UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CTC – Centro Tecnológico
Departamento de Engenharia Mecânica Graduação em Engenharia de Materiais Disciplina Fundamentos em Polímeros - EMC5716
Prof. Dr. Gean Salmoria
Projeto: Desenvolvimento de Pistão do Amortecedor
Alunos: Aline Manteiga Barreiro 05237009 Gunnar Felipe Larsen 06237033 Karina Carvalho de Farias 06237063
Florianópolis, 13 de Novembro de 2008
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Motivação... 3
Projeto Informacional ... 3
Projeto Conceitual... 4
Projeto Preliminar... 4
Projeto Detalhado ... 9
Bibliografia... 13
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Motivação
O desenvolvimento deste produto tem como objetivo solucionar um problema da empresa OffLimits Motorsports, empresa que prepara carros para rally e produz amortecedores .
Os amortecedores mono-tubo são amortecedores de gás a alta pressão. O gás compensa a mudança de volume devido ao movimento de compressão e recuo. O gás diminui de volume quando existe uma força de compressão e aumenta quando não existem forças atuando. A figura abaixo mostra o sistema do amortecedor:
Figura 1: Sistema do amortecedor.
O pistão que divide o óleo (Fluído Incompressível) do gás nitrogênio é feito de alumínio e sofre desgaste devido ao atrito com a superfície do tubo. O atrito aumenta com o aquecimento, pois o coeficiente de dilatação do alumínio é superior ao do aço e causa diferentes dilatações dos materiais. Este desgaste diminui o tempo de vida e reduz o rendimento do amortecedor. Com isso, buscamos substituir o alumínio, por um polímero que possua um baixo coeficiente de atrito e boas propriedades mecânicas.
Projeto Informacional
O pistão necessita suportar alguns requisitos:
• Resistência Mecânica: Resistir à compressão e ao desgaste entre as bordas da peça com camisa do amortecedor;
• Estabilidade Química: Ser inerte ao óleo usado no amortecedor, neste caso com o óleo sintético 100% de éster;
• Estabilidade Térmica: Suportar temperaturas de até 100 ºC;
•Possuir melhor Custo/Benefício que o alumínio atualmente empregado;
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Projeto Conceitual
Um amortecedor trabalha em condições cíclicas e o atrito provocará desgaste do material. O problema do atrito é causado pela variação da geometria das peças empregadas. A temperatura de trabalho que vai de 20 até 100ºC causa expansão térmica, pois o coeficiente de expansão do alumínio é aproximadamente o dobro do aço.
Sendo assim, o alumínio expande mais que o aço quando aquecido.
Projeto Preliminar
A seguir estão possíveis materiais a serem aplicados de acordo com os requisitos apresentados:
• PEEK (Poliéter éter cetona): Tenaz, forte, rígido, excepcional resistência à abrasão, excelente estabilidade térmica em operação contínua (a 220ºC é possível esperar uma vida útil de 50.000horas), extremamente boa resistência à radiação, boa resistência a exposições às intempéries, resistência termo-mecânica extremamente alta, boa resistência química, boa resistência à hidrólise e a vapor superaquecido, resistente às correntes de fuga, boas propriedades de deslize, fácil usinagem, boa resistência ao desgaste, pouca absorção de umidade.
• PEI (poliéter-imida): São caracterizados por apresentarem elevados valores de resistência e rigidez em elevadas temperaturas, alta resistência térmica, propriedades elétricas e ampla resistência química. A estrutura amorfa do PEI não é tão afetada pelos ciclos térmicos do processamento e contribui para uma excelente estabilidade dimensional e altas propriedades mecânicas isotrópicas, comparado com outros polímeros amorfos e semicristalinos.
• PPS (polisulfeto de fenileno): É um material semicristalino para altas temperaturas, especialmente desenvolvido para suportar altas exigências de fricção e abrasão.
Excelentes propriedades de deslize,fácil usinagem,alta resistência termo-mecânica, boa resistência química,, estável sob alta pressão, autolubrificante, resistente à raios gama,auto extinguível,mínimo desgaste em fricção.
• PEUAPM (Polietileno de ultra alto peso molecular) - UHMWPE: Excepcional resistência à abrasão por desgaste, excelente resistência ao impacto e um baixo coeficiente de atrito, excelente resistência química, alta durabilidade, auto lubrificante, indicado para uso em peças de deslizamento, soldável, moldável e estampável, baixo peso específico, aceita aditivos, comprovadamente atóxico.
• NYLON - PA6.6 (Poliamida 6.6): apresenta alta resistência mecânica e ao impacto, baixo coeficiente de atrito, autolubrificante, versátil, ponto de fusão elevado, boa resistência à fadiga, ao desgaste e à abrasão, isolante termoelétrico, grande absorção de vibrações.
• POM (Poliacetal): Baixa absorção de umidade, excepcional estabilidade dimensional, elevada resistência à abrasão e agentes químicos, facilidade de
5 usinagem, grande resistência à variação de temperatura, baixo coeficiente de atrito, resistência ao impacto, alto módulo de elasticidade, resistência à tração.
• PTFE (Politetrafluoretileno): Excelência em propriedades químicas, elétricas, mecânicas, térmicas e de anti-aderência, menor coeficiente de atrito dentre todos os outros plásticos, resistência a agentes corrosivos, quimicamente inerte, atóxico, excelente isolador elétrico, resistente à temperatura (-200ºC a 260ºC), ideal para amortecimento de vibrações.
Valores de algumas propriedades físicas, mecânicas e térmicas desses polímeros citados acima se encontram na tabela abaixo:
Tabela de propriedades
* Shore (D) -**Dureza Rockwell
Propriedades PEEK PEI PPS PEUAPM PA6.6 POM PTFE
Densidade (g/cm3) 1,31 1,35 1,43 0,94 1,14 1,41 2,18
Dureza 85,0* 85,5* 85,5* 62* 85* 51*
Físicas
Absorção de água (%)
0,13 0,24 0,03 0,01 2,8 0,3
Resistência à tração (MPa)
90 100 69 43,45 83
Limite de Escoamento (MPa)
91 105 75 24,5 80 65 25
Mecânica Módulo de
Elasticidade (GPa)
3,6 3,6 3,7 0,69 2,7 3,1 0,7
Temp. de transição Vítrea (ºC)
143 220 88 - 60 60 -20
Temp. de fusão (ºC)
340 - 280 133 255 170 327
Temp. Max. De serviço (ºC)
220 200 140 128 120 100 260
Térmicas
Coeficiente de expansão térmica
10-6 (ºC)-1
78,5 - - 297 144
6 Para o melhor acompanhamento do tipo de peça a ser desenvolvida foram propostas algumas geometrias, as quais serão submetidas em simulações geradas pelo CosmosXpress. Estas simulações irão facilitar a escolha da geometria a ser posteriormente desenvolvida:
Figura 2: Propostas de geometria para o pistão do amortecedor
a) Esta é a geometria original fornecida pela empresa Off Limits com diâmetros superior e inferior de 45,8mm,e o diâmetro do meio com 36mm , com um corte na superfície superior e inferior;
b) Esta geometria tem o mesmo diâmetro do que a primeira e é mais robusta.
c) Esta geometria tem as mesmas dimensões que a primeira e tem cortes na superfície superior e inferior de forma côncava.
d) Esta geometria possui as mesmas dimensões que a primeira e a parte superior apresenta um chanfro de 45º.
Para a realização da simulação é necessário o conhecimento das condições a qual o produto a ser desenvolvido estará submetido no serviço, para isso foram realizados alguns cálculos para encontrar o valor da pressão máxima aplicada no pistão divisor durante o trabalho.
O volume de óleo é constante, mas o volume da haste presa a outro pistão penetra no amortecedor induzindo um aumento de volume, causando um aumento de pressão, que será máxima quando o amortecedor se encontra totalmente comprimido. O seguinte cálculo está demonstrado abaixo:
7 P1 = 200 lbs
A pressão máxima varia de acordo com:
- temperatura - volume inicial
- volume final de reservatório = 16.619 mm3
A variação de volume está diretamente relacionado com o diâmetro da haste e o curso de trabalho, que neste caso, o diâmetro da haste é 14,00mm e curso de trabalho é de 208mm.
V para tal curso = 32.019mm3 (¶ * r2 * h);
Chegando assim Volume inicial = 48.638 mm3
P1V1=P2V2, desconsiderando o acréscimo pela temperatura;
Sendo;
P1 = 200 P2 = X V1 = 48.638 V2 = 16.619
P2 = 585 lbs = 4,095MPa.
Depois das peças terem sido devidamente desenhadas no Solid Works as mesmas foram simulas no CosmsXpress com o mesmo material, no caso PA tipo 6, informando a região onde a peça será fixada e a região onde será aplicada a pressão de 4,095MPa, resultou as simulações abaixo:
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9 Ao lado de cada peça há uma escala de tensões aplicadas, mostrando o máximo valor e pela tabela de propriedades acima pode se verificar que todos os polímeros possuem tensão de escoamento maior que a tensão máxima, portanto todos os polímeros desta tabela podem ser selecionados pela tensão de escoamento. Mas como nosso projeto possui como um dos pré-requisitos a temperatura até 100 ºC e o baixo custo, escolhemos o PA 6.6 conhecido comercialmente como Nylon. A temperatura de
transição vítrea deste material é abaixo da temperatura de trabalho em que o material vai ficar em serviço, a fase amorfa possui uma Tg de 60ºC (Temp. de Transição Vitrea), mas a fase cristalina é superior, referente a Tm (Temp. de Fusão). A parte cristalina faz com que o material escolhido agüente estas condições de contorno.
Caso seja necessário,também pode se no processo de fabricação deste material colocar uma porcentagem em peso de fibras de vidro, melhorando suas propriedades mecânicas e aumentando a temperatura de serviço.
A geometria escolhida foi a ‘d’, pois resultou num fator de segurança maior como mostrada na tabela abaixo:
Tabela do Fator de Segurança das Peças Geometria da peça Fator de Segurança
A 5,89
B 5,62
C 4,05
D 7,29
Projeto Detalhado
Material
A fabricação do Nylon 6.6. em forma de tarugo passa pelos processos de extrusão e tratamento térmico, o que possibilita uma estrutura cristalina, uniforme e livre de tensões internas. O resultado é um material com boas propriedades físicas, mecânicas, elétricas e químicas.
O peso molecular (PM) do Nylon é de 10.000 – 20.000 unidades; Densidade de 1,13 – 1,15 g/cm³; Índice de Refração de 1,54; Cristalinidade de até 60%.
As principais características são: baixo peso específico; ponto de fusão elevado; alta resistência ao desgaste e ao choque; excelente isolamento térmico e elétrico;
durabilidade em contato com agentes químicos; auto-extinguibilidade de chama; auto- lubrificante; inoxidabilidade; absorção de vibrações; baixo coeficiente de atrito; e movimentos mecânicos silenciosos.
10 O produto pode ser aplicado na fabricação de buchas, engrenagens, cremalheira, polias, roletes, parafusos, arruelas, guias, cames, rotores, roldanas, mancais, rolo para máquinas de corte e vinco, placas de desgastes e sapatas.
Ao trabalhar com material é importante mantê-lo em contato com elementos metálicos para dissipação do calor, já que ele apresenta a propriedade de isolamento térmico.
Figura: Estrutura Química do PA 6.6.
Definição da Geometria
11 Em comparação com a peça de alumínio, o peso da peça é de 28,6g, densidade do alumínio 2,7g/cm³; Sendo a densidade do PA 6.6 1,14 g/cm³, o peso aproximado de PA6.6 utilizado no processo é de 12,08g.
Para a fabricação da peça definiu-se o método de usinagem, por ser mais barato, pois para injeção desta peça é necessário a fabricação de um molde o que encarece o produto final.
Processo: Usinagem
A usinagem dos plásticos de engenharia pode ser efetuada perfeitamente com máquinas para metais ou madeiras.
Um importante parâmetro a se considerar é que os materiais plásticos possuem condutividade térmica baixa. Na usinagem é conveniente realizar um resfriamento da ferramenta para melhorar o acabamento e evitar tensões internas que podem gerar deformações ou até o rompimento da peça.
As ferramentas de corte precisam permitir uma boa qualidade de corte e o devido desprendimento dos cavacos durante o processo. O metal duro seria indicado e um melhor acabamento superficial é obtido com a ponta útil corte arredondada.
As variações dimensionais, por absorção de umidade e dilatação térmica dos plásticos, é superior a dos metais. O uso de fluido refrigerante é aconselhável, particularmente em usinagens delicadas e furações. Os plásticos quando expostos a variações de
temperatura, umidade a pressões podem ter variações no dimensional e formato.
A fixação sobre a máquina de usinagem deve ser feita com muito cuidado afim de se evitar deformações.
Tabela com os Parâmetros para a Usinagem do PA 6.6.
Tipo de Usinagem
ÂNGULO, AVANÇOS
VEL. DE TRABALHO PA 6.6 Tornear Ângulo de incidência 5-10º
Ângulo de saída de cavacos 5-15º
Avanço (mm/rotação) 0,1-0,3
Velocidade de corte (m/min) >200 Fresar Ângulo de incidência 10-20º
Ângulo de saída de cavacos 5-15º
Avanço (mm/rotação) >0,03
12 Velocidade de corte (m/min) >1000
Serrar SERRA FITA
Ângulo de incidência 20-30º
Ângulo de saída de cavacos 2-5º
Passo (mm) 3-8
Velocidade de corte (m/mm) >500
SERRA CIRCULAR
Velocidade de corte (m/min) ~1500 Furar Ângulo de incidência 5-15º Ângulo de saída de cavacos 10-20º
Ângulo de ponta 60-115º
Avanço (mm/rotação) 0,1-0,3
Velocidade de corte (m/min) 50-150
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Bibliografia
[1] Canevarolo, S.V.Jr.. Ciência dos polímeros.2ª Ed.São Paulo: Artliber Editora;
[2] Wiebeck H., Harada J.. Plásticos de engenharia – Técnologia e Aplicações. São Paulo: Artliber Editora;
[3] Mazur R.L., Botelho E.C., Costa M.L. Rezende M.C.. Avaliações térmica e reológica da matriz termoplástica PEEK utilizada em compósitos aeronáuticos.
Revista Polímeros: Ciência e Técnologia. 3ªEd. 2008. ABPOL [4] www.offlimits.com.br
[5] www.rhodia.com
