadas na tabela 4. Al(! disso ? que #untar os valores corres$ondentes ? força

!á&i!a e ao custo total $or unidade de !ola $rodu1ida $ara cada u! dos !ateriais. Assi!

sento8 a tabela F está orani1ada de for!a a ter todos os dados necessários $ara se avançar na

seleção do !aterial.

&a'ela .- 9ropriedades ou parâmetros relacionadas com os reuisitos

Material -!a& B:C Zf BM'aC H B⁰/C BY!.⁰/C / BYunidC" 32.36 666 290 4 0.+002 300.4F 6948 290 448 0.6943 304."9 6+9 290 4F8 0.694 3"."9 +9 40 3"8+ 2.4+" 300.34 6"28 40 3" 2.+366 3"".46 9 40 3" 2.44F

-a1endo aora a $onderação das $ro$riedades5 $ara cada $ro$riedade8 consoante se

$retenda que o seu valor se#a !ais ou !enos elevado8 será atribu=do o valor K"L $ara a que

a$resente o valor !ais adequado8 e as restantes serão avaliadas e! relação a essa8 confor!e

está ilustrado na tabela 98 e! que a seta sinifica que se $retende o valor !ais alto $ara a

$ro$riedade e! questão8 e sinifica que se $retende o valor !ais bai&o.




34/3734

&a'ela - +anEing dos materiais

Material -!a& Zf H / "

32

32.36

.36"

60

66

+98F3F

20

90

4083+

40

4F8892F

0.694

0.+000899"

2 300.4F

32.3608924

6948

+908F+4

20

90

4083+

448

4F8089"F

0.6

0.694

94"

3 304."9

32.360893

60

+9

+98F4

20

90

4083+

4F

4F8

8"

0.694

0.6908999

4 3"."9

32.3608969

+9

+9"

40

40"

3"8+

4F8086

0.694

2.4+"082F"

300.34

32.36

089236"28

+908++0

40

40"

30

"

4F88639

0.694

2.+36

0824

6 3"".46

32.36089+

0

9

+98+4F

40

40"

30

"

4F88639

0.694

2.44F082F3

'osto isto8 e antes de se $roceder ? !atri1 final8 te! que ser calculada a i!$ort%ncia

relativa dos requisitos8 de !odo a que as $ro$riedades ten*a! o $eso res$etivo na seleção do

!aterial !ais adequado. Assi!8 a tabela "0 tradu1 a i!$ort%ncia relativa de cada u! dos

requisitos.

&a'ela 10- +anEing dos reuisitos

"Y2 "Y3 "Y4 "Y I!$ t BC-!a&

0

628

+"84

3

+"84

3

" 082

9Zf

0

" 082

9H 3+8

08

6

08"

F 2F8

+

08

4

08"

2/ 2F8

+

08

4

08"

2H;HAU 38

4

"

/o! isto8 $ode!os $roceder ? deter!inação do !el*or !aterial $ara esta a$licação8atrav(s da !atri1 final de seleção final8 a$resentada na tabela ""5




35/373

&a'ela 11- Matri< final de sele$o

-!a& B:C Zf BM'aC H B⁰/C BY!.⁰/C / BYunidC H;HAUt BCg 0829 0829 08"F 08"2 08"2Material" " 08F3F 083+ 0892F 0899" 08F6

08290 08243 0809+ 08""" 08""92 08924 08F+4 083+ 089"F " 08F4F

0826F 0823 0809+ 08""0 08"203 0893 08F4 083+ " 08999 08F6

082+" 0824F 0809+ 08"20 08"204 $#"# 1 1 $"!!

$%1#$%&'

082F" 08290 08"F0 080+9 08034 $#3 $&&$ 1 $"3# $!4 $&&%

0826F 08223 08"F0 080++ 080306 $#!& $&4% 1 $"3# $%3 $&%"

082+F 082"+ 08"F0 080++ 08034

Atrav(s da !atri1 final de selecção8 deter!inou)se que o !aterial !ais adequado $ara a

nossa a$licação ( o KNi#e%"!er:%%i$ a%%o:; A%%o: ==.; ?ardJ. ,endo que as lias de aço

corres$ondentes a KUoJ allo\ steel8 AI,I 0608 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edL8 e KUoJ

allo\ steel8 AI,I 928 te!$ered at 3"]/ ^ oil quenc*edL tivera! resultados !uito

$ro&i!os.




36/3736

Con#%$s4o

:a !aioria das a$licaçes e&iste se!$re !ais de u! !aterial que $ode ser usado. 'ara

escol*er os !el*ores ( se!$re necessário ter e! conta aquilo que se $retende e as solicitaçes

a que o $roduto estará su#eito.

; !aterial selecionado vai de$ender forte!ente do que o $ro#etista Be outros

intervenientes no desenvolvi!ento do $rodutoC considerare! !ais i!$ortante8 sendo que o

$eso relativo a atribuir a cada u! dos requisitos e o ob#etivo considerado !ais i!$ortante vão

influenciar forte!ente o !aterial obtido no fi! do $rocesso de seleção. Hal fato leva a que

se#a $oss=vel obter !ateriais substancial!ente diferentes $ara o !es!o $roduto final.

:este caso de estudo $ode confir!ar)se essa forte de$end>ncia. Assi! ao definir)se

co!o a$licação u! auto!


37/37

Fon2es

(iblio)rafa

• Micael F. *+,- Material+ election in Mecanical De+i/n (3rd edition)

0utterort'2einemann ($$!)• Materiai+ de apoio + aula+ Profe++or *l,ano *. . 5. De ar6alo e Profe++or

Micael F. *+,-• 7om Monroe 8n/ine 0uilder9+ 2and,oo: 2P0oo:+ (1##")

*eb)rafa

• Materiai+ an;li+e de mercado propriedade+ mece+ rele6ante+?o ttp?@@.en/ineer+ed/e.com@o ttp?@@+prin/ipedia.com@o ttp?@@.performance+prin/+.co.u:@o ttp?@@racin/pea:+.com@o ttp?@@ener/-.poer.,m+tu.ru@o ttp?@@.tec.pl-mout.ac.u:@o ttp?@@.practicalmacini+t.como ttp?@@+car,+f1.como ttp?@@.madeo.com

•

on+ulta de pre=o+ (Altima con+ulta efetuada no dia $'$1'$1")?o Materiai+

ttp?@@.infomine.com@in6e+tment@metal'price+@

o 8Buipamento+ de fa,ricoo ttp?@@.ali,a,a.com@C

+pma&$$.&&4%3%.a&%m.3#.8E+rlo ttp?@@.made'in'cina.com@o ttp?@@.fortunafedern.com@[email protected]@en@ma+cinen@co

m'cnco ttp?@@.pan/,orn/roup.com@Product+@ot'Peenin/@prin/'

ot'Peenin/.a+px
http://www.engineersedge.com/http://springipedia.com/http://www.performancesprings.co.uk/http://racingpeaks.com/http://energy.power.bmstu.ru/http://www.tech.plymouth.ac.uk/http://www.practicalmachinist.com/http://scarbsf1.com/http://www.madehow.com/http://www.infomine.com/investment/metal-prices/http://www.alibaba.com/?spm=a2700.7724838.a2728m.39.EXsrlQhttp://www.alibaba.com/?spm=a2700.7724838.a2728m.39.EXsrlQhttp://www.made-in-china.com/http://www.fortunafedern.com/cms/index.php/en/maschinen/com-cnchttp://www.fortunafedern.com/cms/index.php/en/maschinen/com-cnchttp://www.pangborngroup.com/Products/Shot-Peening/Spring-Shot-Peening.aspxhttp://www.pangborngroup.com/Products/Shot-Peening/Spring-Shot-Peening.aspxhttp://www.engineersedge.com/http://springipedia.com/http://www.performancesprings.co.uk/http://racingpeaks.com/http://energy.power.bmstu.ru/http://www.tech.plymouth.ac.uk/http://www.practicalmachinist.com/http://scarbsf1.com/http://www.madehow.com/http://www.infomine.com/investment/metal-prices/http://www.alibaba.com/?spm=a2700.7724838.a2728m.39.EXsrlQhttp://www.alibaba.com/?spm=a2700.7724838.a2728m.39.EXsrlQhttp://www.made-in-china.com/http://www.fortunafedern.com/cms/index.php/en/maschinen/com-cnchttp://www.fortunafedern.com/cms/index.php/en/maschinen/com-cnchttp://www.pangborngroup.com/Products/Shot-Peening/Spring-Shot-Peening.aspxhttp://www.pangborngroup.com/Products/Shot-Peening/Spring-Shot-Peening.aspx

Selecção do melhor material para as molas de um motor de combustão interna

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