Existem algumas características importantes no processo de fabricação monocoque. Como este é o principal componente do chassi de um carro de corrida, a rigidez dessa estrutura define se o carro é capaz ou não de suportar cargas muito altas nas rodas. A rigidez de uma estrutura de fibra de carbono depende do quanto esta tem interrupções nas lonas de carbono. Por exemplo, furos, áreas de seção transversal e inserções. Este último é muito importante, pois sua principal função é fornecer um suporte rígido para possíveis pontos de fixação. Nessas suspensões, o motor, as asas e a carroceria são fixos. Este artigo propõe uma revisão sobre as principais estratégias para construir inserções dentro de monocoques de carbono de carros de corrida de rodas abertas.

Visão geral

Basicamente os monocoques possuem insertos em estruturas sanduíche, que são feitas de diversos materiais. Um exemplo pode ser visto na Figura 1. Existem camadas de fibra de carbono e entre elas um núcleo, que pode ser colmeia ou espuma. O primeiro é feito de alumínio da série 6xxx ou Nomex, fabricado pela DuPont. As espumas geralmente são feitas de Rohacell e poliuretano. A principal razão para usar núcleos é aumentar a seção transversal, reduzindo assim a tensão de flexão. Além disso, como os núcleos são leves, o peso do monocoque não é penalizado. No entanto, inserções são adicionadas ao chassi para fornecer meios para conectar componentes ao chassi, principalmente por meio de fixadores. A outra função dos insertos é ser um suporte local, um ponto duro contra as cargas dos componentes que estão fixados nele. Como a rigidez à flexão da fibra de carbono sozinha é baixa, o núcleo é aplicado entre as camadas. No entanto, o honeycomb (HC) tem uma rigidez muito baixa, principalmente no plano em que ocorre a flexão, sendo necessário algo para melhorar a rigidez local. Este é um ponto difícil, uma inserção. Um exemplo de inserto é o que suporta um suporte de suspensão. Uma rosca deve ser cortada no inserto, portanto o material do inserto é muito importante. Na verdade, existem muitas opções como aço, bronze, aço maraging e titânio. Porém, antes de decidir o material, é importante observar que a principal carga que atua nos parafusos e roscas, são as cargas tangenciais. Em outras palavras, tensões de cisalhamento. Em alguns casos, existem algumas cargas axiais, mas as tensões de cisalhamento são maiores. Assim, o que limita esses materiais é sua densidade. Eles são todos pesados. Por esta razão, o alumínio 7075 Ergal é geralmente adotado.

Supondo que este suporte do amortecedor seja fixado por parafusos e porcas de fixação. Normalmente, os parafusos são feitos de materiais fortes, mais fortes que o inserto. Como é feito de alumínio ou fibra de carbono, a solução é deixar o parafuso mais comprido. Uma abordagem comum ao usar parafusos é usar um com comprimento de pelo menos duas vezes a rosca, se o parafuso for de alumínio. No caso de parafusos de magnésio, esse comprimento pode ser três vezes maior que a rosca. Por exemplo, se estiver sendo usado um parafuso M8, a espessura do núcleo deve ser duas vezes oito, portanto 16 mm a mais. O problema desse tipo de fixação é que o parafuso-porca vai comprimir a estrutura de carbono e o núcleo, que é feito de um plástico, o TUFNOL.

Já que no campo das corridas a principal preocupação é ir o mais leve possível, o uso de parafusos representa mais peso. Por isso, os studs são uma melhor aplicação, pois é possível usar aqueles feitos de materiais fortes, mais fortes que a porca. Além disso, o pino é fixado no inserto como um parafuso, mas com adesivo para fixadores. A seção da haste do pino também pode ter um diâmetro maior para melhorar a resistência contra tensões de cisalhamento, por exemplo, um pino de rebaixo (Figura 3). Outra vantagem do pino é que a rosca no inserto não é abusada, pois o único componente que é removido é a porca. Portanto, a inserção é preservada.

Outra opção é usar buchas, mais precisamente, timeserts, aguçados ou korbserts. Basicamente, a bucha é fixada nos insertos de alumínio. Um adesivo é usado para fornecer uma fixação firme da bucha nas roscas de alumínio. Tanto a bucha quanto o inserto são rosqueados. Algumas buchas possuem rosca interna e externa. O objetivo desta abordagem é fornecer um furo menor e mais forte.

Insertos de carbono

As insertos de carbono são uma alternativa às insertos de metal, elas têm alguns prós e contras. A rosca feita em carbono costuma ser mais alta que o furo. O torque de fixação é assegurado por um aditivo de travamento químico. Este é capaz de segurar o parafuso enquanto torna a rosca do inserto e a ligação química o “mesmo corpo”. A principal vantagem dos insertos de carbono é seu peso, são mais leves que os insertos de alumínio, 1,5 kg/dm3 contra 2,8 kg/d3 de densidade de carbono e alumínio, respectivamente. Assim, é possível ter uma inserção maior. No entanto, o problema das pastilhas de carbono é o desgaste de sua rosca. Além disso, os processos de construção da rosca, taping ou furação, geralmente cortam lonas que são estruturais, podendo gerar trincas.

A Figura 5 ilustra como as buchas são montadas em inserções de carbono. São buchas especiais com rosca interna e externa que são adesivos de fixação fixos, agulhas ou korbserts. Nestes casos, se o tamanho do fixador for M6, o furo deve ser M8. No caso de fixação M8, o furo deve ser M10. Há uma pequena camada de adesivo entre a bucha e as roscas do inserto. Uma vez que uma fibra de carbono sozinha tem uma baixa tensão de cisalhamento, isso também representa um problema para esse tipo de inserto. Considerando a situação de um pino fixado em um inserto de carbono conforme a Figura 6.

As principais cargas a que esta está submetida são tração e cisalhamento. Entendendo que o painel é composto por duas peles de carbono, o inserto é colado entre elas (estrutura sanduíche). Portanto, a força F1, que tende a puxar o pino, é a mais crítica. Esta é uma função das características da cola ou adesivo, da área que esta se espalha sobre a superfície e da força de cisalhamento desenvolvida entre o pino e a camada adesiva. A outra carga importante é F2 , ela define a resistência das lonas de carbono. Na verdade, estes são submetidos a isso pois o inserto pode destruir as lonas de carbono o que resultaria no desprendimento total desta do monocoque. Portanto, F2 é uma função da tensão de cisalhamento das camadas de carbono e sua espessura. Outro fator importante é o perímetro, pois o cisalhamento ocorre sobre ele. Por esta razão, a tensão de cisalhamento da matriz (resina), e não da fibra de carbono, é tão importante.

Suportes de motor

Uma das principais inserções construídas no monocoque é o coxim do motor. Como já se sabe, em carros de corrida de rodas abertas, o powertrain tem uma função estrutural. Assim, as pastilhas utilizadas para os suportes do motor são fundamentais, pois não só o motor é uma parte pesada do carro, como também vibra. Portanto, os coxins do motor são inserções com a função de sustentar o motor e absorver sua vibração. O principal problema que essas montagens apresentam é a carga do rolamento. Como o pino é feito de materiais de alta resistência, isso aumenta a resistência ao cisalhamento na pastilha. O resultado é que o furo do pino ficou oval, o que deixa o pino solto. Por esta razão foram desenvolvidas diferentes estratégias para a montagem dos coxins do motor no monocoque e estas estão resumidas a seguir:

1. Inserto de carbono com porca de barril de metal;
2. Inserto de carbono com arruela de alumínio e porca de aço;
3. Inserto de aço e carbono com porca cilíndrica de metal;
4. Inserto de alumínio;
5. Inserto de alumínio com bucha roscada de metal;
6. Cavilhas.

Essas opções também podem variar de acordo com o tipo de pino utilizado, quais sejam os pinos convencionais e os pinos de fundo. Na verdade essa é uma estratégia para distribuir melhor a tensão sobre os fios. Os prisioneiros convencionais concentram toda a sua tensão nas três primeiras roscas, 50%, 25% e 12%, respectivamente. O gargalo do fundo possui uma protuberância em uma de suas extremidades. Este é o lado aplicado no inserto e proporciona uma distribuição de tensão mais uniforme sobre as roscas do prisioneiro. As Figuras 12 e 10 ilustram exemplos de prisioneiros de fundo.

Inserção de carbono com porca de barril de metal

Insertos de carbono são muito leves e se tornam uma boa opção para coxins de motor mesmo com baixa tensão de cisalhamento. Na verdade, uma porca cilíndrica de titânio é usada para conectar o pino ao inserto. O formato da porca barril melhora o contato com as lonas de carbono, proporcionando assim uma melhor fixação após a cura.

Inserto de carbono com arruela de alumínio e porca de aço

Inserto de carbono e aço com porca cilíndrica de metal

A estrutura da lasanha é geralmente baseada em uma mistura de camadas de carbono e aço, que são colocadas alternadamente umas sobre as outras. O objetivo é aumentar a resistência ao cisalhamento da junta, pois as telas de aço representam uma resistência adicional à matriz. De fato, as lonas de carbono têm uma baixa tensão de cisalhamento. O aço tem uma tensão de cisalhamento de cerca de 600 MPa. Outra razão é devido ao que ocorre quando um pino é carregado conforme sugerido pela Figura 9. Isso leva à chamada carga do rolamento, que torna o furo oval. Um grande aumento da resistência também aumenta a tensão de cisalhamento sobre a junta, pois não só as fibras de carbono estão sendo tensionadas, mas também as chapas de aço. Normalmente, os carros de corrida têm entre 4 e 6 pinos para apoiar o motor. Estes são altamente carregados, mas em constante variação entre tração e compressão devido à transferência de carga durante a condução. São condições nas quais os prisioneiros geram uma carga de rolamento nos insertos. Esta é a razão pela qual alguns prisioneiros exibem algum jogo. A configuração de lasanha com porca barril também é uma estratégia comum para evitar a carga do rolamento.

Inserto de alumínio

É o pastilha mais comum usada em carros de corrida. Um pino de aço de alta resistência não é fixado diretamente no inserto de alumínio, pois isso pode facilmente desgastar sua rosca. Para preservar o inserto, uma bucha de aço é adicionada. Pode ser montado por rosca ou com adesivo. De qualquer forma, a tensão do pino é totalmente suportada pela bucha.

Inserto de alumínio com bucha roscada de metal

Semelhante ao exemplo anterior, mas a bucha possui rosca interna e externa. Para manter a bucha fixa no inserto é utilizado um adesivo.

Cavilhas (Dowels)

Para auxiliar na montagem do motor é comum a aplicação de buchas (Figura 11). São basicamente buchas que localizam os pinos que saem da caixa de engrenagens e da carcaça. Cavilhas são usadas para alinhamento e localização precisa da montagem do motor no monocoque e na caixa de engrenagens. Eles são normalmente posicionados no cárter ou bloco do motor.

Processo de cura dos insertos

A melhor estratégia para fixar o coxim do motor, ou qualquer outro inserto importante, no monocoque, é curar este com a primeira pele. Desta forma, os insertos podem ser moldados de acordo com a geometria desta região do monocoque. Assim, um ciclo de cura típico é a 1ª pele mais o inserto principal e a 2ª pele junto com outros insertos e o favo de mel, ou qualquer outro núcleo. Esta é uma abordagem para usar o inserto como um assento para a fibra de carbono. Durante a laminação das camadas de carbono em um molde, existem diferentes camadas que são as úmidas ou pré-curadas e as curadas.

O problema é a diferença de espessura entre as camadas úmidas e curadas, que enquanto o saco de vácuo está esmagando todas as camadas no molde junto com a pressão da autoclave, elas podem apresentar um problema chamado ponte. Isso ocorre quando as camadas não copiam perfeitamente o molde. Na Figura 14 é possível visualizar um ponto onde pode ocorrer o bridging. Isso está na parte inferior da estrutura perto do chanfro da pastilha. Essa região pode apresentar ponte se as camadas não forem devidamente laminadas. De fato, a ocorrência ou não de ponte requer operadores muito habilidosos.

A porca cilíndrica é curada junto com inserções de carbono. Antes da cura, os orifícios são construídos na inserção e a porca cilíndrica é montada manualmente, depois o pino também é fixado manualmente. Em algum momento, a porca cilíndrica está sendo comprimida enquanto o pino está sendo preso. Portanto, a porca cilíndrica é fixada no inserto devido à fixação do pino. O pino de montagem e a porca cilíndrica são muito fortes, o que é útil na estratégia de lasanha para suportar a carga do rolamento. As porcas barril são feitas de aço ou titânio.

Referências

• Este artigo é basicamente o meu entendimento sobre uma das aulas de Chassi e Body Design ministradas por Luca Pignacca e Gianni Nicoletto.