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23ISSN 2237-2318

Revista Linguagem Acadêmica, Batatais, v. 9, n. 1, p. 23-40, jan./jun. 2019

Dimensionamento de engrenagens para uma caixa de redução do protótipo Baja SAE Clarengex

Lucas Henrique FRANÇA1

Yago Aguia Grande Luiz da SILVA2

Eduardo CASARIN3

Otávio Augusto Nadai de BARROS4

Resumo: Em veículos com motores a combustão interna, a conversão de saída entre o motor e as rodas é alcançada pela combinação das forças que ocorre no Powertrain. O Powertrain é todo o sistema de que alguma forma realiza ou transforma as forças até a roda do veículo, isso envolve vários componentes de um carro, como o motor, embreagem, caixa de câmbio, diferencial e rodas. A caixa de redução é um dos principais elementos do sistema Powertrain, e sua função é reduzir sua velocidade angular, podendo aumentar o torque do veículo, este artigo tem como propósito analisar os pontos positivos e negativos do projeto da caixa de redução do protótipo Baja SAE Clarengex do Claretiano Centro Universitário utilizada na competição 2018/2019, e, assim, colocar em pratica após alguns estudos quais as melhores opções para o mesmo. Com essa análise, o foco está em melhorias para projetos futuros, buscando identificar e registrar os pontos positivos e negativos de uma caixa de redução com engrenagens cilíndricas de dentes retos aplicada no protótipo Baja SAE Clarengex.

Palavras-chave: Projeto. Caixa de Redução. Powertrain. Engrenagens de Dentes Retos. Baja SAE.

1 Lucas Henrique França. Bacharelando em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. E-mail: .2 Yago Aguia Grande Luiz da Silva. Bacharelando em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário. E-mail: .3 Eduardo Casarin. Bacharel em Engenharia Mecânica pela Escola de Engenharia de Piracicaba (EEP/FUMEP - 2004), Pós-graduado em Administração Industrial (2007) e Logística Empresarial (2009) pelo Instituto Nacional de Pós-graduação (INPG), Pós-graduado em Metodologia de Educação a Distância (2012) pelo Centro Universitário Claretiano de Batatais (CEUCLAR) e pós-graduado em Gestão de Projetos pela Universidad Europea del Atlántico (ESP 2019). Atualmente é docente no Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro e Engenheiro de Frota Sênior na Elektro Redes S.A. Orientador do Projeto Baja SAE Clarengex do Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. E-mail: .4 Otávio Augusto Nadai de Barros. Mestre em Física pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP). Bacharel em Física pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (UNESP). Professor do Centro Universitário Anhanguera - Rio Claro e Piracicaba, Claretiano Colégio e Claretiano – Centro Universitário de Rio Claro. E-mail: .

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Dimensioning a reduction box for a Baja SAE vehicle

Lucas Henrique FRANÇAYago Aguia Grande Luiz da SILVA

Eduardo CASARINOtávio Augusto Nadai de BARROS

Abstract: The powertrain system is a set of several components that aims to generate movement to the vehicle, which consists of a set of engine, CVT, reduction box, transmission shafts and finally the wheels, which in turn transmit energy to generate movement. The reduction box is one of the main elements of the powertrain system, and its function is to reduce its angular velocity, which can increase the torque of the vehicle, this article has as purpose to analyze the positives and negatives of the design of the reduction box of the prototype Baja SAE Clarengex of the Claretian University Center used in the competition 2018/2019, and thus put into practice after some studies, what better options for it. Finally, with this analysis, the focus is on improvements in future projects, seeking to identify and record the positives and negatives of a reduction box with cylindrical spur gears applied in the Baja SAE Clarengex prototype.

Keywords: Project. Reduction Box. Powertrain. Gears of the Spur. Baja SAE.

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1. INTRODUÇÃO

O projeto Baja SAE Brasil tem como finalidade desafiar os estudantes de engenharia de diversas áreas a colocarem em prática o que foi desenvolvido em sala de aula, visando proporcionar ex-periências ao graduando, preparando-o para o mercado de trabalho.

Ao ingressar no programa Baja SAE, o aluno tem a possi-blidade de se envolver com casos e problemas reais da criação de um veículo off road, desde a concepção, projeto detalhado, testes e apresentações, assim se desenvolvendo para o mercado de trabalho.

O protótipo é desenvolvido com base em regras criadas pela SAE Brasil (RATBSB, 2018), que tem como objetivo estabelecer alguns padrões de segurança do carro para o condutor, permitindo que as equipes compitam de igual para igual, com o diferencial de projeto que pode se destacar ao longo da competição. Algumas dessas regras preestabelecidas são: dimensões do veículo (mínimas e máximas), algumas regras estruturais e o motor, que será comen-tado a seguir.

A competição teve início na universidade da Carolina do Sul, EUA, em 1976, e, no Brasil, as atividades relacionadas começaram em 1991, com o lançamento, em 1994, do projeto Baja SAE. Os alunos que participam da competição Baja SAE Brasil têm a tarefa de formar equipes dentro das universidades, cada uma delas subdi-vididas em 8 áreas, sendo elas: elétrica e eletrônica, cálculo estru-tural, powertrain (transmissão), freio, suspensão e direção, marke-ting e vendas e design, cada uma responsável por uma etapa que, no final, resultará no veículo. O mais interessante é que uma área depende da outra, assim, o projeto funciona como uma empresa, com regras e deveres a serem realizados, levando os participantes a trabalharem em equipe (RATBSB, 2018).

Um ponto importante que a SAE proporciona para as equipes que obtêm os melhores resultados dentro da competição, depois de terem passado por todos os tipos de provas e avaliações, é a opor-tunidade de competir nos EUA, no campeonato mundial, com equi-pes de outros níveis e de diversos lugares do mundo, o que agrega muita experiência ao estudante (SAE BRASIL, 2018).

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Com isso, os alunos devem construir um protótipo comple-to, sendo o sistema de transmissão um dos subsistemas mais im-portantes, responsável pela dinâmica do veículo e também um dos mais oportunos para inovações. Segundo o regulamento (RATBSB, 2018), o motor é padrão, sendo a combustão interna Briggs & Strat-ton Intek Pro® 10 hp de 305 cilindradas, que é um motor estacio-nário utilizado em geradores e bombas d´agua. Uma transmissão do tipo CVT (Continuously Variable Transmission), modelo Comet 790, e uma caixa de redução por engrenagens, que deve fornecer ao protótipo uma redução de velocidade e, por consequência, um torque maior do que aquele gerado apenas pelo motor.

2. RELATO DE EXPERIÊNCIA

No projeto do veículo foi desenvolvido um sistema de engre-nagens da caixa de redução para o protótipo da equipe Baja SAE Clarengex (2018/2019). A caixa de redução é composta por engre-nagens, eixos, mancais de apoio (rolamentos) e as “tampas”, que empacotam os elementos anteriores, além de chavetas, anéis elásti-cos e retentores. Este trabalho foca apenas o dimensionamento das engrenagens que foram utilizadas na caixa de redução, descrevendo os cálculos e as dimensões das engrenagens. A metodologia inicia--se através de:

1) Cálculos das forças de resistências impostas ao veículo, para definição de força trativa necessária nas rodas para que o veículo ultrapasse os obstáculos.

2) Partindo para o cálculo da redução ideal, que vai definir a relação da caixa de redução fixa.

3) E, por fim, o dimensionamento dos componentes (engre-nagens e eixos).

3. DEFINIÇÃO DE CAIXA DE REDUÇÃO

Segundo Bigaton (2018), trata-se de um mecanismo ligado através de engrenagens capaz de reduzir a velocidade de um motor,

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podendo, assim, gerar um aumento de potência, possibilitando-o trabalhar em diversos seguimentos e ajustando-o de acordo com as necessidades desejadas. Existem vários modelos de redução, no entanto, as mais conhecidas são a redução com engrenagens e a redução com polias. Neste projeto foi utilizada a redução com en-grenagens, pois esse tipo de redução nos permite a construção de um componente mais compacto e com menores perdas, o que aten-de em maiores proporções as necessidades do projeto (NORTON, 2013).

O objetivo da caixa de redução voltado para o veículo Baja SAE é ter um aumento de torque fornecido nas rodas, pois o carro precisa vencer alguns obstáculos que apenas o CVT não proporcio-naria.

4. COMPONENTES DA CAIXA DE REDUÇÃO

Após estudos e análises, foram decididos os componentes ne-cessários para a construção da caixa de redução (NORTON, 2013). Esses componentes são: um conjunto composto de 4 engrenagens, um conjunto de 3 eixos, sendo eles entrada, intermediário e saída, rolamentos, estrutura que envolve os conjuntos de engrenagens e eixos e, por fim, material a ser utilizado na construção.

5. ENGRENAGENS

Existem diversos tipos de engrenagens: elas têm a finalidade de transmitir o torque e velocidade angular em diversas aplicações, e cada uma delas tem sua aplicação.

As engrenagens possuem alguns fatores para os cálculos que são padronizados com relação à forma do dente e ao tamanho. A American Gear Manufacturers Association – AGMA apoia pesqui-sas sobre o projeto, os materiais e a manufatura de engrenagens e publica padrões para seus projetos, manufatura e montagem. Exis-tem outras companhias que fazem essa padronização, como as nor-mas DIN, porém, o trabalho foi com base na AGMA.

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De acordo com Norton (2013), o meio mais fácil de transferir movimento rotatório de um eixo a outro, é com um par de cilin-dros rodando. Se houver atrito suficiente disponível na interface de rolamento, esse mecanismo funcionará muito bem. Não haverá escorregamento entre os cilindros até que a força de atrito máxima disponível na junção seja excedida pelas demandas da transferência de torque. As principais deficiências do mecanismo de comando de rolamento de cilindro são a capacidade relativamente baixa de torque e a possibilidade de escorregamento. Alguns mecanismos de comando requerem sintonia de fase dos eixos de entrada e saída para propósito de sincronismo, isto requer a adição de alguns den-tes aos cilindros rodando, assim, eles se transformam em engrena-gens (NORTON, 2013).

Tipos de engrenagens

A cilíndrica de dentes retos tem a finalidade de variar forças e velocidades de rotação de eixos. São aplicadas a eixos paralelos ligando os dentes de uma engrenagem a outra, é um dos tipos mais simples, tornando o produto de baixo custo se comparado com os demais; no entanto, existe a desvantagem de produzir maiores ru-ídos em seu funcionamento. Esse tipo de engrenagem gera apenas os esforços tangenciais (responsáveis pelo o aumento do torque) e radiais aos eixos (BUDYNAS; NISBETT, 2011).

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Figura 1. Engrenagens cilíndricas de dentes retos.

Fonte: Budynas e Nisbett (2011, p. 680).

As engrenagens do tipo helicoidais são engrenagens em que seus dentes não são paralelos ao eixo; elas têm certos ângulos (de hélice) a ser definidos em relação aos eixos. Algumas vantagens se comparadas às engrenagens de dentes retos são que produzem um ruído menor, pois sua face de contato é menor, permitindo um es-corregamento do seu ponto de contato, o que não gera os impactos encontrados em engrenagens de dentes retos. Outro ponto impor-tante é que as engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais de mes-mo módulo e largura que as de dentes retos são capazes de suportar mais cargas, pois os dentes da helicoidal são efetivamente maiores, uma vez que estão posicionados diagonalmente. Uma desvantagem desse tipo de engrenagem é que ela produz esforços axiais, obri-gando o dimensionamento dos mancais de rolamento, além, é claro, dos esforços tangenciais e radiais (BUDYNAS; NISBETT, 2011).

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Figura 2. Engrenagens helicoidais.


As cônicas realizam alterações de rotação e direção do eixo e podem ser encontradas em modelos com dentes retos, aspirais ou helicoidais, e cada um desses modelos possui uma caracterís-tica para cada aplicação. Neste tipo de engrenagem é necessário analisar os esforços para definição do formato do dente, tendo as mesmas características das engrenagens cilíndricas de acordo com o dente, variando apenas os sentidos das forças (BUDYNAS; NIS-BETT, 2011).

Figura 3. Engrenagens cônicas.


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A engrenagem do tipo sem-fim opera de uma maneira dife-rente em relação às outras, o mecanismo consiste em uma outra en-grenagem análoga a um parafuso girar, fazendo a engrenagem sem--fim (como uma porca do parafuso) movimentar, também, através de um contato axial, porém, em uma velocidade reduzida e também envolvida por eixos não paralelos (BUDYNAS; NISBETT, 2011).

Figura 4. Engrenagem sem-fim.


Por se tratar de um tipo de engrenagem com um custo de fa-bricação menor em relação aos outros tipos, e atender os requisitos de resistências e dimensões mais compactas, a equipe optou pela utilização da engrenagem cilíndrica de dentes retos.

Material da engrenagem

O material definido para as engrenagens foi um aço 8620, que, através de alguns estudos e pesquisas com outras equipes, per-cebemos que é altamente recomendado para a construção de engre-nagens, pois além de ser considerado um material de boa liga (o que permite um material mais constante em relação a suas carac-

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terísticas físicas e químicas) é também um material que responde muito bem aos tratamentos térmicos a ele submetidos, de acordo com sua aplicação, nesse caso, a cementação.

Os aços são basicamente uma mistura de ferro e carbono, ou seja, uma liga. Em algumas ligas se utiliza elementos como silício, fósforo ou outros elementos, dependendo da finalidade do aço a ser construído. De modo geral, o aço é uma liga de ferro e carbono, onde o carbono tem uma variação de 0,05% a 2% na composição (UNTERWEISER, 1982).

Para a padronização do material, existem diversas normas técnicas para a classificação, no caso: ABNT, ISO, ASM, ASTM, SAE, DIN, AISI, BS e AFNOR.

Segundo Ogata (2013), a norma mais utilizada no país é o sistema padronizado pela SAE e AISI, no qual se baseia a ABNT para a classificação técnica. No sistema SAE/AISI, os aços são informados por números, onde, de modo geral, os dois primeiros números informam o teor aproximado do elemento liga e os dois últimos informam o teor de carbono. Logo, para identificar o teor de carbono, divide-se por 100 os dois últimos números, a fim de que se possa saber o teor.

O aço 8620 é aplicado em diversas áreas da mecânica auto-motiva, como na fabricação de pinos e buchas e para a fabricação de engrenagens, que possui várias características que beneficiam o projeto.

A sua composição química média é apresentada a seguir, jun-tamente com suas características (UNTERWEISE, 1982).

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Figura 5. Quadro de características e composição química do SAE8620.

Fonte: Adaptado de Unterweiser (1982).

A seguir, tem-se as propriedades mecânicas do material utili-zado na construção das engrenagens pela equipe.

Dureza Brinnel – 149HB Resistência a Tração – 540 MPa Limite de Escoamento – 385 MPa Alongamento Total – 30%

Tratamento térmicoO tratamento térmico utilizado para este projeto foi o da

cementação, em que, adicionando-se C (Carbono), busca-se en-durecer suas características superficiais e aumentar a resistência ao desgaste mecânico. Como as engrenagens ficarão em contato, esse processo se torna de extrema importância, porém, mantendo as mesmas propriedades internas, no caso do SAE8620, uma boa ductibilidade.

O tipo de material, bem como suas características e suas pro-priedades, além dos tratamentos térmicos utilizados, são assuntos extremamente extensos e de maior complexidade e obviamente de grande importância; porém, o objetivo principal deste artigo é a descrição de cálculos para o dimensionamento das engrenagens, então, buscamos focar as fórmulas para o dimensionamento e,

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como citado anteriormente, analisar os pontos positivos e negativos das escolhas feitas no projeto.

Dimensionamento

O projeto é composto por dois conjuntos de engrenagens, que serão analisados a seguir: dois pares de engrenagens cilíndricas de dentes retos. O primeiro par compreende a primeira redução, que é a redução de entrada, e o segundo par, a redução final, considerada redução de saída.

No início dos cálculos, foi definido, de acordo com a tabela da AGMA, que o pinhão 1 ficaria com 18 dentes.

Para todas as engrenagens foi definida uma espessura com 30mm e módulo 3. Esses valores foram definidos como questão de segurança sobre o dimensionamento, também de acordo com a AGMA. Algumas premissas devem ser definidas no início, para que os cálculos sejam validados no final. Dessa forma, poderão ser recalculados ou não, de acordo com os resultados finais dos cálcu-los de resistências.

O início do cálculo define a primeira engrenagem pinhão 1, com o número de dentes equivalente Z=18, módulo 3. Com esses valores, foi usada a equação 1 para calcular o diâmetro primitivo.

Dp = M.z (1)

Sendo:Dp – diâmetro primitivo. M – Módulo.Z – N de dentes.

Dp = 3 * 18

Dp = 54 mm

Para o diâmetro externo, usou-se a Equação 2.

De= Dp + 2 . M (2)

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Sendo:De – diâmetro externo.

De = 54 + 2 * 3

De = 60

Pela Equação 3. Tem o diâmetro interno.

D1 = Dp – 2 . 1,66 . M (3)

Sendo:Di – diâmetro interno.

Di = 54 – 2 * 1,166 * 3

Di = 47mm

Para todas as engrenagens, deve-se ter uma altura para não haver desgaste alto das engrenagens, elevando sua vida útil. Para isso, é usada a Equação 4.

H = 2,166 . M(4)

Sendo:H – Altura dos dentes.

H = 2,166 * 3

H = 6,5 mm

Em seguida, deve ser calculado o passo diametral da engre-nagem (P). Equação 5.

(5)

Sendo:P – Passo diametral.

P = (54 * π)

18

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P = 9.42 mm

Essas mesmas equações utilizadas para encontrar os valores do pinhão 1 foram usadas para as demais engrenagens, conforme a Tabela 1, a seguir.

Tabela 1. Quadro de medidas da engrenagem.

ENGRENAGEM Z M Dp De Di H PZ1 18 3 54 60 47 6,5 9,42Z2 50 3 150 156 143 6,5 9,42Z3 21 3 63 69 56 6,5 9,42Z4 58 3 174 180 167 6,5 9,42

Fonte: elaborado pelo autor.

Para determinar a distância centro a centro das engrenagens, foi utilizada a Equação 6, sendo o primeiro resultado entre os eixos 1 e 2 e o segundo resultado entre os eixos 2 e 3.

(6)

Sendo:Dc – distância centro a centro.

Dc12 = (54 + 150)

2

Dc12 = 102 mm

Dc23 = (63 + 174)

2

Dc23 = 118,5 mm

Para a tensão máxima admissível no pé do dente, é necessário determinar a força tangencial atuante, na Equação 7. A engrenagem que sofre maior esforço é o pinhão 2, pois, mesmo não estando no

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eixo de saída da caixa de redução, ela é a de menor diâmetro, sendo nela a maior força atuante. Para obter a força atuante, primeiro de-vemos descobrir o torque atuante no eixo. Equação 8.

(7)

Sendo:Tr – torque no eixo da engrenagem.Tm – torque do motor.Nm – rpm do motor.Nt – eficiência.Nr – rotação do eixo.

Tr = 18,6 * 9

Tr = 167 N.m

(8)Sendo:Ft – força tangencial.Mt – torque no eixo da engrenagem.R0 – diâmetro do eixo.

Ft = 167 N .m

0,029 m

Ft = 5772,4 N

Obtida a força tangencial que atua sobre o dente da engrena-gem, é possível obter a tensão máxima (σmax) (9).

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(9)

Sendo:σmax – tensão máxima.σmax = 5772,4 N * 3,5 * 1,0 ≤ σmaterial

30mm * 3

σmax = 209,6 N/mm² ≤ σmaterial

O dimensionamento dos componentes foi realizado de acordo com os resultados obtidos na Definição de Relação de Transmissão (4.1.2), e obtivemos o seguinte resultado (PAIOLA; BALDUINO, 2018).

Figura 6. Engrenagens da caixa de redução.

Fonte: elaborado pelos autores.

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6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Para a construção dos eixos e dos furos das engrenagens, uti-lizamos tabelas de ajustes por interferência, fornecidas pela fabri-cante dos rolamentos. Durante a montagem, o único problema que tivemos foi no ajuste dos dentes, pois, na usinagem destes, não se atentou para o fator de folga entre os dentes. Por esse motivo, de-pois de a caixa ser montada, ela travou e não conseguimos girar os eixos. Devido as engrenagens já estarem cementadas, os ajustes tiveram de ser feitos por ferramentas de cerâmica e diamante. Após o ajuste feito, a caixa foi remontada.

Os primeiros testes foram feitos na bancada, manualmente, para evitar alguma travada brusca, o que poderia causar um aci-dente. Depois dos primeiros testes, partimos para o teste em uma máquina fresadora, onde fixamos o eixo de entrada no cabeçote porta ferramenta da máquina e a caixa na mesa da máquina. Então começamos a variar as rotações da máquina, aumentado aos poucos até que chegasse próximo da rotação máxima que o nosso carro poderia chegar (aproximadamente 4000 rpm), considerando apenas a rotação do motor e a redução do CVT. Nessa situação, deixamos ela girar por aproximadamente 40 minutos, e conseguimos fazer al-gumas pequenas análises, como a temperatura das tampas da caixa e também a vibração. Quanto à temperatura, os resultados foram satisfatórios; após os 40 minutos, a temperatura da caixa estava en-tre 60° e 65°C, o que já era esperado pela equipe. Já as vibrações estavam pouco anormais, através de algumas análises e algumas discussões, chegamos à conclusão de que as vibrações poderiam ter sido afetadas pelo ajuste manual que foi feito nos dentes. Outro problema identificado foi o ruído, pois esse tipo de engrenagem, durante seu engrenamento, sofre pequenos impactos entre os den-tes na sua linha de contato, diferentemente de uma engrenagem de dente helicoidal, por exemplo, em que, durante seu engrenamento, é gerado um deslizamento entre os dentes, e não um impacto. Por fim, fizemos o teste em campo, com a caixa de redução montada no carro. Simulamos algumas situações, onde a caixa foi exposta a condições mais severas de tração, fazendo ainda o controle da

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temperatura, que permaneceu na faixa dos 60°C, e verificando, pe-riodicamente, o estado da caixa para evitar acidentes.

Enfim, pudemos concluir que uma caixa de redução com en-grenagens cilíndricas de dentes retos é bastante versátil, os cálculos e sua montagem são bem mais simples, assim como a usinagem dos dentes – apesar dos problemas que tivemos quanto ao ajuste deles, sua construção é bem mais prática relacionada aos outros tipos de dentes. Podemos citar como pontos negativos nesse tipo de engre-nagem o ruído e também seu dimensionamento. Se comparada com uma engrenagem de dentes helicoidais com mesma largura, é me-nos resistente e acaba ficando superdimensionada. De modo geral, ela se torna viável, por ter sua construção mais barata e, se for bem dimensionada, possui uma boa robustez. Por esses motivos, aten-deu todas as nossas expectativas.

REFERÊNCIAS

BIGATON, P. C. Projetos Mecânicos. Etec Cel. Fernando Febeliano da Costa – Piracicaba. 2018. Disponível em: . Acesso em: 20 abr. 2019.

BUDYNAS, R. G.; NISBETT, J. K. Elementos de Máquinas de Shigley. Porto Alegre: Bookman, 2011.

NORTON, R. Projeto de máquinas. 4. edição. Porto Alegre: Bookman, 2013.

OGATA, H. T. Determinação da Influência das tensões residuais nas propriedades de fadiga em aço SAE8620 processado com diferentes profundidades de camada de cementação. 2013. 145 f. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Paraná. Curitiba - PR. 2013. Disponível em: . Acesso em: 25 abr. 2019.

PAIOLA, G. F.; BALDUINO, R. Dimensionamento de uma caixa de redução para um veículo Baja Sae. 2018. 35 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Claretiano – Centro Universitário, Rio Claro, 2018.

RATBSB. Regulamento Administrativo e Técnico Baja Sae Brasil. Portal SAE Brasil. 2018. Disponível em: . Acesso em: 20 mar. 2019.

SAE BRASIL. Programa Baja SAE Brasil. Portal SAE Brasil. 2018. Disponível em: . Acesso em: 27 abr. 2019.

UNTERWEISER, P. M. Heat Treater’s Guide Standard Pratices and Procedures of Steel. Ohio. American Society for Metals. Metals Park. 1982.

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