Com base nas informações apresentadas no capítulo 2 foi possível entender que mesmo com a aplicação dos métodos mais avançados de aperto não se consegue diminuir as perdas de pré-carga após a aplicação da força de aperto.
Espera-se que com o emprego de uma arruela com material superelástico possa-se minimizar ou até eliminar as perdas de pré-carga. A seguir demonstra-se de forma esquemática,
19
como foi avaliada a perda de pré-carga com processo utilizado atualmente e a caracterização do material para a construção da arruela feita com material superelástico.
3.1. Avaliações da perda de pré-carga no processo utilizado atualmente (sem arruela)
Utilizou-se como base de estudo um motor diesel com cilindrada de 9.3 l, com cabeçote de cilindros com 4 válvulas por cilindro, sistema de injeção eletrônico com capacidade máxima de injeção de combustível de 2200 bar e 200 bar de pressão de combustão. Este motor utiliza 26 parafusos M15X2X180 classe de resistência 10.9 modificado com limite de elasticidade mínimo de 1000 N/ mm2, podendo gerar forças de 114kN a 131kN para fixação do cabeçote.
A perda de pré-carga acontece em duas etapas distintas: - Logo após a montagem
- Após o início de funcionamento
A primeira etapa da avaliação da perda de pré-carga foi medida com o motor antes do funcionamento, registrando-se a aplicação da sequência de aperto e a conseqüente aplicação da força. Este acompanhamento foi feito com a instrumentação do parafuso com “strain gage” conforme indicado na figura 8 e a perda de pré-carga foi registrada com o equipamento Lynx ADS 2000, indicado na figura 14. A leitura da força ao longo do tempo foi feita até que as forças de aperto ficassem estáveis. Foi avaliado o parafuso 18 da sequência de aperto indicada na figura 13.
20
A segunda etapa da avaliação da perda de pré-carga foi medida após o funcionamento do motor. Para fazer a medição foi necessário construir a curva característica força x alongamento do parafuso.
Para a construção da curva característica (força x alongamento) do parafuso, as forças de aperto foram aplicadas ao parafuso pelo DTT (figura 10) e os alongamentos correspondentes foram medidos por ultrassom (figura 11). Foi registrado um número significativo de pontos (40 pontos) para o levantamento da curva. Para que o equipamento de ulrassom funcionasse adequadamente foi necessário fazer a usinagem do parafuso de acordo com a figura 8.
Figura 9 – Características geométricas para utilização do parafuso na leitura de alongamento no equipamento de ultrassom.
O DTT é composto por uma célula de carga dupla com monitoração por Strain-Gage, dispositivo para medição de ângulo tipo “Encoder”, motor/redutor Bosch para acionamento do sistema, sistema de movimentação dos motores e sistema de aquisição de dados Spider 8 HBM. A célula de carga possibilita medir a força tensora, o torque total, o torque na cabeça e torque na rosca. Equipada com transdutores tipo strain gages a célula de carga é montada em um cabeçote fixo e projetada para receber uma série de dispositivos especiais (pinças , cones etc. ). O encoder
127 MIN PARA O COMPRIMENTO DE ROSCA
21
é um dispositivo para medição de ângulo de giro do parafuso em ensaio. Mede ângulo pôr disco óptico interno com saída de sinal em formato de “trem de pulsos” .
Figura 10 – Equipamento determinador de torque tensão - DTT
O procedimento para medição com o ultrassom começa basicamente no transmissor que emite os pulsos ao longo do corpo do parafuso, que viajam pelo fluido de ligação entre o transmissor e o parafuso, passam pelo material do corpo do parafuso indo e voltando ao ponto inicial, conforme indicado na figura 12.
Mensurando o tempo necessário para o pulso percorrer o trajeto de ida e voltae utilizando a velocidade do som no material do parafuso, o equipamento calcula o comprimento do parafuso. Na tabela 1 estão indicados os detalhes do equipamento.
22
Figura 12 – Caminho da onda de ultrassom até o final do parafuso
Tabela 1 - Detalhes do equipamento de ultrassom
Princípio Pulsos de ultrassom
Freqüências de trabalho 1 - 15 MHz
Entradas funções alfanuméricas
Compensação temperatura Automática ou manual
Função osciloscópio Identificação do comprimento final do parafuso Calibração Automática com padrão pré ajustado
Capacidade de comprimentos de parafusos 19mm to 11.4m. Resolução digital (.0002mm) (de 19mm até 508mm) (.002mm) (de 19mm até 2.540m) (.02mm) (de 19mm até 11.4m)
A curva força x alongamento foi utilizada para a determinação das forças de aperto exercidas pelo parafuso ao longo do tempo. Mediram-se os alongamentos com o ultrassom e pela curva característica foi levantada a força de aperto do parafuso. A grande vantagem deste método de cálculo de força de aperto é poder acompanhar a variação da força de aperto ao longo dos testes sem a desmontagem do motor. A sequência de montagem dos parafusos no cabeçote esta indicada na figura 13.
23
Figura 13 – Vista superior do cabeçote indicando a seqüência de montagem dos 26 parafusos do cabeçote (do centro para fora) do motor I6
Foram registradas as forças de aperto em função dos alongamentos medidos nos parafusos após 30 minutos de teste de avaliação para a aprovação do motor na linha de montagem. Depois desta avaliação o motor foi submetido a teste de termochoque, cujo ciclo de testes está indicado na figura 14. Este procedimento iniciou-se com o motor em marcha lenta (1000rpm) por 30 segundos sem carga no dinamômetro e apresentou temperaturas da água entre 15°C e 40°C por um tempo de 30 segundos. Após os 30 segundos passou-se a aplicar carga ao motor através de dinamômetro fazendo com que o motor chegasse a plena carga atingindo a temperatura de 110°C. Quando atingido a temperatura de 110°C abriu-se a entrada de água fria no motor, fazendo com que a temperatura caísse até 75°C. Ao atingir os 75°C fechou-se a saída de água fria para que a temperatura subisse novamente até os 110°C. Esta sequência foi repetida até o terceiro pico de 110°C, quando foi retirada a carga do motor até voltar novamente em marcha lenta e a água foi resfriada até atingir temperaturas entre 15°C e 40°C. Os choques térmicos foram realizados no menor tempo possível.
O motor rodou por 100 horas e foram registradas as forças de aperto com 25, 50 e 100 horas de funcionamento. O ciclo de teste termochoque foi aplicado por ser considerado o mais indicado para validação de juntas de cabeçote e analise de forças de aperto dos parafusos. Todas as medições foram feitas com o motor frio.
24
a
Figura 14 – Ciclo de teste em procedimento de termochoque que é utilizado para validação de juntas de cabeçote
3.2. Avaliação da minimização da perda de pré-carga no processo novo (com arruela)
Iniciou-se com a caracterização da arruela com material em superelástico. Os ensaios foram realizados com a liga NiTi: VIM 51 de composição Ti50,67%Ni. A porcentagem é atômica e portanto, levemente rica em níquel. O lingote é oriundo de fusão em forno de indução a vácuo (VIM) feita na Villares Metals SA. A Figura 15 mostra o lingote VIM 51 de 90mm de diâmetro e peso em torno de 20kg. A Figura 16 mostra o lingote sendo aquecido (850°C) para posterior laminação a quente, Figura 17. A Figura 18 mostra as barras laminadas no diâmetro de 30 e 15mm a partir do qual as amostras foram retiradas para os ensaios. A laminação do lingote foi feita na empresa Multialloy Metais e Ligas Especiais Ltda. A análise por DSC dos lingotes de partida indicam que as temperaturas de transformação martensítica são: Mi=55°C, Mf=28°C e Ai=36°C e Af=58°C.
25 Figura 15 – Lingote de partida – 90 mm de diâmetro
Figura 16 – Lingote de partida – aquecimento a 850°C/1h para laminação a quente
26 Figura 18 – Barras laminadas, diâmetro de 15mm.
A arruela com material superelástico foi projetada após a realização dos ensaios de compressão, cujo objetivo foi a construção da curva característica à compressão (força x deslocamento e tensão x deslocamento percentual).
A primeira etapa dos ensaios de compressão foi feita em Máquina de Ensaios Servo- Hidráulica com controlador eletrônico de carga, com capacidade de 25 toneladas e com a utilização do WA T - Transdutor indutivo padrão de deslocamento (LVDT), conforme indicado na figura 19 A e B.
27
Figura 19 A e B – Fotos do ensaio de compressão da liga VIM 51em temperatura ambiente. Estes ensaios foram feitos utilizando-se somente o LVDT para avaliação das deformações dos corpos de prova.
A segunda etapa dos ensaio de compressão foi feita em máquina de tração e compressão BLH com capacidade para 2000 kN pertencente ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Foram utilizadas duas células de carga de capacidades de 250kN e 500kN e medidor de deslocamento da Vishay, conforme mostrado na figura 20.
Figura 20 – Máquina de tração e compressão BLH com capacidade de 2000kN, medidor de deslocamento Vishay e células de carga da HBM