falhas de semieixos veiculares em operaÇÕes ......falhas por fadiga, pelo que o conceito de limite...

UNIVERSIDADE PARANAENSE – UNIPAR CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

UMUARAMA/PR

1 TFC 2018 – TRABALHO FINAL DE CURSO

FALHAS DE SEMIEIXOS VEICULARES EM OPERAÇÕES AGRÍCOLAS

Darlan Cavalaro, [email protected]

Reginaldo de Araújo Silva, [email protected]

1Universidade Paranaense, Departamento de Engenharia Mecânica. 2Universidade Paranaense, Departamento de Engenharia Mecânica.

Resumo: Semieixos são componentes de sistemas automotivos destinados a transmitir a potência

oriunda do motor, tendo passado pela caixa de câmbio e eixo traseiro (redutor ortogonal +

mecanismo diferencial) para as rodas do veículo, proporcionando-lhes a tração necessária ao

movimento. São componentes muito criteriosamente projetados e construídos, pelas elevadas

solicitações e condições de trabalho exigentes que devem suportar. Entretanto, nestes componentes

de caminhões fora-de-estrada e tratores de rodas, são observadas quebras, resultantes de esforços

ainda mais acentuados a que são projetados, devido a: irregularidades dos terrenos por onde

trafegam os veículos; picos de esforços a que são submetidos por operação inadequada; agregação

de pneus de elevada aderência que impedem a patinação e descarga de excesso de torque para o

pavimento e; operação incorreta de implementos demasiadamente pesados comparados a operações

agrícolas tradicionais. Nos casos observados em campo, nota-se também que as falhas destes

componentes se processam de maneira tal que faz com que outros componentes do sistema veicular

onde se encontram aplicados também sejam severamente avariados, o que aumenta os custos de

reparo e o tempo de indisponibilidade dos equipamentos avariados. O presente trabalho visa

analisar casos reais de quebras de semieixos de caminhões de transbordo de cana-de-açúcar e

tratores de rodas pesados, comparando visualmente as fraturas dos componentes com modelos

teóricos de Resistência dos Materiais e dados de análises feitas pelo fabricante destas peças,

fornecendo diagnóstico das falhas (sobrecarga, choque, fadiga) e caracterizando o tipo de material

de que são feitos os semieixos, se dúcteis ou frágeis, pelo modo de falha. Considerando-se que a

maioria das falhas se deve a operação inadequada, o melhor treinamento dos operadores

contribuirá para a redução deste tipo de falhas, além de evoluções de projeto e melhor critério na

aplicação dos equipamentos.

Palavras-chave: semieixo, transmissão, caminhão, trator, quebra.

1. INTRODUÇÃO

Os semieixos (dois eixos que transmitem o torque vindo do motor, já multiplicado pela

transmissão e pelo redutor ortogonal existente no eixo traseiro, para cada uma das rodas) são os

componentes que sofrem os maiores esforços, pelo elevado torque que recebem do restante da

transmissão. No caso dos caminhões, pelo fato de os semieixos estarem abrigados dentro da carcaça

do eixo traseiro e apoiados em ambas as suas extremidades por rolamentos de rolos cônicos, o esforço

a que são submetidos estes semieixos são puramente de torção. Já no caso dos tratores, por se

projetarem para fora do conjunto de transmissão e se ligarem às rodas, sofrem esforços de flexão e

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torção combinados. Some-se a isso o fato de que os tratores possuem ainda mais um conjunto de

redução final que aumenta ainda mais o torque que chega às pontas de eixo.

A melhor orientação e qualificação teórica e prática dos operadores destas máquinas e veículos,

aliada à correta aplicação dos caminhões às operações que deverão executar no ambiente da cultura

contribuirão para a redução das falhas catastróficas destes componentes, que apresentam elevados

custos, causam longo tempo de indisponibilidade aos equipamentos e, ainda, pela natureza da falha

catastrófica que sofrem, propagam os danos para outros componentes do sistema veicular aonde estão

inseridos, o que aumenta ainda mais o custo e o tempo de reparo, reduzindo a disponibilidade

mecânica destes equipamentos para os processos produtivos onde se aplicam. A capacitação da mão-

de-obra envolvida na operação mitiga, mas não elimina a ocorrência das falhas, com as quais

contribuem não só o fator operacional, mas as condições altamente voláteis dos ambientes por onde

trafegam os veículos, com diferentes características de solo, umidade e topografia; além das

condições extremas de carga a que os veículos são submetidos, que excedem a capacidade legal e,

algumas vezes, até mesmo a capacidade técnica para a qual os veículos foram projetados, comparados

a outras aplicações menos exigentes. A correta aplicação do trator ao implemento que se pretende

tracionar, bem como a observância das instruções e orientações contidas no manual de instruções do

implemento contribuirão para a operação mais rentável, produtiva e eficiente do conjunto.

O presente trabalho visa analisar, a luz da técnica, quebras catastróficas de semieixos de

transmissão de veículos e máquinas agrícolas recolhidos em duas operações agrícolas diferentes: de

caminhão transbordo em colheita mecanizada de cana e em trator na operação de plantio mecanizado

de cana.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Conforme a orientação dos elementos de um corpo de prova (provete) torcionado, as tensões

podem ser normais ou de cisalhamento, provocadas pelo mesmo carregamento. Elementos com faces

perpendiculares ao eixo de uma barra circular (a) estão sob cisalhamento puro; ao passo que

elementos angulados sofrem tração e cisalhamento. Um elemento posicionado a 45º com o eixo da

peça está submetido a tensões de tração e compressão mútuas e em faces opostas, com valor em

módulo igual à tensão de cisalhamento máxima do material. Todas as tensões observadas têm

intensidade proporcional ao torque nas extremidades, à distância radial do elemento ao eixo da barra

e ao momento polar de inércia da seção. (BEER, JOHNSTON, DEWOLF; 2010). A figura 1 abaixo

ilustra a condição analisada.

Figura 1. Análise de tensões de elementos perpendicular e angulado numa barra circular.

FONTE: BEER, JOHNSTON; 1995.

Materiais dúcteis (a) geralmente quebram devido a cisalhamento. Um corpo de prova dúctil, sob

esforço de torção, rompe num plano perpendicular ao seu eixo longitudinal. Materiais frágeis (b) falham por tração. Um corpo de prova de material frágil submetido a torção romperá ao longo de

superfícies perpendiculares à direção na qual a tensão de tração é máxima, em ângulo de 45º com o




eixo longitudinal da peça (BEER, JOHNSTON, DEWOLF; 2010). A figura 2 abaixo ilustra esta

condição para ambos os casos supracitados.

Figura 2. Ruptura de corpos de prova dúctil (a) e frágil (b) sob esforço de torção.

FONTE: BEER, JOHNSTON, DEWOLF; 2010.

Quando ocorre a flexão em rotação, todos os pontos da periferia são pressionados uns contra os

outros, sendo ocasião para início de trincas, com compressão e atrito entre suas extremidades. Estes

movimentos relativos ocultam marcas superficiais, mas não as que ficam mais profundas na peça.

Daí a necessidade de análise das duas partes de uma peça quebrada. Pontos de concentração de tensão

não oferecem maiores riscos quando de flexão, mas são mais agressivos quanto à torção. É comum

que as trincas surjam em pontos de concentração de tensão e se propaguem em ângulo de 45 graus.

Rebaixos na circunferência do eixo podem apresentar valores de tensão equivalentes ao quádruplo da

tensão cisalhante, excedendo também, por conseguinte, a tensão de escoamento. A fratura é

perpendicular ao plano de tensões em 45 graus, com formas de cone ou estrelada (MONTEIRO,

2004). A figura 3 apresenta as marcas observadas em peças avariadas decorrentes de fadiga torcional.

Figura 3. Frentes de trincas em peças sujeitas a fadiga torcional.

FONTE: WULPI, 1991 apud MONTEIRO, 2004.




Trincas podem surgir e se propagar desde regiões mais solicitadas, e provocadas por tensões de

tração, e não de compressão. Para grandes solicitações, 90% da vida em fadiga do material se esvai

pela nucleação e propagação das trincas, proporção que aumenta para elementos entalhados. A

propagação de trincas possui três estágios: 1) a nucleação de superfície e propagação por eixos a 45

graus, crescendo à taxa de µm/ciclo (micrometros por ciclo). Uma vez nucleadas, se propagam por

planos até encontrar os contornos de grão da estrutura cristalina do material, avançando mais alguns

décimos de milímetro; 2) propagação perpendicular ao eixo de tensão, quando a trinca apresenta

estrias que indicam o número de ciclos de carregamento que as ocasionaram, sendo que a frente de

trinca provoca deformação plástica adiante de si, igualando-se à espessura do material, e; 3) ruptura

catastrófica, tendo crescido também perpendicular ao eixo de tensão, só que instantaneamente

(MAGNABOSCO, S/D). A figura 4 ilustra esta condição.

Figura 4. Os três estágios de propagação de uma trinca de fadiga.

FONTE: MAGNABOSCO, S/D.

As trincas crescem a cada ciclo formando as chamadas marcas de praia, sendo possível notar na

peça onde ocorreram os três estágios da falha. A figura 5 a seguir mostrará uma representação

esquemática da superfície de fratura de um componente que falhou por fadiga. Note-se o ponto de

iniciação da trinca, costumeiramente na superfície, seguida de uma região de propagação da falha,

onde estão presentes as marcas de praia e a região de ruptura catastrófica, quando a dimensão da peça

já não suporta as tensões existentes (MAGNABOSCO, S/D).




Figura 5. Esquema das superfícies características de uma fratura por fadiga: nucleação, propagação e

instabilidade da trinca.


A nucleação e a propagação de trincas acarretam deformações plásticas localizada, com pequenas

sobrecargas cíclicas levando à liberação de discordâncias, facilitando a sua movimentação, nucleação

e propagação das trincas. Situações reais de emprego dos componentes possuem leves sobrecargas

que não ocorrem em ensaios padronizados e controlados de laboratório. Elevadas sobrecargas

destravam discordâncias mesmo em materiais de limite de fadiga conhecido e dando sequência a

falhas por fadiga, pelo que o conceito de limite de fadiga tende a cair em desuso. A figura 6

apresentará o aspecto e a solicitação mecânica à qual está sujeita uma trinca durante um ciclo do

carregamento cíclico, desde carga nula (a), aumentando-se a tração até o valor máximo (c), seguida

de pequenas cargas compressivas (d) aumentando até o valor máximo (e). Este comportamento é

típico em metais dúcteis e polímeros (MAGNABOSCO, S/D).

Figura 6. Estágios de solicitação de uma trinca de fadiga.


Fraturas frágeis em eixos ocorrem porque certos materiais simplesmente não assimilam

deformações plásticas quando há uma tensão de raiz num entalhe, por exemplo, especialmente em

baixa temperatura. Fraturas frágeis se tornam súbitas, com velocidades de propagação de até 1830




m/s (metros por segundo), sem sinais de distorção onde a fratura começou. Fraturas flexíveis

acontecem porque porosidades internas na peça vão se juntando e mostram distorções na superfície

de fratura semelhante aos observados em ensaios de tração e torção. Quando o eixo sofre um único

carregamento onde ocorre tensão maior que a de escoamento, acontece deformação plástica antes da

quebra, sendo visível em inspeção visual de um eixo tensionado e quebrado, mas difícil de

diagnosticar quando se trata de esforço de torção. A capacidade de o material sofrer deformação

plástica é a chamada ductilidade. A aparência da superfície do eixo com falha dúctil também depende

da forma de eixo, do tipo de tensão da taxa de carregamento e até da temperatura (de acordo com a

liga). Esta ductilidade é reduzida mediante endurecimento por trabalho a frio ou tratamento térmico,

pela presença de entalhes, filetes, furos, arranhões, inclusões, poros e também redução da

temperatura. Fraturas dúcteis de eixos são raras em condições normais de operação, mas podem

ocorrer quando fatores de serviço são mal concebidos, se os materiais não tiverem a resistência

projetada ou por forte sobrecarga fortuita. Erros de fabricação, aplicação ou tratamentos térmicos

incorretos podem também resultar em fraturas dúcteis. O diâmetro influi, porque suas variações para

menor são maiores locais de concentração de tensões (MONTEIRO, 2004). A figura 7 ilustra a

influência da forma de alívios em eixos quanto à fluência das tensões.

Figura 7. Fluência axial de tensões através de diferentes formatos de alívios.

FONTE: WULPI, 1991 apud MONTEIRO, 2004.

A zona entre o corpo e a aba perpendicular (a) concentra a tensão quando da transição do diâmetro

maior para o diâmetro menor. Um adoçamento de raio de conformação mais longo (d), permite à

tensão fluir melhor. Mas o filete deve ser concebido tangente à menor seção, para que não haja outro

canto vivo que anule o benefício da conformação empregada.

As falhas nos semieixos veiculares podem ocorrer principalmente por choque ou por fadiga.

Sobrecarga marginal repetida em um semieixo poderá causar quebra torcional e simétrica, em forma

de estrela nas regiões estriadas. Originalmente, o padrão radial cônico estrelado começa na raiz dos

dentes adjacentes ao perímetro externo do eixo, acabando por quebrar no meio. Fadiga torcional

invertida por sobrecarga marginal do veículo retarda a falha do semieixo por fadiga. A forma

simétrica de estrela é indício de fadiga se deu por choques repetidos contra a área estriada de um eixo

rotativo (MERITOR, 2004). A figura 8 mostra um semieixo avariado deste modo.




Figura 8. Semieixo danificado por fadiga de sobrecarga marginal repetitiva.

FONTE: MERITOR, 2004.

Às vezes, em superfícies estriadas, um sinal de carga de choque pode parecer bem diferente

daqueles de fadiga torcional com peculiaridades como vistas em áreas lisas (MERITOR, 2004). A

figura 9 mostra um semieixo quebrado devido a choque torcional severo. Observe-se as estrias

encurvadas, já usinadas de fábrica, bem como a parte interna do material uniformemente cristalina.

Figura 9. Semieixo danificado por fadiga devido a choque torcional severo.





Sobrecarga marginal repetitiva também pode ser causa de falhas não só no estriado como no corpo

do semieixo, conforme ilustra a figura 10.

Figura 10. Dano por sobrecarga marginal repetitiva no corpo do semieixo.


Quando se fala em falha por choque, o semieixo quebra quando é submetido a um impacto

repentino e forte que exceda a capacidade de resistência do material. Carga de choque pode causar

fratura instantânea, quebrando-os ou causando-lhes fadiga ou falhas posteriores. Quando a carga de

choque é aplicada ao material do componente além do limite elástico e com forte carga de impacto,

sua quebra instantânea poderá ocorrer. A quebra poderá aparecer ou em forma lisa e suave ou com

áspera e angular. Eixos submetidos a cargas torcionais podem quebrar perpendicularmente ao eixo.

Quando eixos são submetidos a cargas de torção, a quebra também pode ocorrer a aproximadamente

45º do eixo (MERITOR, 2004). As figuras 11 e 12 apresentam dois exemplos de falhas por cargas de

choque, perpendicular ao eixo da peça e a 45º, denotando falhas de características dúctil e frágil,

respectivamente.




Figura 11. Falha de semieixo por carga de choque, de característica dúctil.


Figura 12. Falha em semieixo por carga de choque, de característica frágil.


Muitas vezes a carga de choque não produz falha instantânea, mas deixa o componente trincado

ou enfraquecido. Dependendo da severidade do choque, a falha definitiva poderá ocorrer depois

(MERITOR, 2004). A figura 13 apresenta um exemplo de falha postergada, iniciada por carga de

choque.




Figura 13. Falha em semieixo iniciada por carga de choque, de ocorrência posterior.


A intensidade da carga de choque aplicada aos semieixos pelo powertrain do veículo varia de

acordo com a marcha selecionada, o torque do motor (que varia dentro da faixa de rotações de

operação do motor) e a velocidade de acoplamento da embreagem por parte do operador. Quando a

carga não é suficiente para fraturar o componente por choque imediatamente, um dos modos de falha

possíveis, levará à fadiga da peça, implicando no outro modo de falha possível (MERITOR, 2004).

3. METODOLOGIA

O trabalho foi dividido nas seguintes etapas:

1. Escolha e caracterização dos veículos a serem estudados;

2. Caraterização das particularidades de cada uma das operações analisadas;

3. Caracterização das peculiaridades dos equipamentos e implementos adotados em cada uma

destas operações e sua contribuição para a potencial ocorrência das falhas analisadas;

4. Caracterização das peças a serem analisadas;

5. Coleta de imagens de semieixos avariados para análise comparativa e definição das causas das

falhas.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Para a operação de transbordo de cana-de-açúcar no processo de colheita, desde as colhedoras de

cana até os caminhões que a transportarão para o beneficiamento, há dois tipos de veículos que

realizam esta tarefa: o caminhão transbordo é da marca Volvo, modelo VM 260 6x4R, equipado com

uma carroceria tipo transbordo montada sobre o chassi do veículo e atrelado a um transbordo de

arrasto por ele tracionado, de modo que haja dois compartimentos de carga recebendo material da




colhedora num mesmo instante. A figura 14 ilustra um caminhão de transbordo de cana usado nesta

operação.

Figura 14. Caminhão transbordo de cana-de-açúcar.

FONTE: VOLVO, 2018.

Estes caminhões são equipados com pneus de alta flutuação em todas as rodas, sobretudo nas

rodas de tração. Estes pneus possuem 600 milímetros de largura e formato de banda de rodagem que

favorece a tração mesmo em solo mais solto e menos preparado para o tráfego regular de veículos. O

principal motivo da aplicação destes pneus é a melhor distribuição do peso do veículo sobre o solo,

visando menor compactação no trajeto do veículo nas entrelinhas da cultura. A figura 15 mostra mais

detalhadamente um pneu de alta flutuação.

Figura 15. Pneu de alta flutuação.

FONTE: TRELLEBORG, 2018.

Ocorre que, no tráfego dentro das áreas de cana, por vezes o veículo enfrenta situações de perda

de tração, que ocorre porque os pneus de alta flutuação distribuem melhor a carga sobre o solo. Logo,

a força de atrito com o terreno, diretamente proporcional à força normal exercida pelo solo contra o




pneu, e vetorialmente oposta ao peso, é reduzida. Os semieixos sofrem cargas de choque quando estes

pneus subitamente retomam a tração sobre o solo, durante tentativas do operador de remover o veículo

da condição de baixa aderência; bem como de tentativas infrutíferas de se arrancar com o veículo,

nas quais o operador eleva consideravelmente a rotação do motor, transferindo potência em demasia

para a transmissão e de forma abrupta pelo acoplamento forçado da embreagem. Esta potência

demasiada seria dissipada para o solo com a patinação das rodas, por vezes impedida pela retomada

de aderência dos pneus, em função do desenho dos blocos da banda de rodagem. A operação destes

caminhões no solo preparado dos talhões de cana também demanda maior cuidado, uma vez que os

pneus de alta flutuação empregados nestes veículos minimizam drasticamente a possibilidade de que

as rodas patinem, impedindo que excessos de torque sejam dissipados para o solo, fazendo com que

sejam dissipados internamente nos componentes da transmissão.

Para a operação de plantio mecanizado da cana-de-açúcar é empregado um conjunto trator-

implemento formado por um trator agrícola de rodas pesado da marca John Deere, modelo 7225J;

atrelado a uma plantadora de cana marca DMB, modelo PCP 6000. As figuras 16 e 17 a seguir

ilustram os dois equipamentos que formam um conjunto de plantio mecanizado de cana.

Figura 16: Trator agrícola de rodas JOHN DEERE 7225J.

FONTE: Minas Verde John Deere, 2016.

Figura 17: Plantadora de cana DMB PCP 6000.

FONTE: DMB, 2018.




A operação do conjunto de plantio de cana é uma condição bastante atípica e exigente para o

trator, embora este seja projetado para as mais difíceis tarefas em ambiente agrícola. A severidade

desta operação será explanada pelas considerações abaixo:

• A plantadora de cana é um equipamento bastante pesado, tendo um peso vazio de

7.700kg (sete mil e setecentos quilogramas), mais pesado do que qualquer outro

implemento agrícola normalmente empregado em outras operações (DMB, 2016);

• Além do elevado peso da máquina vazia, em ordem de marcha para trabalho, ela ainda

receberá cerca de 6.000kg (seis mil quilos) de rebolos de cana-muda; 1250kg (mil

duzentos e cinquenta quilos) de adubo químico e 600L (seiscentos litros) de calda de

inseticida (DMB, 2016). O peso total da máquina em ordem de trabalho será, portanto,

de 15.500 kg (quinze mil e quinhentos quilos);

• Por motivo ignorado, e conforme observações em campo, nota-se que os operadores

dos tratores que tracionam estes conjuntos de plantio mecanizado de cana operam o

conjunto de modo que a plantadora trafega com a dianteira suspensa, apoiada sobre o

trator. O manual de instruções do implemento determina que a profundidade dos sulcos

seja regulada ajustando-se a altura das rodas de profundidade do equipamento; de tal

sorte que a plantadora deve operar sendo baixada completamente ao solo, de modo que

o trator apenas tracione a plantadora durante a operação, devendo sustenta-la somente

para transporte e manobras.

O semieixo do caminhão é uma barra metálica forjada e usinada com estrias em uma de suas

extremidades, onde é aplicado o torque proveniente do conjunto diferencial e do par de engrenagens

do redutor ortogonal coroa-pinhão; e flangeada na outra extremidade, onde é aparafusada ao cubo de

roda para efetivamente transmitir o torque para as rodas do veículo. A figura 18 ilustra um semieixo

de caminhão.

Figura 18. Semieixo veicular típico.


Já a ponta de eixo do trator é uma peça forjada e usinada, tendo a extremidade que vai dentro da

transmissão com estriado para permitir o acoplamento ao disco de freio e na metade mais externa do

corpo do eixo possui uma cremalheira usinada, como parte do mecanismo de ajuste de bitola traseira

das rodas. A figura 19 mostra alguns componentes do eixo traseiro do trator, tendo a ponta de eixo

destacada como a posição 15.




Figura 19: Componentes do eixo traseiro do trator, com ponta de eixo em destaque.

FONTE: JOHN DEERE, 2018.

A figura 20 apresenta uma imagem de uma fratura no corpo de um semieixo de um caminhão,

retirado do veículo após sua falha catastrófica e intervenção para manutenção corretiva.

Figura 20: Fratura no corpo do semieixo de um caminhão transbordo.

FONTE: Acervo do Autor.

A informação colhida com alguns dos envolvidos no trabalho de manutenção corretiva do veículo

de onde a peça avariada foi removida dá conta de que o operador trafegava com o veículo carregado

por uma estrada secundária dentro de uma fazenda, quando depois de ter vencido um aclive em que




o veículo patinava continuamente e tendo feito reduções graduais de marchas, o veículo readquiriu

tração novamente de forma súbita, quando se ouviu o estalo característico da fratura de metal. A

primeira constatação de quebra de semieixo é realizada em campo quando o operador tenta

movimentar o veículo desligando o dispositivo de bloqueio do diferencial longitudinal (diferencial

entre eixos, por procedimento acionado para tráfego dentro dos talhões de cana): em caso de avaria,

o veículo não se movimentaria, o que indicaria que todo o torque do motor transmitido para os eixos

estaria sendo dissipado para a roda cujo semieixo está avariado, requerendo menor esforço para ser

movimentada do que as rodas que deveriam tracionar o veículo. O acionamento do bloqueio do

diferencial longitudinal descaracteriza a existência da falha pelo fato de que ambos os eixos traseiros

recebem torque por igual da transmissão, o que faria com que somente um dos eixos, tendo os dois

semieixos íntegros, movimentasse o veículo. As marcas de amassamento na região da fratura

demonstram exatamente o cisalhamento induzido entre as superfícies da peça avariada, quando da

realização do procedimento acima descrito.

Comparando-se o aspecto visual da avaria com os modelos teóricos e referências obtidas na

literatura, depreende-se que este tipo de falha é de um material frágil (ver figura 2); característica

comum de aços ligados projetados para alta resistência mecânica, tendo falhado sob esforço de torção

puro, considerando-se que o semieixo do veículo opera alojado na carcaça do eixo traseiro apoiado

por mancais de rolamento em ambas as suas extremidades, sem a ocorrência de esforço de flexão.

Além disso, a causa desta quebra foi a sobrecarga marginal repetitiva (vide figura 10). É um resultado

plausível, levando-se em conta que por diversas vezes o veículo é submetido a tentativas

indiscriminadas de início de movimento em condições adversas, com as rodas bloqueadas por

afundamento em solo fofo ou enterradas em buracos provocados por patinação excessiva, de modo

que o operador recorre a altas rotações do motor, marchas com elevada razão de multiplicação de

torque e com acoplamento demasiadamente rápido da embreagem, o que transfere elevado esforço

em curtíssimo intervalo de tempo aos semieixos, gerando sobrecargas.

A figura 21 abaixo ilustra outra avaria semelhante detectada num semieixo idêntico ao avaliado

anteriormente, porém na extremidade que liga o semieixo à engrenagem satélite do mecanismo

diferencial.

Figura 21: Fratura na extremidade do semieixo de um caminhão transbordo.





Analogamente à análise feita anteriormente, trata-se de fratura de material frágil, haja visto que

se trata de componente do mesmo tipo. Desta feita, não houve coleta de informações acerca das

circunstâncias da falha. Entretanto, este tipo de falha se deve à fadiga de sobrecarga marginal

repetitiva (vide figura 8). É possível notar novamente a existência de uma região cisalhada no topo

da parte avariada, já explicada anteriormente. É também possível notar a existência de marcas de

praia (ver figura 5), indício mais comum de fadiga, onde as frentes de trincas têm origem no fundo

das estrias, propagando-se para o interior da peça, reduzindo a seção do material até que a seção

transversal remanescente já não seja mais suficiente para suportar o esforço requerido. Note-se

também que ocorreram duas frentes de trincas se propagando por direções diferentes na peça, de

modo que uma se propagou mais intensamente do que outra (onde ocorreram as maiores marcas de

praia), o que permite afirmar que estas são fruto de concentração de tensões moderada (conforme

figura 3), tendo em vista o tratamento térmico para alívio de tensões a que as peças são submetidas,

possivelmente após a execução da usinagem do estriado, durante a fabricação dos componentes. Caso

não houvesse este processo de alívio de tensões, as frentes de trincas se manifestariam em maior

número, tendo comprometido toda a orla da seção transversal da peça, mantendo o núcleo mais

íntegro e vindo a falhar de outra forma.

A figura 22, por sua vez, mostra um exemplar danificado de uma ponta de eixo de um trator

empregado no plantio mecanizado de cana-de-açúcar.

Figura 22: Ponta de eixo de trator do plantio mecanizado danificada.


A análise da imagem permite observar claramente duas regiões com marcas de praia, que tem

início a periferia da seção transversal da peça. Uma delas, vista em primeiro plano, propagou-se mais

rapidamente do que a outra, observável, desde o canto inferior direito da imagem. Ambas

contribuíram para a falha catastrófica da peça, mesmo que somente uma delas poderia levar a este

resultado, embora num intervalo de tempo maior. A presença das marcas de praia denota claramente

que esta peça foi solicitada em flexão. A presença de duas frentes de trincas nucleadas em dois pontos

diferentes permite concluir que a peça esteve submetida a flexão desde pontos diferentes, cada um




exposto periodicamente ao esforço de tração-compressão proveniente da rotação do eixo em trabalho.

A quebra ocorrida num plano praticamente perpendicular ao eixo da peça permite também concluir

tratar-se de um material dúctil. É uma hipótese plausível, já que é inconveniente selecionar um

material frágil para a fabricação de uma peça que será submetida a esforço de flexão. No caso da

ponta de eixo do trator, submetida a esforços combinados de flexão e torção, a opção pelo material

dúctil é a mais sensata.

5. CONCLUSÃO

Falhas catastróficas de semieixos dos caminhões transbordo empregados na colheita de cana-de-

açúcar, mais especificamente, estão relacionadas a práticas operacionais abusivas. Cabe, portanto,

aos frotistas que trabalham com este tipo de veículo, investir na conscientização dos seus operadores

sobre os tópicos discorridos no presente trabalho, procurando somente simplificar os termos teóricos

relacionados a Resistência dos Materiais para melhorar a compreensão por colaboradores de menor

nível de escolaridade.

Novos projetos de caminhões transbordo melhor adequados para estas operações contam com

eixos traseiros de maior capacidade técnica, que possuem semieixos de maior diâmetro, dispositivo

autoblocante que impede a patinação indiscriminada das rodas e transmissão automatizada, onde a

velocidade de acoplamento da embreagem é controlada eletronicamente pelo módulo de controle da

transmissão, o que suaviza a transferência de torque para os eixos traseiros e para as rodas e, por

conseguinte, praticamente eliminam a ocorrência de falhas desta natureza.

A pura e simples observância das recomendações contidas no Manual de Instruções e Operações

da plantadora quanto à regulagem da profundidade de abertura dos sulcos através da roda de

profundidade, de modo que o trator apenas tracione e não sustente a plantadora durante a operação,

já seria suficiente para mitigar a falha aqui analisada. Uma vez que o trator só suportaria uma parte

considerável do peso da plantadora em ordem de marcha quando das operações de transporte e de

manobras, por um período naturalmente menor do que o período de operação, a vida útil das pontas

de eixo seria substancialmente aumentada, podendo até aproximar-se muito da vida útil projetada

para o componente em operações típicas.

6. AGRADECIMENTOS

Às equipes de Manutenção Automotiva das unidades de Ivaté e Tapejara da Usina de Açúcar

Santa Terezinha Ltda., onde foi possível vislumbrar esta modalidade de falhas, e donde sobreveio a

motivação para a elaboração do presente trabalho, como forma de analisar criteriosamente e propor

alternativas para a mitigação destas anomalias.

7. REFERÊNCIAS

BEER, F. P.; JOHNSTON JR., E. R.; DEWOLF, J. T. Resistência dos Materiais – Mecânica dos

Materiais. Porto Alegre, AMGH, 2010, 4. ed., p. 133.

BEER, F. P.; JOHNSTON JR., E. R. Resistência dos Materiais. Trad. Celso Pinto Morais Ferreira.

São Paulo, Pearson Makron Books, 1995, 3. ed., p. 209.

DMB. Manual de Instruções e Operações – Plantadora de Cana Picada PCP 6000. Sertãozinho,

2016. Disponível em: <http://www.dmb.com.br/admin/public/img/manual-pcp-6000-23-06-16.pdf>.

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jun. 2018.

VEHICLE SEMI-SHAFT FAILURES IN AGRICULTURAL OPERATIONS

Darlan Cavalaro, [email protected]

Reginaldo de Araújo Silva, [email protected]

1Universidade Paranaense, Departamento de Engenharia Mecânica. 2Universidade Paranaense, Departamento de Engenharia Mecânica.




Abstract: Semi-shafts are automotive systems components designed for power transmission from

the engine, passing through the gearbox and rear axle (orthogonal reducer + differential mechanism)

for the vehicle wheels, giving them a necessary traction to the movement. They are highly

conditioned and built for hard working conditions they must support. However, these components in

off-road trucks and agricultural tractors used to break due to excessive efforts than engineered, that

can be attributed to: severe terrain conditions; abnormal duties for operational issues of the vehicles;

high flotation tires applied, that avoid slipping and torque dissipation to terrain and; mistake

implements operation, much heavier than the classics agricultural operations. The real-life cases of

breaks in sugarcane transport trucks used to damage other parts of the transmission, increasing costs

and time to repair, keeping them unavailable for a longer time. This article seems to analyze real

failure situations of sugar cane tipper trucks and heavy-duty wheeled tractors, by visual comparisons

between theorical models from Material Strength discipline and OEM analysis data, providing failure

diagnosis (overload, shock, fatigue) and characterizing semi-shafts material, if ductile or fragile,

depends on failure mode. Consider that most of the failures are due to erratic operation, a better

operator’s training will contribute to reduce these kind of failures; besides to projet evolutions and

improved application criteria for the equipments.

Keywords: semi-shafts, transmission, truck, tractor, failure.

falhas de semieixos veiculares em operaÇÕes ......falhas por fadiga, pelo que o conceito de limite...

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