ANÁLISE DOS COMPONENTES ACOPLADOS

Vários componentes estão adjacentes ao cabeçote, entretanto alguns se relacionam de maneira mais intensa, como é o caso dos parafusos do cabeçote, sedes e guias, cuja relação com o cabeçote gera impactos significativos em ambos componentes do conjunto. Deste modo, a avaliação desses componentes é de vital importância para o projeto do cabeçote, entretanto, devido ao escopo desse trabalho, não serão avaliados os projetos dos componentes especifica- mente e sim a adequação e a influência desses componentes na análise.

A seguir serão apresentados os resultados de tensão nesses componentes em três con- dições. Na montagem (principal fonte de tensão para esses componentes), aquecimento e um caso cíclico (pressão de combustão + cargas dos mancais) de maior influência.

Vale ressaltar que as escalas de cores apresentadas não necessariamente representam as tensões limites de falhas, mas sim valores escolhidos para melhor visualização dos detalhes e diferenças apresentadas.

5.2.1 Parafusos de montagem cabeçote/bloco

Todos os parafusos presentes na simulação, foram modelados em aço de alta resistên- cia. Os critérios de aprovação para os parafusos se basearam no limite de escoamento do mate- rial, que é 800 MPa. Devido ao comportamento dúctil dos aços, para a avaliação, será usado o critério da teoria da tensão máxima de cisalhamento, onde a tensão equivalente de Von Mises é comparada com o limite de resistência do material.

A Figura 83 apresenta a distribuição de tensão equivalente de Von Mises para os para esses parafusos em três condições diferentes. A figura (a) apresenta as tensões após aplicação das cargas de montagem, a (b), após carregamentos térmicos e a (c) após aplicação das cargas cíclicas.

Figura 83 - Tensões de Von Mises nos parafusos cabeçote/bloco.

Montagem (a) Aquecimento (b) Combustão (c)

Fonte: O autor, 2018.

Devido às descontinuidades de rigidez, geométricas e pelas condições de restrição do movimento, ocorrem concentrações de tensão fictícias nas regiões de fixação da rosca, apoio da cabeça dos parafusos e elementos adjacentes às essas regiões. Desconsiderando essas regi- ões, podemos verificar que após a montagem, a tensão média no parafuso é em torno de 860 MPa, enquanto após aquecimento passa para cerca de 950 MPa e após carregamentos cíclico, amenta para cerca de 960 MPa.

O aumento da tensão após carga de térmica, se dá devido à expansão do alumínio do cabeçote, que possui coeficiente de dilatação térmica de cerca de duas vezes o valor do aço usado nos parafusos. Já as cargas cíclicas têm pouca influência na tensão do componente, pro- vando o caráter estático do funcionamento dos parafusos.

Em todos os casos, a tensão ficou acima do limite de escoamento do material. Esse comportamento está previsto no projeto e ocorre, pois esses parafusos trabalham na região plás- tica do material. Devido à modelagem linear do material dos parafusos, parte dessa tensão é irreal pois numa situação de linearidade, parte da energia seria convertida em deformação, re- duzindo a tensão. Como a tensão acima do escoamento é pequena e já que a hipótese de com- portamento apenas elástico superestima as tensões na região do cabeçote, a aproximação está do lado conservativo.

5.2.2 Parafusos de montagem capa de mancal/cabeçote

Esses parafusos possuem a mesmo material do conjunto de fixação cabeçote/bloco, contudo esses são projetados para trabalhar fora do regime plástico, o que reduz demanda me- nores cargas de aperto e menor tensão média no parafuso.

A Figura 84 apresenta esses parafusos sob as mesmas condições do anterior, após car- regamentos de montagem em (a), após carregamento térmico (b) e após aplicação das cargas cíclicas (c).

Figura 84 - Tensões de Von Mises nos parafusos capa de mancal/cabeçote.

Montagem (a) Aquecimento (b) Combustão (c)

Fonte: O autor, 2018.

Após a montagem, a tensão média nos parafusos é de cerca de 510 MPa, enquanto após aquecimento passa para cerca de 610 MPa e após carregamentos cíclico, amenta para cerca de 640 MPa. Novamente o aumento na carga do após aplicação térmica, se dá devido à expansão do alumínio do cabeçote, que possui coeficiente de dilatação térmica de cerca de duas vezes o valor do aço usado nos parafusos.

Já a tensão após carregamento cíclico apresentou um pequeno aumento na tensão mé- dia, sobretudo devido as cargas laterais no parafuso. Esse comportamento se dá devido às apli- cações das cargas laterais nos mancais do eixo do comando.

5.2.3 Capas dos mancais dos eixos virabrequim

Os valores limites referências à tração obtidos em testes para o material das capas de mancal é de 131 MPa.

Na Figura 85 é apresentado a distribuição de tensões máximas principais para capas dos mancais do eixo virabrequim, após carregamentos de montagem em (a) e após carrega- mento térmico + carregamentos cíclicos (b).

Figura 85 - Tensões máximas principais nas capas de mancal.

Montagem (a) Aquecimento + Combustão (b)

Fonte: O autor, 2018.

Na região superior das capas de mancais, existe o contato com os eixos balancim, que por sua vez fazem interface com a cabeça dos parafusos. Essa configuração acarreta numa con- centração de tensões compressivas na região, causadas pela compressão dos parafusos e pelas tensões artificiais geradas pelo contato com os eixos. Devido a esses fatores, essa região não será considerada na análise de tensões.

Desconsiderando as regiões dos contatos superiores, após a montagem, a tensão má- xima principal é de 41 MPa nas capas de mancais, valor que após o aquecimento e aplicação das cargas cíclicas passa para 79 MPa. Ambos os valores estão abaixo do limite de resistência do material.

5.2.4 Guias e sedes de válvulas

Devido aos materiais de fabricação das guias e sedes, o critério de falha avaliado será conforme a teoria da tensão máxima de cisalhamento. Em consequência da forma de fixação das guias e sedes (montagem com interferência de compressão), as tensões nesses componentes são majoritariamente de compressão. Desse modo, será avaliado a tensão mínima principal.

Na Figura 86 é apresentado a distribuição de tensões mínimas principais para as guias e sedes, após carregamentos de montagem em (a) e após carregamento térmico + carregamentos cíclicos (b).

Figura 86 - Tensões mínimas principais nas de guias e sedes de válvulas.

Montagem (a) Térmica + Combustão (b)

Fonte: O autor, 2018.

Pela imagem, é possível observar que existe um relaxamento nas tensões após as car- gas térmicas e cíclicas. Esse comportamento se dá devido à diferença no coeficiente de expan- são térmica dos materiais. Após aplicação térmica, o alumínio tende a expandir no dobro da taxa das guias e sedes, reduzindo o valor de interferência entre o contato das guias e sedes com o cabeçote. Após a aplicação do carregamento térmico, a tensão máxima de compressão nas guias diminuiu de 550 MPa para 440 MPa. Enquanto nas sedes diminui de 640 MPa para 580 MPa.

As guias e sedes estão sobre compressão, onde pode-se considerar os limites conside- ravelmente maiores para as tensões.