As suspensões dos carros de corrida têm a mesma função que as dos carros de estrada. certifique-se de que todas as rodas estão em contato com a superfície. A diferença entre eles é a magnitude das cargas a que são submetidos. Além disso, os mesmos componentes destes para aplicação em corridas costumam concentrar muitas funções o que resulta em formas complexas e aplicação de materiais de alta resistência. Basicamente, as suspensões dos carros de corrida são de braço duplo com hastes de puxar ou empurrar. Este conceito surgiu no início dos anos 60 e ainda hoje é utilizado devido a esta característica principal, proporcionar o controle total do movimento da roda e seu alcance. Para os automóveis de estrada este conceito apresenta alguns problemas de embalagem, pelo que foi substituído pelos conceitos McPherson ou Multilink. A manga de eixo faz parte da massa não suspensa do veículo, portanto suas características são importantes para a dinâmica do veículo. Ao longo dos anos, a coluna vertical foi sendo otimizada para formas complexas, aproveitando a otimização topológica. Este é um processo que é feito após a análise de elementos finitos (FEA). No entanto, antes de todas essas etapas, a carga de trabalho do veículo deve ser conhecida para fornecer as informações corretas para essas análises. Um veículo na posição vertical é todo baseado nas cargas das rodas. Obviamente que em um carro de corrida a maioria dos componentes requer requisitos finos, precisos e às vezes complexos. No entanto, o projeto vertical requer um profundo conhecimento sobre a dinâmica do veículo e a teoria do projeto da máquina. O motivo é a quantidade de exigências sobre apenas uma peça e estas, por vezes, são antagônicas.

Funções da manga de eixo

Quando qualquer componente está sendo projetado, o primeiro passo do designer é se questionar: “Quais são as funções deste componente?” Normalmente, a segunda etapa é um esboço do componente feito à mão. Os principais requisitos e funções da manga de eixo estão resumidos abaixo:

• Conexão da roda ao braço da suspensão;
• Alojamento e suporte para as cabos de segurança;
• Contribuir para a cinemática da suspensão;
• Cargas de roda de suporte;
• Definir os pontos de captação dos componentes da suspensão;
• Alojamento para pinças de freio;
• Alojamento do cubo da roda e dos componentes que o suportam, como os rolamentos da roda;
• Fornecer um furo preciso (furo) para os rolamentos.

Para obter sucesso nessas características, o projetista deve aproveitar as mais avançadas técnicas de fabricação, materiais e soluções de design, pois as mangas de eixos são componentes que concentram uma grande quantidade de funções.

Recursos das mangas de eixo

Como a manga de eixo para veículos de competição concentra muitas soluções, uma das características que exibe em sua estrutura são os furos precisos. Na verdade, são chamados de furos, pois essa denominação se refere aos furos que foram usinados. Neste caso, existem vários furos com a finalidade de suportar componentes. O principal problema com os furos é que eles concentram o estresse. Assim, o projetista vertical deve propor soluções para minimizar o impacto dos furos. Existem muitas soluções para este problema, que dependem do tipo de montante e dos requisitos de projeto. Em geral, o uso de buchas é considerado especialmente se o montante for do tipo fabricado. A sangria é um procedimento bem conhecido e comum adotado. Além disso, também existem variações de parafusos, pois estes também trazem alguns problemas. Em geral, a concentração de tensão no parafuso é devida à tensão de cisalhamento gerada. A Figura 2 ilustra que a maior tensão ocorre na superfície. Assim, a solução geralmente adotada é escolher parafusos com cabeça escareada. Como a tensão é maior nas primeiras roscas do parafuso, o cisalhamento ocorre no topo do parafuso e as roscas representam uma concentração de tensões, o escareado ajuda a proporcionar uma seção transversal maior e também aliviar a tensão. Outra característica interessante dos montantes é um pequeno furo na região da carcaça do cubo da roda, mais precisamente, entre o rolamento. Assim, durante a operação, o cubo gira e retém um pouco de ar naquela região, que aquece junto com o prumo. O ar se expande, aumenta de volume e escapa facilmente pelo orifício. Se não houver furo, o ar fica preso naquele pequeno volume e durante sua expansão, pressiona o mancal. A consequência é que a graxa dos rolamentos é expelida pelo ar, fazendo com que os rolamentos superaqueçam e se desgastem mais rapidamente do que o normal.

A manga de eixo também fornece suporte para alguns componentes. Os principais são o cubo da roda e seus rolamentos. Estes são componentes críticos, pois estão correlacionados com características importantes do veículo, como por exemplo, consumo de combustível, vida útil do cubo e do mancal. De fato, o alojamento para rolamentos deve ser cuidadosamente desenvolvido. Normalmente, os pilares dos carros de corrida são amplamente expostos à alta temperatura dos freios, que será transferida para os componentes nas proximidades. A vertical é uma delas. A expansão devido à temperatura ocorre em três direções, portanto é fácil que um rolamento se solte. Assim, sugere-se uma tolerância de ajuste precisa para montagens de rolamentos, pois em temperatura ambiente este é montado com prensa, mas em temperatura de operação funciona sem resistência significativa ao rolamento. Uma tolerância incorreta resulta na operação do rolamento sob jogo longitudinal e transversal. O montante também pode funcionar como suporte para dutos de freio. Esses componentes são comumente usados em carros de corrida de primeira classe, como os de rodas abertas. Outros componentes importantes são os sensores de ABS e/ou temperatura dos pneus que são fixados na vertical. A principal preocupação quanto a isso, é a quantidade de furos e suas posições no prumo devido à concentração de tensões.

Tecnologias aplicadas na fabricação de mangas de eixo

Como a manga de eixo é um componente tão complexo, o que define a tecnologia utilizada para sua fabricação são seus requisitos, que são definidos pelo departamento de design e dinâmica veicular. Normalmente os carros de corrida seguem regras rígidas que visam aumentar o desempenho sem perder a segurança. Assim, os regulamentos de uma série de corridas definem o layout do carro, o tamanho da roda e do aro e o orçamento que cada equipe pode dedicar em tecnologia e desenvolvimento. Existem também outros requisitos como cinemática de suspensão, rolamentos de roda e especificações de freio. Geralmente são definidos pelo departamento de dinâmica veicular da empresa que fabrica o carro. Além disso, componentes como rolamentos e freios são transportados, portanto, o layout vertical geralmente é adaptado às dimensões desses componentes. O construtor do carro e o fornecedor de peças geralmente decidem juntos qual é a melhor configuração de acordo com os requisitos. O último ponto importante que define as características verticais são os alvos do projeto. Isso também depende das regras regulamentares, por exemplo, peso mínimo. O escritório de design define parâmetros como peso-rigidez-força e o equilíbrio aerodinâmico do carro. Como os requisitos são muitos, é comum que o vertical exija um alto nível de tecnologia. A primeira característica tecnológica de uma coluna é o seu material. Em geral, as principais opções são:

• Magnésio fundido;
• Fabricado em aço;
• Alumínio usinado em CNC;
• Alumínio fundido;
• Alumínio forjado;
• Titânio fundido (fundição de investimento).

Magnésio fundido

O magnésio fundido foi largamente utilizado na década de noventa devido à sua principal vantagem, a sua baixíssima densidade, 1,8 g/cm³ (Kg/dm³). Além disso, é facilmente fundido, apesar de exigir alguns acabamentos após esse processo. No entanto, não é um material forte, exibe apenas 150-200 MPa de resistência à tração e isso resulta em uma relação resistência/peso ruim se comparado ao alumínio. Peças fundidas de magnésio também apresentam problemas na fundição, pois desenvolve poros durante o processo e não há controle total sobre esse efeito. Isso sugere que os componentes de magnésio fundido podem ser muito leves, mas sua baixa resistência os torna críticos se tiverem que ser leves. A razão é a espessura da parede obtida para peças leves que é muito fina. Isso pode expor o componente à falha se for de cerca de 1,2 mm. Normalmente, as antigas empresas de carros de corrida estabelecem fatores de segurança entre 1,5 e 2,0 para evitar trincas durante a operação. Em veículos rodoviários, os montantes de magnésio fundido geralmente são feitos com um fator de segurança de cerca de 3. Em qualquer aplicação, a definição do fator de segurança também resulta na limitação da espessura mínima dos componentes. A principal preocupação do engenheiro projetista com montantes de magnésio fundido são as cargas indevidas, já que um peso leve é crítico em termos de fator de segurança e espessura da seção transversal. O principal magnésio fundido usado no campo de corrida é AZ91 e R25.

Steel fabricated (Fabricação)

Apesar do nome, é um tipo de material composto. De fato, um montante feito de aço fabricado não apenas combina vários tipos de aço, como também diferentes processos são executados durante o processo de fabricação. Utiliza chapas de aço combinadas com buchas de aço e acessórios como prisioneiros. A principal vantagem deste material é a sua simplicidade. É fácil desenvolver uma postura vertical leve e forte. Além disso, o projetista pode aproveitar a alta resistência do aço para utilizar chapas metálicas muito finas. No entanto, este não pode ser inferior a 1,2 mm, pois esses componentes são soldados. Caso contrário, essas peças ficarão distorcidas após o processo de soldagem. Outro problema com os montantes de aço fabricados é o custo, mais precisamente, a mão de obra. Este material requer técnicos muito especializados para montagem de buchas, prisioneiros e pivôs. Além disso, atividades críticas como soldagem e rosqueamento são incluídas na planilha de operações. O problema com essas atividades é a consistência. É muito difícil garantir uma tolerância fina pois depende de mão de obra trabalhando. Também é possível incluir a configuração de ferramentas e condições de trabalho como fatores relevantes. Portanto, o custo de um montante feito de aço fabricado é semelhante ao de um alumínio usinado em CNC. Os principais tipos de aço utilizados são o de baixo carbono (%C<0,03%), por exemplo, 4130 (30CD4 – %C<0,03%), 25CD4 (chapa metálica, %C<0,025%), 18NCD5 (buchas, %C <0,018%), 15CDV6 (%C<0,015). A resistência à tração final desses materiais varia entre 800 a 1200 MPa.

Alumínio

O material mais utilizado para mangas de eixo leves é o alumínio. Este tem uma relação resistência/peso muito boa, pois sua densidade é de cerca de 2,8 kg/dm3 e sua resistência à tração varia entre 200 e 500 MPa. Isso resulta em uma melhor relação força/peso do que o magnésio fundido. Embora as peças de alumínio (fundidas ou usinadas em CNC) não sejam tão leves quanto o magnésio fundido, elas são mais fortes. Assim, eles combinam uma peça leve com uma alta resistência à tração. Além disso, o processo de fundição ou usinagem CNC do alumínio não é tão crítico quanto o do magnésio. Como resultado, o alumínio é melhor para trabalhar e menos crítico do que o magnésio fundido.

Os principais tipos de alumínio adotados na área de corrida são o 2024 (Avional, com Cu), 2624 (ligado com Cu) e 7075 (Ergal, ligado com Zn). O alumínio é um material bastante conhecido e seu custo está mais relacionado ao processo de fabricação utilizado. Os montantes de alumínio são geralmente feitos por fundição ou usinagem CNC. O primeiro é o processo de fabricação mais tradicional da história do setor. A fundição em areia é baseada em dois moldes feitos em areia. Este contém aditivo para aumentar o efeito de cola. A forma do molde é feita por uma prensa com a forma negativa do componente. Depois disso, um miolo, também feito de areia, geralmente areia verde, é colocado dentro do molde para criar a forma interna e a espessura do componente. Os moldes são bem fechados e o metal fundido é vazado dentro dos moldes. Embora a fundição em areia seja um processo muito simples, os componentes feitos por ela dão um acabamento para atingir a qualidade superficial. Além disso, o processo geralmente resulta em encolhimento, que é a contração do material devido à transferência de calor em taxas muito altas. Como resultado, os componentes de alumínio fundido exigem um controle mais rigoroso do processo. Na verdade, isso não é totalmente. Para montantes, o núcleo utilizado requer alguns pinos para travar este no lugar certo durante o processo de fundição.

Outro processo comum na área automotiva é a usinagem CNC com alumínio. De fato, este material se adapta muito bem à fabricação subtrativa devido à sua ductilidade. Hoje em dia a usinagem é feita por fresas CNC que são programadas com o desenho da peça e podem trabalhar ininterruptamente até que o tamanho do bach seja atingido. As peças de alumínio usinadas em CNC quase não precisam de acabamento, geralmente já estão prontas para serem montadas. Apesar do alto custo de um equipamento de fresagem CNC, o processo tem um custo de mão de obra muito baixo, o que o torna mais acessível do que as mangas de eixos feitas de aço fabricado e o processo nele envolvido. Atualmente é difícil comparar peças desenvolvidas para serem fabricadas exclusivamente por usinagem CNC e aquelas fabricadas em aço. Quando desenvolvidos apenas para serem feitos por CNC, os formatos dos componentes tendem a ser mais complexos, já que este equipamento permite este tipo de construção. Assim, é possível desenvolver formas que requerem menos tempo e material. Outra forma de reduzir custos na usinagem CNC é o controle da rugosidade. A Figura 5 representa uma superfície com quatro acabamentos diferentes feitos por uma CNC. O objetivo é comparar os resultados e analisar a melhor abordagem para cada situação. Ra indica a rugosidade em micrômetros µm. Cada superfície tem mais dois números, um é a sobreposição da ferramenta esférica e o outro o tempo necessário para que a usinagem CNC conclua esse trabalho. Com uma CNC que pode trocar de ferramenta durante o processo, é possível dar o acabamento adequado de acordo com a análise de elementos finitos FEA. De fato, avaliar quais áreas requerem um acabamento bom e razoável demanda um grande número de dados sobre o sistema e os resultados da FEA.

Há um outro processo realizado quando a manga de eixo é feita de alumínio. Estes são pós-processos e melhoram algumas características do componente, os principais são a anodização, o shot peening e a laminação. A anodização é realizada em componentes de liga de alumínio para melhorar sua resistência à oxidação. Basicamente, é criada uma camada de alumínio anodizado por um processo de eletrólise. Existem dois tipos de anodização, a dura e a decorativa. Estes são aplicados por diferentes razões, a primeira é melhorar a resistência do material à oxidação e também aumentar as características superficiais do material. Componentes de alumínio submetidos à anodização dura geralmente apresentam melhor resistência à oxidação, resistência ao desgaste e dureza. Existe também a possibilidade de aplicar silicone, PTFE ou MoS2 para dar um grau de lubrificação de forma a reduzir a taxa de desgaste. A anodização decorativa é normalmente aplicada em peças de alumínio onde o fator estético tem maior relevância. Também melhora a resistência à oxidação, mas sem melhorias na dureza e resistência ao desgaste. A anodização é um pós-processo acessível para melhorar a capacidade de usinagem CNC e processos de fundição de alumínio. Na verdade, um componente de alumínio submetido ao processo de anodização deve ter definido em seus desenhos de engenharia, fabricação e técnicos sua dimensão antes e depois da anodização. Porém, esse processo deve ser aplicado com cautela, pois costuma reduzir a fadiga, o choque térmico e a resistência alcalina do componente. Além disso, também é muito difícil de ser aplicado em ligas de alumínio de alta resistência.

 

O shot peening é um processo no qual pequenas esferas de aço são lançadas contra o componente com o objetivo de causar uma tensão de compressão na superfície do componente. Isso proporciona uma pré-tensão no material e aumenta a resistência aos impactos. A deformação plástica na superfície também ajuda a aumentar a resistência à fadiga do componente, pois a pré-tensão posterga o ponto de falha por fadiga.

Estratégias de montagem do wishbone e do push-rod na manga de eixo

Existem algumas estratégias para conectar o braço de inferior de suspensão a manga de eixo, estas são baseadas no uso de buchas. Esses componentes têm a função de fornecer meios para conectar parafusos de material de alta resistência em materiais mais macios. Por exemplo, parafusos de aço de alta resistência e o perfil de alumínio. Para reduzir o estresse na estrutura principal, uma bucha de aço é montada entre as duas.

A bucha flutuante (Figura 9) é uma abordagem comum em que uma folga é deixada propositalmente entre a bucha e o uniball. A folga é zerada quando o parafuso é apertado. Durante este processo, a bucha se desloca e fecha a folga. O objetivo é não fornecer um alojamento estanque para a junta esférica, o que reduz seu desempenho e vida útil. A bucha usada para esta abordagem é chamada de bucha flutuante.

Outra abordagem é o uso de um grande uniball com um pequeno parafuso. Nesse caso, esses componentes são feitos de um material de alta resistência à tração, geralmente aço (HSS). Considerando que o prumo geralmente é feito de alumínio, e este tem um bom alongamento, não é tão rígido quanto o aço. Assim, a montagem tende a transferir o estresse para o montante. No entanto, as buchas flutuantes deslocam e fecham a folga entre as buchas. As buchas também possuem algumas características tecnológicas, por exemplo, aquela que está em contato com a cabeça do parafuso, apresenta um chanfro e um pescoço de tensão. O chanfro é para evitar um contato direto com a zona mais crítica da cabeça do parafuso, enquanto o pescoço é para evitar que um torque excessivo aplicado ao parafuso venha a quebrá-lo. Nesses casos, o pescoço quebra e o parafuso é preservado.

Referências

1. Norton, Robert. Machinery Design, McGran Hill, 4th Edition;
2. McKelvey S. A. Yung–Li L. Barkley, M. E. Stress-Based Uniaxial Fatigue Analysis Using Methods Described in FKM-Guideline. J. Fail. Anal. and Preven., 12, 445-484, 2012;
3. SKF guidelines website;
4. Pedersen, M. M. Introduction to Metal Fatigue. Aarhus University, 91, 2018, ISSN: 2245-4594.