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UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA - UNOESC CAMPUS DE JOAÇABA ÁREA DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA - ACET CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ESTUDO DE CASO MOLA

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UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA - UNOESCCAMPUS DE JOAÇABA

ÁREA DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA - ACETCURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO

ESTUDO DE CASO MOLA

JOAÇABA - SC

2013

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FERNANDA BREYER

LIANDRA APARECIDA BESEN

ESTUDO DE CASO MOLA

Trabalho Acadêmico apresentado à disciplina de Materiais de Construção Mecânica do Curso de Engenharia de Produção da Universidade do Oeste de Santa Catarina.

Profº: Sérgio Luiz Marquezi

JOAÇABA - SC2013

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RESUMO

Neste trabalho será feita uma abordagem completa sobre as molas, seu funcionamento, possíveis, materiais, funções, e a partir disso, selecionar o material mais adequado para a suspensão de um veiculo automotivo. O funcionamento de diversos equipamentos motorizados gera vibrações que se transmitem por todo corpo do conjunto em operação. Tais vibrações podem acarretar em danos prejudiciais ao funcionamento do equipamento. Para minimizar a propagação destas, utiliza-se de um sistema absorvedor de energia composto por molas. As molas são importantes elementos de máquinas, o que exige muita responsabilidade tanto na escolha do material a ser fabricada ou na sua aplicação. Pode-se definir mola como sendo um único elemento ou uma associação de elementos capaz de assumir notáveis deformações elásticas quando submetida a forças ou momentos, em condições de armazenar energia potencial elástica. Sem as molas que permitem a movimentação controlada do sistema, o desconforto seria muito grande, principalmente em pisos irregulares. Isso sem falar na vida útil do veículo, que diminuiria muito com os fortes impactos sofridos. Com os impactos transferidos para o veículo, há sofrimentos tanto do usuário como para o automóvel. No automóvel podem vir a causar trincas na sua estrutura, que praticamente comprometeria todo o veículo. Outro problema seria aqueles incômodos ruídos do painel do automóvel, que com a vibração e os impactos sofridos, aumentariam. A mola absorve os impactos sofridos pelas rodas e os amortecedores seguram a sua distensão brusca, evitando oscilações no veículo. Nos veículos leves, a maioria das suspensões utiliza a mola helicoidal, que é formada por uma barra de aço enrolado em forma de espiral. Existem também outros tipos de molas, como as barras de torção, e as semi-elípticas. O tipo da mola é definida de acordo com a necessidade de cada processo.

Palavras-chave: Molas. Componente Mecânico. Seleção de Material.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: Alguns tipos de molas mais usuais

Figura 2: Molas de Compressão

Figura 3: Molas de tração

Figura 4: Molas de torção

Figura 5: molas fita/espiral

Figura 6: Molas para retentor

Figura 7: Grampos

Figura 8: Mola Helicoidal de espiras

Figura 9: Mola semi-eliptica

Figura 10: sequencia de processamento térmico do aço 5160 para mola

Figura 11: temperatura de revenido de um aço para mola

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Composição e propriedades de aços-carbono para molas helicoidais

Tabela 2: Tipos de aços e correspondentes propriedades mecânicas para molas helicoidais enroladas a frio.

Tabela 3: Métodos de fabricação, principais aplicações e propriedades especiais de molas de aço em fios enroladas a frio

Tabela 4: Métodos de fabricação, principais aplicações e propriedades de molas de aço em tiras conformadas a frio.

Tabela 5: Tipos de aços para molas helicoidais enroladas a quente.

Tabela 6: Aços e fios empregados na fabricação de molas conformadas a frio

Tabela 7: Aços para tiras empregados na fabricação de molas conformadas a frio

Tabela 8: Fios de aço recomendados pela ASTM para molas helicoidais enroladas a frio.

Tabela 9: Composições e propriedades de aços-liga para molas

Tabela 10 :Especificações típicas de ligas usuais para molas

Tabela 11: Tabela de propriedades de aços para molas com valores de Módulo de Young (E), Módulo de elasticidade transversal (G) e Limite elástico.

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SUMÁRIO

1. Introdução................................................................................................

2. Objetivos...................................................................................................

2.1. objetivos gerais................................................................................

2.2. objetivos específicos........................................................................

3. Fundamentação teórica.......................................................................

3.1. Critérios para seleção de Material.................................................

3.2. Molas......................................................................................................

3.3. Tipos de Molas.......................................................................................

3.3.1. Mola de Compressão....................................................................

3.3.2. Mola de Tração.............................................................................

3.3.3. Mola de Torção...........................................................................

3.3.4. Mola Fita/espiral....................................................................

3.3.5. Mola para Retentor....................................................................

3.3.6. Grampos.........................................................................................

3.3.7. Molas Elicoidais de Compressão............................................

3.3.8. Molas Semi-elipticas........................................................................

3.4. Processo de fabricação............................................................................

3.5. Aços para Molas...................................................................................

3.6. Propriedades dos materiais para molas..............................................

3.7. Aços alternativos para molas.....................................................................

4. Resultados e discussões ..............................................................................34

5. Conclusão......................................................................................................35

6. Referencias bibliográficas..............................................................................36

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1. INTRODUÇÃO

A vasta quantidade de materiais atualmente existente, torna o conhecimento desses materiais cada vez mais importante para o engenheiro, em qualquer que seja a sua área de atuação. O conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais, por exemplo, proporciona a escolha de fatores de segurança adequados, que irão influir de maneira decisiva na parte econômica de um projeto.

O conhecimento dos materiais, auxilia na sua correta seleção para os diversos usos e na determinação das suas propriedades e qualidades tecnológicas.

O seguinte trabalho tem por objetivo esclarecer as variáveis que caracterizam uma mola, bem como citar as principais aplicações, explicar seu funcionamento e a mostrar os mais importantes tipos de formatos de molas. A mola sempre exerceu um importante papel no desenvolvimento de equipamentos que sofrem força.A mola esta presente desde de uma simples caneta, até em naves aeroespaciais, existe uma diversificada gama de formatos e composição.

Por definição mola é um objeto e com que se dá impulso ou resistência a qualquer peça, para imprimir movimentos, amortecer embates, prender um objeto, destinada a reagir, depois de haver sido dobrada, vergada, distendida ou comprimida, a partir desta definição podemos notar a importância de tal peça para a sociedade.

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2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo geral

O objetivo geral é selecionar o material adequado para o componente mecânico escolhido, mais propriamente dito, da mola.

2.2. Objetivos específicos

Após varias análises referente às funções mecânicas, tensões, esforços aplicados sobre uma mola, fazer uma triagem dos materiais possíveis, e então identificar qual será o material adequado para essa finalidade.

Tomar mais contato com a aplicação dos conhecimentos adquiridos durante as aulas.

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3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

3.1 Critérios Para Seleção de um Material

Os procedimentos de seleção de materiais obedecem a múltiplos critérios, que tomados individualmente proporcionam alternativas de escolha bastante simples e lineares, mas que na prática concorrem quase sempre a situações em que um conjunto de critérios conflitantes deve ser satisfeito simultaneamente. Portanto, surge a necessidade de procedimentos de interação e otimização que, no final, fazem com que a filosofia do compromisso exerça papel relevante.

Seja na fabricação de uma peça ou na sua utilização como componente de um sistema mecânico, os requisitos de desempenho dessa peça são estabelecidos de maneira a compatibilizar a função que ela terá com as possibilidades de sua fabricação a partir de materiais existentes.

O menor custo de fabricação para uma dada qualidade industrial especificada deve ser o objetivo a ser perseguido na seleção de um material, quando se tem uma série de processos de fabricação e diversos materiais disponíveis.

A seleção mais conveniente dos materiais que constituirão as peças depende fundamentalmente da análise dos fatores que influenciam o projeto do produto (a concepção da peça) e o projeto do processo de fabricação desse produto. O dimensionamento do produto condiciona a indicação dos materiais constituintes, que por sua vez condiciona aquele, num processo iterativo de obtenção de um projeto ótimo para o produto e para o processo de fabricação. Exemplos:

- Determinados materiais são mais resistentes, contudo são mais difíceis de serem processados (as dimensões da peça afetam a seleção do material constituinte e o seu processo de fabricação);

- Alguns processos somente permitem obter peças de pequenas dimensões ou tem limitações quanto às tolerâncias dimensionais.

A quantidade de peças a serem fabricadas é outro fator que afeta o projeto do processo de fabricação, pois determinados processos só se aplicam, economicamente, para quantidades mínimas de fabricação.

A análise de valores de custo conduz à busca do projeto de produto e do processo de fabricação que melhor atende os requisitos funcionais e as condições de menor custo de fabricação.

Segundo FERRANTE (2002), dos diversos critérios de seleção de materiais, os mais representativos são:

Considerações dimensionais Considerações de forma Considerações de peso Disponibilidade do material

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Custo Resistência ao desgaste Grau de normalização Tipo de carregamento Existência de especificações e códigos Viabilidade de reciclagem Valor da sucata

FREIRE (1983) faz um resumo do que ele considera como sendo os principais fatores que influenciam a seleção de um material industrial, a saber:1- Condições de trabalho: Este fator compreende as solicitações mecânicas e o local de trabalho do material. Exemplos: Uma peça que será submetida a esforço de tração, deve ser constituída de material resistente a esse esforço. Uma bomba que transportará ácido sulfúrico deve ser constituída de material que não seja atacado por esse ácido.2- Disponibilidade do material: O material a ser selecionado deve ser disponível em quantidade necessária e quando desejado (no caso de reposição de peças). Por esse motivo, é aconselhável o uso de catálogos de fabricantes na seleção do material.3- Custos: Este fator engloba tanto o custo do material bruto, como o do processo de fabricação que será utilizado na confecção do produto.4- Aparência: É importante somente quando o produto fabricado ficará exposto ao público, pois nesse caso deverá ter um aspecto agradável (material de acabamento de eletrodomésticos, tampas de panela etc.). Quando o produto ficar escondido, o aspecto deixa de ter importância, como no caso dos tirantes de sustentação de forro.5- Adaptabilidade para os processos de fabricação: Se no local da produção existe um processo de fabricação, deve-se selecionar para a constituição do produto um material que se preste ao processo já instalado. Por exemplo: se no local já existe uma fundição, deve-se optar por um material que tenha características que possibilitem a sua utilização naquele processo, evitando-se assim, o aumento do custo final do produto devido à instalação de um novo processo de fabricação.6- Forma da peça: A forma da peça, em certos casos, condiciona o processo de fabricação, influindo assim, indiretamente na escolha do material. Por exemplo: uma peça complexa, com furos e protuberâncias, deve ser fabricada a partir de um processo de fundição; já uma peça de forma simétrica pode ser confeccionada por usinagem; portanto, opta-se por um material que se adapte a tais processos.

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3.2 MOLAS

Uma mola é um objeto elástico flexível usado para armazenar a energia mecânica . As molas são feitas geralmente de aço endurecido.

Trata-se de um elemento único ou uma associação de elementos (sistema) capaz de assumir notáveis deformações elásticas sob a ação de forças ou momentos, e, portanto, em condições de armazenar uma grande quantidade de energia potencial elástica. Os elementos característicos das molas são a flecha, a rigidez e a flexibilidade.

Flecha é a deformação sofrida pela mola sob a ação de uma determinada força, medida na direção da própria força. Tal conceito pode estender-se também a um elemento elástico sujeito a um binário, neste caso a força é substituída por um momento aplicado e a deformação retilínea pelo deslocamento angular.

Rigidez Propriedade de um material, de sofrer tensões sem se deformar permanentemente. Sob tensão crescente, o material irá se deformar de forma elástica até o ponto em que se deforma permanentemente seja de forma rúptil, seja de forma dúctil o que depende das propriedades reológicas do material e também das condições termodinâmicas e do tempo em que a tensão é aplicada.

Flexibilidade é a capacidade de um determinado material se tornar flexível, que se pode dobrar, curvar, etc.

Figura 1: Alguns tipos de molas mais usuais

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3.3.Tipos de Molas

3.3.1. Molas de Compressão

As molas de compressão são molas que tem a característica na sua configuração cilíndrica, paralela, cônica bicônica e outros (com ou sem retifica nas extremidades) quando exercida a força de compressão os espaços entre as espiras diminui tornando-as menor em seu comprimento na qual ela aplicará a sua função de força. As Molas de compressão podem ser confeccionadas nas seguintes matérias-primas: Aço Mola inox, aço Mola 1070, aço Mola 1090 entre outros aços para Molas dependendo da sua aplicação.

Figura 2: Molas de Compressão

3.3.2. Molas de Tração

As Molas de Tração são Molas que é basicamente na forma cilíndrica ou cônica possui ganchos nas extremidades, também conhecido como olhal nas normas inglesa ou alemã que são as mais usadas para desempenhar a sua função ela é esticada aumentando o seu comprimento caracterizando o trabalho de tracionamento. As molas de tração podem ser confeccionadas nas seguintes matérias-primas: Aço Mola inox, aço Mola 1070, aço Mola 1090 entre outros aço para Molas dependendo da sua aplicação.

Figura 3: Molas de tração

3.3.3. Molas de Torção

As Molas de Torção tem seu formato normalmente cilíndrico suas espiras coladas na maioria das vezes e nas suas extremidades é constituída

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uma haste com diferentes medidas no seu comprimento estas hastes podem ser simples ou com acabamentos pré determinados.  As molas de torção podem ser confeccionadas nas seguintes matérias-primas: Aço Mola inox, aço Mola 1070, aço Mola 1090 entre outros aço para Molas dependendo da sua aplicação.

Figura 4: Molas de torção

3.3.4. Mola fita/espiral

Sua fabricação tanto pode ser de forma artesanal ou em máquinas automáticas e semi-automáticas. Em fitas de Aço Carbono e Aço Inox ou perfil chato de 0,10 até 4,00 milímetros de espessura e largura de 5,00 até 100,00 milímetros. Muito utilizadas em fechaduras, mecanismos de acionamentoautomático, portas, ferramentas elétricas, furadeiras industriais, fresas, em cintos de segurança para veículos.

Figura 5: molas fita/espiral

3.3.5. Molas para retentor

Sua fabricação tanto pode ser de forma artesanal, em máquinas automáticas ou semi-automáticas. Em aço carbono e inoxidável na espessura de 0,10 a 2,00 milímetros, seu comprimentos varia conforme o diâmetro do retentor. Utilizados para vedação de eixos rotativos, especialmente na construção de maquinas e aparelhos bem como na indústria automobilística Os produtos a serem vedados podem ser pastosos, líquidos ou em forma de gás. Na maioria das vezes trata-se da vedação de óleos e graxas de lubrificação.

. Figura 6: Molas para retentor

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3.3.6. Grampos

Sua fabricação tanto pode ser de forma artesanal, em máquinas automáticas ou semi-automáticas. Em aço carbono e inoxidável na espessura de 0,10 a 2,00 milímetros, seu comprimentos varia conforme o diâmetro do retentor. Utilizados para vedação de eixos rotativos, especialmente na construção de maquinas e aparelhos bem como na indústria automobilística. Os produtos aserem vedados podem ser pastosos, líquidos ou em forma de gás. Na maioria das vezes trata-se da vedação de óleos e graxas de lubrificação.

Figura 7: Grampos

3.3.7. Molas helicoidais de compressão

Um tipo em particular de mola é a helicoidal, utilizada em na suspensão dianteira de veículos de pequeno porte, por esse motivo será abordada com mais profundidade neste trabalho. É produzida a partir do enrolamento a frio ou a quente de um fio ou barra em forma de espiras perfiladas. Este tipo de mola trabalha tanto com esforços de tração quanto de compressão (F) no sentido axial do eixo de formação das espiras.

Figura 8: Mola Helicoidal de espiras com aplicação de carga (F), o torque de cisalhamento em todo o fio (T), diâmetro nominal da mola (D), diâmetro do fio (d).

As molas helicoidais de pequena secção (diâmetro máximo de 1/2”) são geralmente obtidas enrolando-se a frio arames ou fios de aço, numa das três condições seguintes:

- temperada e revenida- trefilada a frio

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- patenteada e encruada (“fio de música” ou “corda de piano”)A Tabela 1 mostra as faixas de composição, propriedades mecânicas

aproximadas, assim como aplicações típicas desses aços para molas helicoidais, nas três condições acima mencionadas.

Condição do aço

Temperado em óleo e revenido em chumbo

Encruado Patenteado e encruado (corda de piano)

Carbono 0,60-0,70 0,45-0,75 0,75-1,00

Manganês 0,60-1,20 0,90-1,20 0,25-0,50

Fósforo 0,04 max. 0,045 max. 0,03 max.

Enxofre 0,04 max. 0,045 max. 0,035 max.

Silício 0,10-0,20 0,10-0,20 0,10-0,25

Limite de resistência à tração

108-210 kgf/mm2 (1060-2060 MPa)

105-210 kgf/mm2 (1030-2060 MPa)

175-280 kgf/mm2 (1720-2750 MPa)

Limite de elasticidade em tensão

84-175 kgf/mm2 (820-1720 MPa)

70-140 kgf/mm2 (690-1370 MPa)

105-210 kgf/mm2 (1030-2060 MPa)

Limite de torção 80-140 kgf/mm2 (780-1370 MPa)

84-154 kgf/mm2 (820-1520 MPa)

105-210 kgf/mm2 (1030-2060 MPa)

Limite de elasticidade em torção

70-84 kgf/mm2 (690-820 MPa)

77-98 kgf/mm2 (760-960 MPa)

91-140 kgf/mm2 (890-1370 MPa)

Alongamento 5-2% 3-2% Cerca de 8%

Módulo de elasticidade em tensão

20.300 kgf/mm2 (199 GPa)

20.300 kgf/mm2 (199 GPa)

21.000 kgf/mm2 (210 GPa)

Idem em torção 8.050 kgf/mm2 (80 GPa)

8.050 kgf/mm2 (80 GPa)

8.050 kgf/mm2 (80 GPa)

Dureza Rockwell C

40-50 40-48 42-46

Cargas de trabalho recomendadas:

Serviço leve 56 kgf/mm2 (510 MPa)

42 kgf/mm2 (410 MPa)

70 kgf/mm2 (690 MPa)

Serviço médio 45,5 kgf/mm2 (445 MPa)

35 kgf/mm2 (340 MPa)

59,5 kgf/mm2 (585 MPa)

Serviço pesado 38,5 kgf/mm2 (375 MPa)

28 kgf/mm2 (270 MPa)

52,5 kgf/mm2 (515 MPa)

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Aplicações usuais Empregos gerais onde a carga não é muito elevada e quando a mola não é sujeita a choques contínuos. Um dos tipos de molas mais importantes dentro desta classe é o de molas para válvulas

Tipo de menor preço; empregos em molas sujeitas a cargas constantes ou quando a repetição de esforços não é muito freqüente.

Um dos aços de melhor qualidade que se conhece; para pequenas molas helicoidais e de torção que devem obedecer a rigorosos requisitos físicos, sujeitas a cargas elevadas ou a cargas repentinamente aplicadas. Sobretudo em molas até 1/8” de dia.

Tabela 1: Composição e propriedades de aços-carbono para molas helicoidais

A Tabela 2 mostra os valores mínimos para limite de resistência à tração, correspondentes a diversos diâmetros, de aços para molas helicoidais enroladas a frio, recomendadas para condições mais severas de serviço.

Designação

C Mn

Si Cr V ou Ni

Valores mínimos para resistência à tração (kgf/mm2 – MPa) para diâmetros de:

0,81 mm(0,032”)

1,60 mm(0,063”)

3,43 mm(0,135”)

7,92 mm(0,312”)

Fio de mola trefilado duro

0,450,75

0,601,20

0,100,30

- - 185,5 (1825)

166,0 (1630)

144,0 (1410)

122,0 (1200)

Fio temperado e revenido

0,550,75

0,600,90

0,100,30

- - 192,5 (1885)

169,5 (1665)

147,0 (1440)

-

Fio de música

0,701,00

0,200,60

0,100,30

- - 229,0(2250)

205,0(2010)

180,5 (1775)

-

Fio para mola de

0,60

0,50

0,12

- - - - 143,5 (1405)

-

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válvula (aço-C)

0,70

0,80

0,30

Fio aço Cr-V

0,450,55

0,600,90

0,150,30

0,801,10

0,15 V min.

199,5(1995)

185,5(1825)

171,5(1685)

157,5 (1545)

Aço Si-Mn (SAE 9260)

0,550,65

0,701,00

1,802,20

- - - 185,5(1825)

175,0 (1720)

164,5 (1615)

Aço Cr-Si (SAE 9254)

0,500,60

0,500,80

1,201,60

0,500,80

- - 192,5 (1885)

178,5 (1755)

161,0 (1580)

Tabela 2 – Tipos de aços e correspondentes propriedades mecânicas para molas helicoidais enroladas a frio.

O tipo designado, “fio de mola trefilado duro” (encruado) é de custo mais baixo, de qualidade relativamente inferior e não apresenta a garantia de completa isenção de certas imperfeições superficiais. Esse fio, no estado trefilado duro e não revenido, é indicado geralmente em condições de esforços estáticos ou quando as tensões de serviço não forem muito severas.

O fio designado pela expressão “temperado e revenido” é idêntico ao “temperado em óleo e revenido em banho de chumbo” da Tabela 59; é um material para aplicações gerais, de custo ligeiramente superior ao primeiro e melhor igualmente no que se refere às qualidades da superfície e a resistência à fadiga.

O tipo “fio de música” (ou “corda de piano”) é considerado, dentre os aços-carbono, o de melhor qualidade para molas de pequenas dimensões. Apresenta superfície com acabamento excelente e é pouco afetado por revestimentos superficiais eletrolíticos; entretanto, essas molas não devem ser expostas a temperaturas superiores a 120 graus C, pois que sofrerão, já a 120 graus C, uma perda de carga da ordem de 5%, quando solicitada a 70 kgf/mm2 (690 MPa) aproximadamente e tal perda de carga aumenta rapidamente com a temperatura.

Esses três tipos de aços compreendem a maioria das aplicações de molas de pequenas dimensões. Na indústria automobilística americana, por exemplo, dentre os tipos de molas enroladas a frio, cerca de 35% são do tipo “fio temperado e revenido”, 35% do tipo “fio de música” e 25% do tipo “trefilado duro”.

O fio de aço-carbono designado “para mola de válvula” é o de menor custo dentre os tipos empregados em molas de válvulas, que se caracterizam pela qualidade excelente da superfície. O tipo Cr-V é, entretanto, superior ao

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anterior para serviços a temperaturas de 120 graus C ou acima. Já as molas de fio de aço Cr-Si podem ser usadas a temperaturas da ordem de 230 graus C. Os aços-liga, entre os quais os mais importantes para molas são os tipos Cr-V e Cr-Si, classes SAE 6150 e 9260 respectivamente, assim como o tipo Si-Mn, são recomendados sempre que se desejam molas para suportar tensões mais elevadas, principalmente a temperaturas superiores à ambiente, visto que apresentam melhores valores de limite de resistência à tração, de limite de elasticidade e limite de fadiga.

Os aços “fio de música”, “fio trefilado duro” e “temperado e revenido” devem ser aquecidos entre 175 e 400 graus C ou preferivelmente a 260 graus C durante cerca de meia hora, para alívio de tensões, logo após o enrolamento a frio.

No caso de molas helicoidais de grande secção e para serviço pesado, parte-se geralmente de barras de aço-carbono ou aço-liga no estado laminado a quente ou recozido, as quais são enroladas a quente na forma de molas. Em seguida, as molas são temperadas e revenidas, para obtenção das propriedades mecânicas desejadas.

A superfície das barras deve apresentar-se lisa e isenta de descarbonetação, pois do contrário será afetado o limite de fadiga da molda resultante. Para algumas aplicações, as barras são retificadas antes do enrolamento em molas.

Os tipos de aços mais comumente empregados para molas de grande secção e serviço pesado são de alto carbono (classe SAE 1085 ou 1095) ou de aço-liga. Na indústria ferroviária, por exemplo, o tipo SAE 1095 é usado quase que exclusivamente para suspensão de vagões de carga. Os aços-liga dos tipos SAE 5100, 8600 e 9200 predominam nas suspensões de carros de passageiros e locomotivas (159). Para aplicações industriais em geral e para maquinário usado em movimento de terra, empregam-se também de preferência aços-liga, sendo os tipos mais utilizados, na ordem da importância, 5100 (devido ao custo), 8600, 9200, 6100 e, recentemente, 4100 para barras com diâmetro superior a duas polegadas. A indústria automobilística emprega aços-liga, sendo as barras geralmente retificadas.

As cargas admissíveis para molas de compressão de grande secção com alto teor de carbono são: 57 kgf/mm2 (560 MPa) para serviço leve, 49 kgf/mm2 (480 MPa) para serviço médio e 40 kgf/mm2 (390 MPa) para serviço pesado.

3.3.8. Molas semi-elipticas

As molas semi-elípticas são muito resistentes às cargas, mas contam com menores cursos, se comparadas às helicoidais. São muito usadas em veículos de carga, onde são sobrepostas, para se obter um efeito de rigidez variável como o descrito nas helicoidais. Elas foram as primeiras molas usadas

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em veículos auto-motores, pois a tecnologia foi absorvida dos fabricantes de carroças e carruagens.

Figura 9: Mola semi-eliptica

3.4. Processo de fabricação

Em princípio, há dois métodos básicos para a fabricação de molas: - As molas são obtidas a partir de tiras ou fios de aço-carbono ou aço-liga no estado recozido; estes materiais, depois de conformados na forma de molas, são temperados em óleo e revenidos. - As molas são fabricadas a partir de tiras ou fios de aços já endurecidos, isto é, no estado temperado e revenido, ou patenteados e estirados a frio ou encruados, incluindo-se a "corda de piano"; estes materiais, depois de conformados em molas, sofrem usualmente um tratamento térmico a baixa temperatura para alívio de tensões originadas no trabalho a frio. As molas obtidas nestas condições são suficientemente endurecidas de modo a apresentar um limite de proporcionalidade elevado, que resiste satisfatoriamente às cargas de serviço; não devem, entretanto, ser excessivamente duras, para não romperem ao serem conformadas.

A descrição a seguir centra-se na fabricação de ligas de aço molas em espiral.

Enrolamento a frio: O fio de até 18 mm de diâmetro pode ser enrolado à temperatura ambiente utilizando uma de duas técnicas básicas. Uma consiste em enrolar o fio em torno de um eixo, chamado mandril. Isto pode ser feito numa máquina própria na fabricação de mola, um torno, uma furadeira elétrica manual com o fio fixado no mandril, ou uma máquina de enrolamento operada manualmente. Um mecanismo de orientação, tais como o parafuso de chumbo num torno, deve ser usado para alinhar o fio no passo desejado (distância entre rolos sucessivos) uma vez que o envolve em torno do mandril.

Alternativamente, o fio pode ser enrolado sem um mandril. Isto é geralmente feito com um máquina operatriz que utiliza comando numérico computadorizado (CNC).

 

Material Grau de especificação

Método de fabricação

Aplicações Propriedades especiais

Fio Fio de música Trefilada a Molas de alta -

Page 20: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

trefilado a frio

Aço alto carbono

ASTM A228 alta e uniforme

resistência à tração

qualidade e perfis de fio

Trefilado duro, classes I e II ASTM A227

- Aplicações de tensão média; molas e perfis de baixo custo

-

Trefilado duro de alta

resistência ASTM A679

- Molas e perfis de fios de alta

qualidade

-

Temperado e revenido

ASTM A229 classes I e II

Tratada termicamente

antes da fabricação

Molas para fins gerais

-

Carbono VSQ ASTM A230

Tratada termicamente

antes da fabricação

Molas de válvulas

Resistência à tração

uniforme e boa condição

superficial

Aço-liga Cr-V  ASTM A231, A232

Tratada termicamente

antes da fabricação

Para cargas de choque e

temperaturas moderadament

e elevadas

-

Cr-Si  ASTM A401

Tratada termicamente

antes da fabricação

Para cargas de choque e

temperaturas moderadament

e elevadas

-

Tabela 3: Métodos de fabricação, principais aplicações e propriedades especiais de molas de aço em fios enroladas a frio

Nota-se que o limite mínimo de resistência à tração é apresentado em faixas, os valores mínimos variando em função da intensidade da deformação a frio.

Esses materiais são indicados igualmente para outros tipos de peças conformadas a partir de fios, que não apenas molas.

 

Material Grau e especificaçã

Método de fabricação

Aplicações Propriedades especiais

Page 21: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

o

Aço-carbono

C médio (1050) A682

Temperada e revenida

Para fins gerais -

C “regular” (1074) A682

Temperada e revenida

Material mais popular para feixes de mola

-

Alto C (1095) A682

Temperada e revenida

Feixes de molas sujeitas a elevadas tensões

-

Aço-liga 

Cr-V (AMS6455)

Temperada e revenida depois da mola fabricada

Para cargas de choque e temperaturas moderadamente elevadas

-

  Cr-Si (AISI9254)

Temperada e revenida depois da mola fabricada

Para cargas de choque e temperaturas moderadamente elevadas

-

 Tabela 4 – Métodos de fabricação, principais aplicações e propriedades de molas de aço em tiras conformadas a frio.

Enrolamento a quente: Materiais de barra ou materiais de maior espessura podem ser enrolados em molas se o metal é aquecido de forma a torná-lo flexível. No padrão industrial as máquinas de enrolamento podem trabalhar com barra de aço com até 75 mm de diâmetro, e as molas personalizadas podem utilizar barras para a sua construção de no máximo 150 mm de espessura. O aço é enrolado em torno de um mandril enquanto deformado. Em seguida, ele é imediatamente retirado da máquina de enrolamento e mergulhado em óleo para resfriar rapidamente e obter dureza. Nesta fase, o aço é demasiado frágil para funcionar como uma mola, e deve em seguida ser temperada. 

Tipos de Aço

Composição química

C Mn Si Cr V Mo

1070 SAE

0,65-0,75 0,60-0,90

0,15-0,20

- - -

1080 SAE

0,75-0,88 0,60-0,90

0,20-0,35

- - -

1095 SAE

0,90-1,03 0,30-0,50

0,15-0,30

- - -

4160 0,55-0,65 0,70- - 0,60- - 0,25-

Page 22: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

(mod) 1,00 0,90 0,35

5150 H 0,47-0,54 0,60-1,00

0,20-0,35

0,60-1,00

- -

5160 H 0,55-0,65 0,65-1,10

0,20-0,35

0,60-1,00

- -

51860 H 0,55-0,65 0,65-1,10

0,20-0,35

0,60-1,00

- B-0005% min.

6150 H 0,47-0,54 0,60-1,00

0,20-0,35

0,75-1,20

0,15 min. -

8660 H 0,55-0,65 0,70-1,05

0,20-0,35

0,35-0,75

0,35-0,55 Ni

0,15-0,25

9260 H 0,55-0,65 0,65-1,10

1,70-2,20

- - -

9850 H 0,47-0,57 0,60-0,95

0,20-0,35

0,80-1,20

0,65-0,95 Ni

0,20-0,30

Tabela 5 – Tipos de aços para molas helicoidais enroladas a quente.

Os aços-liga apresentam melhores propriedades de fadiga e limites elásticos mais elevados do que os aços-carbono, sendo, portanto, preferidos em algumas aplicações. São, contudo, mais suscetíveis a certas imperfeições superficiais. Por outro lado, o emprego de molas a temperaturas acima da ambiente cria problemas, devido à maior possibilidade de se produzir deformação permanente, mesmo a cargos inferiores.

O gráfico ilustra a sequencia de processamento do tratamento térmico de um aço SAE 5160 para mola:

Figura 10: sequencia de processamento térmico do aço 5160 para mola

Page 23: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

Figura 11: temperatura de revenido de um aço para mola

3.5. AÇOS PARA MOLAS

Os aços para molas são em geral semelhantes aos aços comercias encontrados no mercado. Para fabricação de molas são utilizados com maior frequência os aços que apresentam teores de carbono variando entre (0,50% a 1,20%) de carbono e manganês entre (0,30% a 0,60%), sua microestrutura quando beneficiada em geral é a martensita revenida. Estes materiais devem apresentar limite de elasticidade elevado que aumenta sua resistência a fadiga e a deformação plástica.

De qualquer modo, a escolha do material depende das propriedades mecânicas desejadas, das aplicações, do custo e da técnica de fabricação. Principalmente em condições mais severas de serviço, em que se exigem principalmente maiores valores de resistência à fadiga e de elasticidade. Para obtenção das propriedades mecânicas utilizam-se tratamentos térmicos e mecânicos, para uma boa elasticidade e resistência tem-se que tomar cuidado na fabricação da mola para que não ocorra marcas ou riscos provenientes das matrizes de fabricação e o próprio manuseio das molas, sua superfície tem que estar isenta de irregularidade.

Os aços-carbono, com teor de carbono variando de 0,50% a 1,20%, satisfazem quase que completamente aos requisitos exigidos das molas, de modo que a maioria desses elementos de máquinas é feita com aqueles tipos de aços. Há aplicações, contudo, que exigem aços-liga. De qualquer modo, a escolha do material depende das propriedades desejadas, das aplicações, do custo e da técnica de fabricação.

Page 24: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

  Verifica-se que as molas de aço-carbono com diâmetro até 5/8” podem ser utilizadas com suficiente segurança até temperaturas da ordem de 175 graus C desde que não sejam carregadas além de 56 kgf/mm2; se for permitida uma pequena deformação permanente em serviço, poderão ser utilizadas até cerca de 200 graus C, com carga não superior a 84 kgf/mm2 (820 MPa). De qualquer modo, em molas de compressão, o aço-carbono não permite temperaturas superiores a 200 graus C porque resulta uma fluência cuja intensidade vai depender das tensões de serviço e do tempo de aplicação das cargas.  Já os aços-liga Si-Mn, Cr-V, etc.,típicos para molas, possibilitam o seu emprego, em diâmetros até 5/8”, até temperaturas da ordem de 200 graus C se a carga de serviço não for superior a 56 kgf/mm2 (550 MPa) ou até temperaturas de aproximadamente 230 graus C se se permitir pequena deformação permanente e desde que a tensão de serviço não ultrapasse 84 kgf/mm2 (820 MPa).  Acima de 230 graus C, deve-se recorrer às ligas Cr-Ni ou a aços do tipo dos aços rápidos. A Tabela 6 permite ter-se uma idéia inicial dos tipos mais comuns de aço utilizados em molas, segundo a ASTM e “Spring Manufactures Institute”. 

Material

Grau e especificação

Composição nominal  %

Propriedades de tração

Propriedades de torção

módulo de

rigidez G

Dureza HRB

(b)

Temperatura

permissível     °C

Resistência à

tração

Módulo de

Elasticidade E

GPa

kgf/mm

2

MPa

kgf/mm2

GPa

kgf/mm

2

   

Fio trefilado

a frio Aço alto carbono

Fio de músicaASTM A 228

C-0,70/1,

00Mn-

0,20/0,60

1590-

2750

161-279

210

21000

80 8.050

41-60

120

Trefilado duro ASTM

C 0,45/0,

85

Classe

I

Classe I102,

210

21000

80 8.050

31-52

120

Page 25: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

A 227 Mn- 0,30/1,

30

1010-

1950

Classe II

1180-

2230

9-198,

1Classe II199,7-

226,8

Trefilado duro de alta resistên

cia ASTM A679

C-0,65/1,

00Mn-

0,20-1,30

1640-

2410

166,6-

245

210

21000

80 8.050

41-60

120

Temperado e

revenido ASTM

A229

C- 0,55/0,

85Mn-

0,30/1,20

Classe

I 1140-

2020

Classe II

1320-

2330

Classe I1115,5-

205,8

Classe II133,

7226,

8

210

21000

80 8.050

42-55

120

Carbono VSQ

(c) ASTM A230

C- 0,60/0,

75Mn-

0,60/0,90

1480-

1650

150,5

168

210

21000

80 8.050

45-49

120

Aço-liga

Cr-V ASTM A231, A232

C- 0,48/0,

53Cr-

0,80/1,

1310-

2070

133-210

210

21000

80 8.050

41-55

220

Page 26: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

10V- 0,15

min.

Cr-Si ASTM

401

C- 0,51/0,

59Cr-

0,60/0,80Si-

1,20/1,60

1620-

2070

164,5210

210

21000

80 8.050

48-55

245

(a) a resistência à tração máxima é cerca de 200 MPa (21 kgf/mm2) acima do valor mínimo; (b) a correlação entre dureza e propriedades de tração do fio é aproximada e não deve ser usada para aceitação ou rejeição; (c) qualidade “valve spring quality” (qualidade mola de válvula).

Tabela 6: Aços e fios empregados na fabricação de molas conformadas a frio

Material

Grau e especificação

Composição

nominal, %

Propriedades de tração Dureza

HRC

Temperatura

permissível   °C

Resistência tração, min.

Módulo de

elasticidade E

MPa Kgf/mm2

GPa

Kgf/mm2

Tira laminada a frioAço-carbo

no

C médio (1050) A682

C- 0,47/0,5

5Mn-

0,60/0,90

Revenida

1100/1930

112/196

210

21.000

Recozida 85

máx.Revenida 38-5

120

C “regular” (1074) A682

C- 0,69/0,8

0Mn-

0,50/0,80

Revenida

1100/2210

112/224

210

21.000

Recozida 85

máx.Revenida

38-50

120

Alto C (1095) A682

C- 0,90/1,0

4Mn-

Revenida

1240/2340

126/238

210

21.000

Recozida 88

máx.

120

Page 27: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

0,30/0,50

Revenida

40-52

Aço-liga

Cr-V (MAS 6455)

C- 0,48/0,5

3Cr-

0,80/1,10

V- 0,15 min.

1380/1720

140/175

210

21.000

42-48 220

Cr-Si (AISI 9254)

C- 0,51/0,5

9Cr-

0,60/0,80

Si- 1,20/1,6

0

1720/2240

175/227

210

21.000

47-51 245

 Tabela 7: Aços para tiras empregados na fabricação de molas conformadas a frio

                 

Máxima tensão de trabalho

Diâmetros dos fios, mm

kgf/mm2 MPa 0,13 a0,51

0,51 a0,89

0,89 a3,18

3,18 a6,35

6,35 a12,7

12,7 a15,88

    Molas de compressão, carga estática (deformação removida, molas tratadas para alívio de tensões)

70 690 A228 A227 A227 A227 A227-A229

A229

84 825 A228 A227 A227 A227-A229

A229 -

98 965 A228 A227 A227-A229

A229 A401 -

112 1100 A228 A227 A229 A229-A228

A401 -

126 1240 A228 A228 A228 A228 - -

140 1380 A228 A228 A228 - - -

154 1515 A228 A228 - - - -

168 1655 A228 - - - - -

Molas de compressão, carga variável, projetadas para vida de 100.000 ciclos (deformação removida, molas com

Page 28: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

tensões aliviadas)

56 550 A228 A227 A227 A229-A227

A229-A401

A401

70 690 A228 A227 A229 A229-A401

A401 A401

84 825 A228 A227 A227-A229

A229-A401

A401 -

98 965 A228 A229 A229-A228

A228 - -

112 1100 A228 A228 A228-A401

- - -

126 1240 A228 A228 - - - -

140 1380 A228 - - - - -

Molas de compressão, carga dinâmica, projetadas para vida mínima de 10 milhões de ciclos (deformação

removida, molas com tensões aliviadas)

42 415 A228 A227 A227 A227 A229 -

56 550 A228 A227 A227-229-228

A230 - -

70 610 A228 A228 A228-A230

A230 - -

84 825 A228 A228 A230 - - -

Molas de compressão, carga estática (deformação removida, molas tratadas para alívio de tensões)

56 550 A228 A227 A227 A227 A227-A229

A229

70 690 A228 A227 A227-A229

A401 A401 -

84 825 A228 A227 A227-A229

A401 - -

98 965 A228 A228 A228-A401

A401 A401 -

112 1100 A228 - - - - -

126 1240 A228 - - - - -

Molas de compressão e extensão, projetadas para vida de 100.000 ciclos (deformação não removida, molas de

compressão com tensões aliviadas)

42 415 A228 A227 A227 A227 A227 A229

56 550 A228 A227 A227 A227-A229

A229 A401

70 690 A228 A229 A229- A228- A401 -

Page 29: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

A228 A401

84 825 A228 A228 A228 A401 - -

98 965 A228 A228 - - - -

126 1240 A228 - - - - -

Molas de compressão e extensão, projetadas para vida mínima de 10 milhões de ciclos (deformação não

removida, molas de compressão com tensões aliviadas)

28 275 A228 A227 A227 A227 A227-A229

A229

42 415 A228 A227 A227-A230

A230 - -

56 550 A228 A228 A228-A230

- - -

70 690 A228 - - - - -

    Molas de torção (molas sem alívio de tensões)

70 690 A228 A227 A227 A227-A229

A229-A401

-

84 825 A228 A227 A227-A229

A229-A228

A401 -

98 965 A228 A229 A229-A228

A228 - -

112 1100 A228 A228 A228 - - -

126 1240 A228 A228 - - - -

140 1380 A228 - - - - - Tabela 8: Fios de aço recomendados pela ASTM para molas helicoidais enroladas a frio.

A Tabela 8 apresenta as qualidades de fios recomendadas pela ASTM para molas helicoidais enroladas a frio.  Na classificação AISI-SAE esses aços correspondem a: A227 – 1050, 1055, 1060, 1065, 1070 A228 – 1078, 1085, 1084, 1090 A229 – 1059, 1060, 1065, 1070 A230 – 1064 A401 – 9254

Aço SAE 6150 (Cr-V) Aço SAE 9260 (Si-Mn)

Carbono 0,48-0,53% 0,55-0,65%

Manganês 0,70-0,90% 0,70-1,00%

Fósforo 0,025% max. 0,04% max.

Enxofre 0,025% 0,04%

Silício 0,20-0,35% 1,80-2,20%

Cromo 0,80-1,10% -

Page 30: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

Vanádio 0,15-0,20% -

Limite de resistência à tração

140-175 kgf/mm2 (1370-1720 MPa)

140-175 kgf/mm2 (1370-1720 MPa)

Limite de elasticidade em tensão

126-161 kgf/mm2 (1240-1580 MPa)

126-161 kgf/mm2 (1240-1580 MPa)

Limite de torção 112-136 kgf/mm2 (1100-1330 MPa)

98-136 kgf/mm2 (960-1330 MPa)

Limite de elasticidade em torção

105-126 kgf/mm2 (1030-1240 MPa)

84-126 kgf/mm2 (820-124 MPa)

Alongamento 8-5% 12-9%

Módulo de elasticidade em tensão

21.000 kgf/mm2 (210 GPa)

21.000 kgf/mm2 (210 GPa)

Idem em torção 8.050 kgf/mm2 (80 GPa) 8.050 kgf/mm2 (80 GPa)

Dureza Rockwell C 42-48 42-48

Cargas de trabalho recomendadas (em molas de compressão:

Serviço leve 59,5 kgf/mm2 (585 MPa) 56,0 kgf/mm2 (550 MPa)

Serviço médio 52,5 kgf/mm2 (515 MPa) 49,0 kgf/mm2 (480 MPa)

Serviço pesado 42,0 kgf/mm2 (410 MPa) 38,5 kgf/mm2 (375 MPa)

Características gerais Resistência à corrosão e ao calor superior aos aços-C

Resistência ao calor superior ao tipo Cr-V

Tabela 9: Composições e propriedades de aços-liga para molas

Os materiais empregados na construção das molas são os  aços a carbono, com teor de carbono  superior a 0,7% e até a 1 ou 1,2%, os  aços a manganês, pela sua elevada resistência à fadiga, os aços a silício, pelos seus elevados limites de elasticidade e de ruptura, depois da têmpera. Para  estes dois últimos aços, porém, as maiores propriedades são atingidas com a

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presença simultânea do manganês e eventualmente do cromo.

Page 32: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

Tabela 10 :Especificações típicas de ligas usuais para molas

3.6. Propriedades dos materiais para molas

Elevado módulo de elasticidade, grande resistência e principalmente elevada resistência a fadiga são importantes propriedades mecânicas necessárias em molas, os aços-liga são utilizados para conferir à tais molas estas propriedades.[3]

A tabela apresenta as características e propriedades de três aços utilizados na fabricação de molas.

Material

Limite elástico, porgentagem da Sut [%]

Diâmetro d [mm]

Módulo de Young, E [Gpa]

Módulo de elasticidade transversal, G [Gpa]

Tração

Torção

Fio musical A228 65 - 75

45 - 60

< 0,81203,4 82,7

0,84 - 1,6 200,0 81,7

1,63 - 3,18

196,5 81,0

Page 33: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

> 3,18 193,0 80,0

Mola endurecida A227

60 - 70

45 - 55

< 0,81198,6 80,7

0,84 - 1,6 197,9 80,0

1,63 - 3,18 197,2 79,3

> 3,18 196,5 78,6

Revenido a óleo A239

85 - 90

45 - 50 196,5 77,2

Tabela 11: Tabela de propriedades de aços para molas com valores de Módulo de Young (E), Módulo de elasticidade transversal (G) e Limite elástico.

O Aço ASTM A228 (Carbono: 0,70 - 1,00%; Manganês: 0,20 - 0,60%) e o aço ASTM A227 (Carbono: 0,45 - 0,85%; Manganês: 0,60 - 1,30%) serão utilizados para a determinação de alguns parâmetros de vibração. Os parâmetros que definem os valores necessários para um amortecimento de uma mola são influenciados diretamente pelo material, pois estes derivam da constante da mola (k), que depende do Módulo de Young de cada material.

3.7. Aços alternativos para molas

Para substituir o cromo, na hipótese desse elemento tornar-se pouco disponível, foram propostos dois tipos de aços modificados para molas helicoidais. Um deles – 15B62 – substituiria também o tipo 5160. Sua composição é a seguinte:0,55/0,66 C; 1,10/1,40 Mn; 0,40/060 Si; 0,0005 B min., indicado para molas helicoidais de suspensão.

O outro apresenta a composição: 0,56/0,64 C; 0,75/1,00 Mn; 0,701/1,10 Si e 0,24/0,40 Cr e substituiria também o tipo SAE 5160.

Page 34: Trabalho Marquezi Molas(1).docx

4. RESULTADOS E DISCUSSÕESMateriais Candidatos

A - Aço SAE 5160B - C - D - Liga de alumínioE - PolímeroF - Compósito

 - limite de fadiga: alto 

- Limite de elasticidade: alto

- Requisitos de projeto (peso/massa, dimensões, estética e etc.): ?

- Propriedades mecânicas dos materiais: Resistência ao choque.

- Propriedades químicas (contaminação, corrosão, etc.): Boa resistência à corrosão

- Custo (R$) : Baixo

- Disponibilidade no mercado: Fácil

- Fabricação: Fácil

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Critérios A B C D ELeve e fina 4 4 4 5 5 5Resistência ao amassamento/boa tenacidade 5 5 4 2 1 1Boa resistência a corrosão 2 5 5 5 5 5Baixo custo (R$) 5 2 2 2 4 4Fácil disponibilidade no mercado 5 4 4 4 5 4Fácil fabricação 5 5 5 5 2 2Somatório dos pontos 27 26 25 24 22 22

5. CONCLUSÕES

Levando em consideração os requisitos da mola para um automóvel de pequeno porte, que deveria de material resistente ao choque, de baixo custo, de fácil disponibilidade no mercado, conlui-se que o material mais adequado para este uso, seria uma mola elicoidal de aço SAE 5160

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6. REFERÊNCIAS

FERRANTE, Maurizio. Seleção de materiais. 2.ed. São Carlos: Editora da UFSCar, 2002.

FREIRE, J.M. Materiais de construção mecânica: Tecnologia mecânica. Rio de Janeiro:LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1989.

CALLISTER, Willian D. Ciência e Engenharia dos Materiais. Editora LTC. 2005.

RC MOLAS, Tipos de molas. São Paulo. Disponível em <http://www.rcmolas.com.br/tipos-de-molas.html>. Acesso em: 13 nov. 2013