Cardan shaft material selection for truck

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
SELEÇÃO DE MATERIAIS
TUCURUÍ-PA

EIXO CARDAN DE UM CAMINHÃO
TUCURUÍ-PA
DOCENTE:
MSc. PEDRO PAULO RIBEIRO
DISCENTES:
ALESSANDRO CAMPELO CARVALHO – 1033002518
CLEYTON FERNANDO LIRA LIMA – 10133002718
FAUSTO FILIPE TEIXEIRA DE TOLEDO – 10133001218
JULIANA GARCIA GAIA – 10133000618

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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO
2 ORIGEM DO CARDAN
3 VISÃO GERAL: EIXOS
4 DESCRIÇÃO DO PRODUTO
5 CONDIÇÕES DE SERVIÇOS
6 LUBRIFICAÇÃO
7 PROCESSO DE FABRICAÇÃO
8 CONSIDERAÇÕES DO PROJETO
9 MEMORIAL DE CÁLCULO
10 SELEÇÃO DO MATERIAL
11 MERCADO
12 CONCLUSÃO
13 REFERÊNCIAS

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1 - INTRODUÇÃO
Devido a configuração de caminhões, pick-ups e
utilitários do gênero, onde o motor está na parte dianteira,
mas o esforço maior está na traseira, o eixo cardan transfere
o torque gerado pelo motor por meio de outros
componentes até as rodas traseiras.
Para que seja selecionado o material adequado na
fabricação do eixo cardan de um caminhão, torna-se
necessária a aplicação de conceitos de propriedade dos
materiais, dos cálculo das tensões envolvidas, remetendo a
mecânica dos sólidos, além de outras bases provenientes de
disciplinas relacionadas.

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2 - ORIGEM DO CARDAN
Já no século XVI, alguns
estudiosos se perguntavam como fazer
para levar a força gerada pelo motor
para as rodas traseiras. Depois de alguns
experimentos engenhosos, um italiano
chamado Geronimo Cardano inventou o
eixo cardan, dando origem ao nome
conhecido hoje como eixo cardan.

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3 - VISÃO GERAL: EIXOS
Os eixos são elementos de máquina que tem a
função de suporte para outros elementos, além de que,
quando se apresentam na forma móvel transmitem
potência através do movimento de rotação.
-Constuição dos eixos
Em sua grande parte os eixos são constituídos por aços ou
ligas de aço, devido as propriedades mecânicas exigidas por
esse elemento serem melhor satisfeitas por materiais
metálicos dessa constituição .

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3 - VISÃO GERAL: EIXOS
Os aços mais empregados para construção de eixos
são os seguintes: ABNT 1015, 1020, 1025, 1030, 1040, 1045,
2340, 2345, 3115, 3120, 3135, 3140, 4023, 4140, 4340,
4615, 4620, 5140.
Tipos de eixos:
1 Eixos Maçicos
2 Eixos Vazados
3 Eixos Cônicos
Figura 1. (1) eixo maciço; (2) eixo vazado; (3) eixo cônico.
Fonte: Autores

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4 - DESCRIÇÃO DO PRODUTO
-Eixo Cardan: Tubo (eixo vazado) comprido posicionado
embaixo dos caminhões, ônibus e alguns utilitários. Cuja a
função é transmitir potência do motor para o diferencial.
Figura 2. (1) eixo cardan sem a inclinação; (2) eixo cardan com ângulo de inclinação.
Fonte: SPICER – Entendendo o eixo cardan.

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4 - DESCRIÇÃO DO PRODUTO
-Principais componentes:
Juntas Universais
Mancal Central
Figura 3. Cruzeta e demais componentes que a unem
ao eixo cardan e formam a junta universal
Figura 4. Mancal central.

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5 - CONDIÇÕES DE SERVIÇOS
O conhecimento e análise previa das condições de
serviço, onde se inclui o meio onde a peça desenvolverá
suas funções, é de suma importância na escolha do material
da mesma, uma vez que essa pode ficar exposta a altas
temperaturas, campos magnéticos, substâncias corrosivas,
etc.
No caso dos eixos a causas mais comuns de danos são:
-Quebra
-Desgaste

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6 - LUBRIFICAÇÃO
Por esse elemento aparentar ser de muita
simplicidade além de robusto, muitas vezes a lubrificação do
cardan não recebi a devida importância. No entanto, a
lubrificação dos componentes dever ser feita nos prazos
recomendados de acordo com o uso e tipo de eixo, sendo
recomendado o uso de lubrificantes de extrema pressão.
Os componentes do eixo cardan devem ser
lubrificados somente com graxas que levam sabão de lítio,
com especificação para extrema pressão.

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7 - PROCESSO DE FABRICAÇÃO
Fundição ou Usinagem
O processo de fundição além de permitir a obtenção
de formas complexas, também se mostra econômico, uma
vez que a matéria-prima passa quase que diretamente para
a forma final do produto. No entanto, a usinagem confere
melhor acabamento superficial, além de se mostrar
também econômico para a forma desejada do cardan.

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8 - CONSIDERAÇÕES DO PROJETO
Ficha técnica do motor veicular
Fabricante / Modelo MWM Motores Diesel / 4.10 TCA
Aspiração Turbo Afterculer
Ciclo de funcionamento 4 tempos
Número de cilindros e disposição 4 em linha
Cilindrada total 4.3 litros
Diâmetro x Curso 103 x 129
Sistema de injeção Mecânico
Taxa de Compressão 17:1
Potência Máxima 107 kW (145 cv)
Rotação de Potência Máxima 2600 rpm
Torque Máximo 500 Nm
Rotação de Torque Máximo 1600 rpm
Peso Seco 380 kg
Tabela 1 – dados técnicos do motor.
Fonte: MWM motores diesel, 2006.

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Figura 5. – quadro com rendimento de caixas de câmbio
Fonte: MWM

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Exigências para a escolha do material
O material que será escolhido deve satisfazer o maior
número e o mais precisamente as seguintes exigências:
-Leveza (baixa densidade);
-Rigidez (alto módulo de elasticidade);
-Resistência Mecânica:
Flexão
Torção
-Boa relação custo benefício (Preço relativamente baixo)
-Reciclagem

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9 - MEMORIAL DE CÁLCULO
O eixo é um elemento de máquina que sofre torção
para sair da inércia, o que é devido ao seu acoplamento
com outro elemento de máquina, como engrenagens,
polias, etc. No caso do cardan é o garfo (também chamado
de luva) que oferece essa resistência. A força do garfo é
transmitida parcialmente pois a angulação do garfo é de
20°.
Figura 6. Eixo com garfo
Fonte: Autores

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Figura 7. DCL
Fonte: Autores

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Para que o eixo não entre em movimento é necessário uma força
contrária, essas forças são calculadas:

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Figura 8. DCL do eixo em corte
Fonte: Autores

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A ASME (America Society of Mechanical Enginneers)
apresenta a seguinte equação para o cálculo de eixo oco
submetido à torção, flexão e carga axial.
O diâmetro externo do eixo pode ser obtido pela seguinte
equação:

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Cálculo do Índice de Mérito
Substituindo...

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Cálculo do Índice de Mérito

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10 - SELEÇÃO DE MATERIAL
Figura 10. Carta de Ashby para relação entre resistência e densidade.
Fonte: Materials selection in mechanical design, Ashby.

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Pela análise da Carta de Ashby podemos observar que
diferentes tipos de materiais satisfazem o critério do índice mérito que
relaciona tensão com densidade. No entanto, alguns desses materiais
não satisfazem os demais critérios adotados para o eixo cardan.
Recapitulando as exigências para a seleção do material:
- Leveza (baixa densidade);
- Rigidez (alto módulo de elasticidade);
- Resistência Mecânica:
Flexão
Torção
- Boa relação custo benefício (Preço relativamente baixo)
- Reciclagem

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Foi encontrado:
Cerâmicos de engenharia
Compósitos de engenharia
Polímeros
Metais
- Aços
- Ligas de Titânio
Por que os aços?
o aço possui uma grande versatilidade e abrangência de
Propriedades Mecânicas, estas podem ser reguladas pelo uso não apenas do
carbono, seu principal elemento de liga, mas também por praticamente todos
os elementos conhecidos.

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Índice de mérito e massa do eixo para de diferentes materiais metálicos
•Aços de alto teor de carbono
Limite de resistência ao cisalhamento: 1155 Mpa; Densidade: 7,8 Mg/m3

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•Aços com médio teor de carbono

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•Aços com baixa liga

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•Aços inoxidáveis

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Alto
carbono
Baixa
tenacidade
Fragilidade
Baixa liga
Baixa
resistência a
abrasão
Inoxidáveis
Custo
elevado
Médio
carbono
Tenacidade
Resistência
mecânica
Ductilidade
Considerações sobre os aços analisados:

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Afim de obedecer os critérios de seleção impostos no inicio do
projeto, optamos em escolher dentre os aços que possuem médio teor de
carbono, teores entre 0,3 e 0,6 % de carbono, pelo aço 1040, cujo tensão de
escoamento satisfaz o projeto. Sua composição é melhor detalhada na tabela a
seguir:

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11 - MERCADO
Fornecedores
VALLOUREC TUBOS DO BRASIL S.A.
Empresa que fornece o produto já na sua configuração final.
Belo Horizonte, MG
www.vallourec.com/br
Produtos fornecidos:
Tubos de Aço SEM COSTURA nas seguintes dimensões de fabricação:
Diâmetro externo (Tubos laminados): 26,9 a 355,6 mm Diâmetro externo (Tubos trefilados): 5 a 235mm Espessura
de parede: 2,3 a 38mm Comprimento: até 15m
Tubos Mecânicos
Em diversos graus de aço utilizados pelas indústrias de múltiplos segmentos na fabricação de peças, máquinas e equipamentos
Tubos Automotivos
Para rolamentos, sistemas de freio, injeção diesel, suspensão, juntas homocinéticas, cardans, barras de impacto e colunas de
direção; eixos para caminhões, ônibus, caminhonetes, pick-ups, máquinas agrícolas e terceiros eixos para trucks e carretas
AÇOS PRATES (Ipiranga - SP)
http://www.acosprates.com.br
Produto fornecido:
Chapas de aço, com espessura de 6,30 a 150,0 mm, e largura de 1000 a 3800 mm.
Trabalham com aços SAE 1006 a 1080.

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12 - CONCLUSÃO
Para a seleção adequada do material a compor um elemento de
máquina, é necessária a priorização de certas propriedades no projeto, pois
dificilmente um único material irá satisfazer, isto é, conter todas as propriedades
físicas, químicas e mecânicas exigidas.
Também é preciso fazer uma analise correta utilizando as ferramentas
existentes para essa seleção, índice de mérito, Carta de Ashby, entre outras.
Após a seleção da família de materiais mais adequada, se tornou necessária a
adoção de critérios comerciais, onde o custo dos materiais que chegaram até
esta etapa é verificado.
Através dos métodos citados, concluiu-se que os aços com médio teor
de carbono são os que melhor satisfazem as condições do projeto. Mais
especificamente, o aço 1040 mostra-se como sendo uma boa opção deste tipo
de aço.

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13 - REFERÊNCIAS
1 BEER, F.P. e JOHNSTON, JR., E.R.Resistência dos Materiais , 3.º Ed., Makron Books,1995.
2 HIBBELER, R. C., Resistência dos Materiais. Pearson Prentice Hall, 5a edição, São Paulo, 2004
3 CHIAVERINI, Vicente. TECNOLOGIA MECÂNICA. Materiais de construção mecânica. ed 2. São Paulo, MAKRON Books do
Brasil Editora Ltda, 1986.
4 Shigley, J. E; Mishke, C. R.; Projeto de Engenharia Mecânica, Bookman, 7ª edição, 2005.
5 http://www.cimm.com.br
6http://www.gerdau.com.br
7 Elementos de Máquina I; Prof. Douglas Roberto Zaions, 2008.
8 UNIS/MG; Sistemas mecânicos/Elementos de Máquina, Cássio da Silva, 2008.
9 Entendendo o Eixo Cardan; SPICER.
10 http://pt.scribd.com/doc/96090617/Selecao-de-material-do-eixoacesso em: 20 de setembro.
11 http://www.mecanicaindustrial.com.br/conteudo/518-aco-com-medio-teor-de-carbonoacesso em: 23 de setembro.

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