Escola de Engenharia Industrial de Volta RedondaUFF - Universidade Federal Fluminense

SELEÇÃO DE MATERIAIS

PROJETO DE PÁRA-CHOQUES PARA VEÍCULO LEVE

Autores:

Alonso Lopes

Luiz Gustavo Félix

Marcelo Araújo de Carvalho

Rafaela Martins Meneleu Pedroso

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ÍNDICE

INTRODUÇÃO 3

DESENVOLVIMENTO 4

1. Teste de Impacto SAE J980a 4

2. Índice de Mérito 5

3. Carta de Seleção dos Materiais 7

4. Avaliação dos mapas – Vantagens e desvantagens 9

CONCLUSÃO

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REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 10

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INTRODUÇÃO

Talvez uma das tarefas mais importantes que cabe a um engenheiro realizar seja a seleção de materiais envolvidos em projetos de um componente. Decisões inapropriadas ou inadequadas podem ser desastrosas tanto do ponto de vista econômico quanto de segurança. Em primeiro lugar, projeto pode significar projetar novos materiais com combinações únicas de propriedades. Alternativamente, o projeto pode envolver a seleção de um novo material possuindo uma melhor combinação de características para uma aplicação específica; a escolha do material não pode ser feita sem se levar em consideração os processos de fabricação necessários (como soldagem, conformação, etc.), os quais também dependem das propriedades dos materiais. Projeto pode significar o desenvolvimento de um processo para a produção de um material com melhores propriedades.O número de materiais disponíveis para a engenharia é muito grande, portanto como o engenheiro deve escolher o melhor material para o seu propósito tornando necessário o desenvolvimento de um método para estreitar a escolha num pequeno grupo de materiais onde o projeto possa ser aplicado. Utiliza-se o método de Índices de Mérito onde são avaliadas as solicitações e respostas esperadas pelo material na sua aplicação e são desenvolvidos cálculos baseados na forma como as propriedades do material se comportarão em determinada aplicação.Usando um banco de dados, chamado CES, seleciona-se o grupo de materiais apropriados, baseado nos critérios desenvolvidos. O objetivo deste trabalho é desenvolver um método para a avaliação de pára-choques para veículos leves, dos quais se espera que absorvam pequenos impactos a baixas velocidades elasticamente, baseados em testes normalizados, que medem a capacidade e eficiência, tendo como qualidade uma redução no peso do automóvel.Ao final deste trabalho será indicada uma listagem de possíveis materiais a serem utilizados na fabricação do pára-choque que possam desempenhar o papel adequadamente.

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DESENVOLVIMENTO

Começamos o processo de execução de um projeto a partir de uma perspectiva de seleção de materiais, para uma dada aplicação, a seleção de um material que apresenta uma propriedade ou uma combinação de propriedades ótima ou desejável. Os elementos desse processo de seleção de materiais envolvem a decisão dos limites do problema e, a partir daí o estabelecimento de critérios que podem ser usados na seleção de materiais para maximizar o desempenho.

1. TESTE DE IMPACTO SAE J980a

Neste teste é calculada a energia mínima que o pára-choque deve suportar no impacto, bem parecido com um Ensaio de Charpy. A massa padrão de 4000lb (1815,5 Kg) é abandonada de uma altura pré-definida pelo braço do pêndulo de 132 pol (3,3528m) e pelo ângulo padronizado , ambos determinados pela norma SAE J980a.Este teste tem a finalidade de transformar energia potencial em energia cinética

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que deve ser absorvida pelo pára-choque por meio da deformação elástica.

Calculamos então:

EP=mghh=3 ,3528−3 ,3528 cosφ

Onde:

m = 1814,4 kgg = 9,81 m/s2

Logo:

EP=U e=1814 ,4×9 ,81×(3 ,3528−3 ,3528×cosφ )=59677 ,37−59677 ,37cosφ

Com o ângulo determinado, e as propriedades dos materiais definidas

é possível determinar qual terá melhor desempenho avaliando

características técnicas e econômicas.

2. ÍNDICE DE MÉRITO

O pára-choque tem a função básica de absorver energia mecânica conforme ele se deforma elasticamente. Espera-se que o impacto seja absorvido elasticamente e de forma leve. Para determinarmos os índices de mérito consideramos as seguintes hipóteses:

O pára-choque tem um comportamento igual ao de uma viga elástica;

A forma do pára-choque é considerada como uma viga de comprimento l e seção transversal A;

O pára-choque ao sofrer o impacto flexiona elasticamente de δ. Toda a energia de impacto deve ser absorvida no campo

elástico da curva σxε conforme figura abaixo:

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Pela figura apresentada observamos que a área abaixo da curva da região elástica do material limitada pelo limite de escoamento é a energia absorvida por um material elasticamente.

A Energia Elástica é dada por U e=

12Feδ

.

Na região elástica a Lei de Hooke diz que

δ=

Fel

AE , e Fe=Se A .

Substituindo então a energia elástica é dada por U e=

Se2Al

2E , onde Al = V,

logo U e=

Se2V

2E .

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Necessitamos de uma redução de massa então esta formulação pode ser acrescida do critério de redução de massa substituindo o volume

pela densidade do material resultando de ρ=m /V .

U e=Se2m

2 Eρ

e a quantidade de energia absorvida por unidade de massa será

U em

=[ 12 ][ Se2Eρ ]

O objetivo de um pára-choque é absorver a maior energia elástica com a menor massa, então devemos deduzir um Índice de Mérito maximizando a grandeza Ue/m, de forma a obter o seguinte Índice de Mérito para o pára-choque

M 1=Se2

Eρ

Onde:Se – Limite de EscoamentoE – Módulo de Elasticidade - peso específico (densidade do material)

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3. CARTAS DE SELEÇÃO DE MATERIAIS

O próximo passo é determinar as cartas a serem aplicadas na seleção dos materiais que melhor se adéquam a aplicação do pára-choque. Para isso é necessário linearizar o primeiro índice de mérito obtido.

M 1=Se2

Eρ → logM 1=2 log Se− log (Eρ )

log Se=12 [logM 1+ log (Eρ ) ]

→log Se=

12

log (Eρ )+C

A Reta traçada no mapa de materiais com as propriedades de Módulo

de Elasticidade e Peso Específico na abscissa e Limite de Escoamento

na ordenada terá coeficiente angular ½.

Conforme o critério de maximização do índice de mérito todos os materiais que estão acima da reta são apropriados para o projeto do pára-choque.

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Utilizando o software de seleção de materiais CES 4.0 no nível 3, são encontradas cerca de 2970 possibilidades subdivididas em ligas metálicas de engenharia, polímeros, elastômeros e compósitos. Os cerâmicos são descartados logo na primeira seleção devido à baixa característica de conformabilidade.

4. AVALIAÇÃO DOS MAPAS – VANTAGENS E DESVANTAGENS

Após a avaliação dos mapas de seleção baseados nos cálculos dos índices de mérito, encontramos um grupo de materiais que poderão ser utilizados no projeto do pára-choque, são eles:

Polipropileno-etileno (EPM) Borracha natural Poliuretano termoplástico elastômero (PU) (b) Polichloroprene Neoprene Poliuretano elastômero.

Nós selecionamos o polipropileno-etileno (EPM) pois seu limite elástico é o maior dentre os selecionados(3,4 a 24 MPA) e seu alongamento vai de 100% a 700%, se enquadrando nas necessidade do nosso projeto.

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Em contra partida o Neoprene tem as mesmas características elásticas do EPM, porém seu alongamento é maior, dificultando sua conformação.

Descartamos os elastômeros porque apesar de ótimas características elásticas eles não são aplicáveis por causa do excesso de deformação elástica e pela dificuldade de conformação que o material apresenta.

Ligas Metálicas de Engenharia apresentam boas características de absorção de energia elástica, mas as que possuem densidades menores, são muito caras. Alguns veículos ainda utilizam essas ligas no projeto de pára-choque, por exemplo, Kombi. As ligas de alumínio possuem densidade menor que a do aço, dando lugar aos materiais compósitos que apesar de sofrerem uma queda na participação do mercado sinalizam um crescimento com a aplicação de uma matriz polimérica reforçados por fibras formando um “sanduíche” com o recheio de espuma, por exemplo, Ford Escort, VW Logus.

CONCLUSÃO

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A seleção de materiais para um elemento estrutural, como o pára-

choque para veículos leves, pode ser expressa por uma ou mais

equações aliadas às restrições de sua aplicação. A determinação

destas equações e critérios aliada a um banco de dados sistematiza a

escolha pelas melhores opções para a aplicação desejada reduzindo

as chances de erros do projetista.

Para pára-choques de veículos leves, definimos o critério de absorção

de energia elástica, pois o objetivo é evitar danos ao veículo e reduzir

o custo com pequenos reparos devido a impactos em baixa

velocidade. Com a ajuda dos critérios e ferramentas de seleção

empregados e testes que simulam o desempenho, a possibilidade de

erros do projetista por aplicação do material fica minimizada,

assegurando o funcionamento adequado do projeto e o atendimento

dos objetivos determinados por uma análise de mercado ou

necessidade do usuário final.

Observa-se que a tendência é a aplicação de compósitos mais leves e

mais eficientes dentro dos requisitos determinados, em substituição

aos tradicionais pára-choques de ligas de alumínio, também

eficientes, porém com maior peso, indo contra a busca de redução do

peso dos automóveis modernos.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

Ashby, M. F., 1992 -Materials Selection in Mechanical Desing.

Programa CES para seleção de materiaisCiência engenharia de materiais uma introdução – William D. Callister, jr.

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