Sincronização do projeto com o processo de fundição e a escolha do material

Futuramente, os fabricantes de carcaças da caixa de câmbio em metais leves também precisarão conhecer detalhadamente o seu funcionamento e processo de desenvolvimento, além dos materiais utilizados e da técnica de fundição empregada.

Desta maneira, eles conseguirão coordenar o projeto do componente (por exemplo, a suspensão do resfriador de óleo, a configuração e o dimensionamento de pontos de apoio ou a posição de canais de óleo), o processo de fundição e a escolha do material em conjunto com os seus clientes (fabricantes de caixas de câmbio e de veículos), de modo que o potencial do material utilizado será aproveitado da melhor forma possível.

Os resultados serão caixas de câmbio mais leves e menores, com maior grau de eficiência, vida útil aprimorada, maior conforto e confiabilidade, o que pode reduzir o consumo de combustível e economizar custos. Particularmente no caso dos caminhões, as caixas de câmbio mais leves aumentam a capacidade de transporte, pois reduzem o peso do veículo e aumentam a sua carga útil.

Fig. 1 - Carcaça da caixa de câmbio 8HP45, da ZF Friedrichshafen

 

O aprimoramento do projeto

Mas quais serão as tendências que determinarão o aperfeiçoamento dos fundidos que equipam as caixas de câmbio fabricadas em metais leves no futuro? Para responder a esta questão, a empresa Honsel AG, da Alemanha, realizou um estudo para analisar estas tendências e as suas respectivas influências sobre os componentes fundidos.

O primeiro passo para a otimização das caixas de câmbio e seus componentes consiste em aprimorar ainda mais as soluções construtivas disponíveis no momento. Com a integração de funções à carcaça da caixa de câmbio, é possível reduzir custos, o espaço construtivo e o seu peso, além de aumentar a sua confiabilidade.

Algumas soluções neste sentido já foram implementadas na produção seriada. Em caixas de câmbio automáticas, por exemplo, foi necessário incorporar canais com seções transversais pequenas, para o abastecimento de óleo do comando hidráulico.

Com o objetivo de evitar trabalhos de furação dispendiosos, com o risco de se produzir pontos de vazamento, a Honsel AG incorporou tubos de aço pré-dobrados às carcaças de câmbio automáticas modelo 8 HP (oito marchas), da ZF Friedrichshafen (Alemanha), as quais são feitas em alumínio. Com isso, elas assumem a função de condutoras de óleo.

As vantagens disso são uma fabricação econômica destas carcaças de câmbio, uma circulação de óleo aprimorada, graças às menores perdas de circulação, assim como a possibilidade de se produzir diferentes variantes, com uma ou duas linhas de alimentação de óleo na mesma matriz de fundição sob pressão (figura 2).

Fig. 2 - Carcaça da caixa de câmbio 8HP45 com tubos de aço fundidos, para a alimentação do óleo

Outro exemplo da integração bem sucedida de funções é o resfriador de óleo na caixa de câmbio Ecolife para veículos utilitários, também da ZF Friedrichshafen. Normalmente, o resfriador de óleo é posicionado fora da caixa de câmbio e fica ligado ao cárter de óleo da carcaça, por meio de dois tubos de óleo separados. Na nova versão, é possível integrar o resfriador de óleo inteiro na carcaça de câmbio, o que possibilita uma economia de espaço e custos. Com a eliminação dos tubos de óleo, também é possível diminuir o risco de pontos de vazamento (figura 3).

Fig. 3 – Carcaça da caixa de câmbio do tipo Ecolife, com resfriador de óleo integrado

 

Novas ligas

Novos materiais e processos de fundição especialmente adaptados também contribuem para a redução do peso e a economia de combustível.

Como se sabe, o magnésio (Mg) é um dos materiais metálicos mais leves. Ele pesa aproximadamente 75% menos do que o aço e é 30% mais leve do que o alumínio (Al). Por este motivo, desde 2004 a Honsel AG utiliza o magnésio na produção das carcaças da caixa de câmbio automática 7G-Tronic, da Mercedes-Benz. Esta caixa de câmbio, que pesa apenas 5,9 kg, opera com sete marchas e está sendo utilizada nos veículos da classe E.

Apesar desta carcaça ter um comprimento total maior, em virtude das duas marchas adicionais e do aumento de 20% da capacidade de torque, ela é 2,4 kg mais leve do que a versão em alumínio (figura 4).

Fig. 4 – A carcaça da caixa de câmbio automática do tipo 7G Tronic (Mercedes Benz), feita em magnésio, é 30% mais leve do que sua equivalente em alumínio

Durante o projeto de um componente em magnésio, é necessário observar particularmente as propriedades específicas do material. Por exemplo, é imprescindível evitar a corrosão por respingos de água, que podem ficar acumulados nas reentrâncias da carcaça da caixa de câmbio. Por este motivo, procurou-se reduzir ao máximo o nervuramento e as reentrâncias durante o projeto dos contornos da peça fundida.

No leiaute de uniões roscadas, deve-se observar ainda que o magnésio possui uma maior tendência à fluência em temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio. Uma solução comprovada para manter a força de fechamento e, consequentemente, a estanqueidade foi a união com parafusos de alumínio, que também são leves.

No processamento, os banhos fundidos de magnésio requerem exigências consideravelmente maiores na condução do processo de fundição e vazamento, em relação ao alumínio.

Por outro lado, também há algumas vantagens de se trabalhar com o magnésio. Devido à necessidade de menos calor, em comparação ao alumínio, o magnésio solidifica mais rapidamente, ocasionando assim a redução dos tempos de ciclo. Isso contribui para compensar os seus custos, que são maiores.

A empresa Honsel AG já manufaturou carcaças da caixa de câmbio na liga AS 31, de magnésio.

Novas ligas também de magnésio, com resistência térmica e à fluência otimizada, podem oferecer um novo potencial para a redução de peso. Os fabricantes destes tipos de ligas as desenvolveram especialmente para motores veiculares. Porém, estudos preliminares mostraram que elas também são apropriadas para carcaças da caixa de câmbio.

Devido às suas características aprimoradas, é possível dimensionar as carcaças das caixas de câmbio fabricadas com estas novas ligas de magnésio, que é mais leve, sendo possível obter uma economia de peso de aproximadamente 10%, mesmo em carcaças de câmbio altamente solicitadas.

Para avaliar o potencial destes novos materiais no produto real, a Honsel AG produziu protótipos, além das próprias carcaças das caixas de câmbios sob condições semisseriadas, utilizando o processo de fundição sob pressão. Isso foi feito em colaboração com fabricantes de automóveis (figura 5).

Fig. 5 – Novos materiais: outros potenciais para a economia de peso

 

Análise da capacidade de carga/solicitação

O desenvolvimento virtual do produto baseado em cálculos é cada vez mais importante no projeto de fundidos altamente solicitados.

Atualmente, o comportamento do material é considerado de modo bastante limitado no dimensionamento do componente. As pré-cargas do processo de fundição, como as tensões internas, as propriedades do material e os defeitos da estrutura, não são reproduzidas. Na realidade, elas só são consideradas através de coeficientes de segurança, o que pode resultar em componentes superdimensionados em pontos determinados, levando a desvantagens de peso.

Na Honsel AG, todo o processo de fundição, como o enchimento do molde e a solidificação, entre outros parâmetros, é reproduzido dentro do contexto da simulação numérica. A partir disso, é possível definir os valores característicos do material no componente.

Então, a capacidade de carga da peça é confrontada com as solicitações locais do componente (tensões nominais, tensões locais e deformações), as quais são determinadas pelo método dos elementos finitos. O equilíbrio dos resultados da simulação possibilita o dimensionamento seguro do componente.

Os valores característicos essenciais, como a resistência à tração, o limite de escoamento e o alongamento à ruptura, podem ser calculados e prognosticados de modo muito exato, como fica evidente na comparação entre os dados medidos em componentes reais e os valores calculados.

 

Redução do tempo de desenvolvimento

O emprego intensificado de ferramentas de simulação para o processo de fundição (vazamento e solidificação) permite um desenvolvimento mais rápido e econômico das carcaças da caixa de câmbio, uma vez que a simulação elimina ensaios dispendiosos. Isso também vale para as peças de controle manufaturadas em alumínio, destinadas ao comando hidráulico de caixas de câmbio automáticas, que são fundidas sob pressão.

Até o momento, as peças de controle eram fresadas como modelos funcionais, com o auxílio de dados 3D. Em seguida, eram gerados protótipos fundidos em areia e, somente posteriormente, era fabricada a matriz de fundição sob pressão, para a produção das peças seriadas.

Apesar da manufatura dos protótipos fundidos em areia ser realizada rapidamente, ela não fornece resultados expressivos em relação ao processo de fabricação na série posterior. O comportamento hidráulico das peças fundidas em areia, como por exemplo o tempo e a histerese das engrenamento das marchas, é claramente diferente do comportamento da peça de controle seriada.

O objetivo da Honsel AG, portanto, era restringir a sequência de desenvolvimento de modo que fosse possível dispensar o estágio de construção dos protótipos fundidos em areia. Nesse meio tempo, após os primeiros dados 3D da peça de controle, todas as adaptações relevantes para o processo de fundição sob pressão foram sincronizadas com o cliente.

Paralelamente, foram iniciados todos os trabalhos preliminares necessários para a matriz de fundição sob pressão, faltando apenas os insertos dos labirintos, que foram fabricados após a revisão dos dados 3D.

Nove semanas depois do acordo sobre o projeto, as primeiras peças de controle foram fabricadas. Com a colaboração estreita entre o fabricante da caixa de câmbio e a fundição, foi possível dispensar o estágio de desenvolvimento dos protótipos fundidos em areia.

Em resumo, o novo processo oferece muito mais cedo uma confirmação expressiva da qualidade da mudança de marcha da caixa de câmbio sob condições de fabricação seriada, além do tempo de produção da ferramenta ter sido reduzido a 16 semanas (figura 6).

Fig. 6 – A previsão da qualidade do engrenamento da caixa de câmbio sob condições seriadas é possível graças a processos inovadores de desenvolvimento seriado

 

Outras inovações na caixa de câmbio

As medidas de otimização descritas para o projeto, a escolha do material e o processo de fabricação do produto estabelecerão, em um curto prazo, novos padrões para o desenvolvimento da caixa e dos componentes do câmbio. No médio prazo, é possível imaginar outras inovações.

A Honsel AG está seguindo um conceito de carcaça em que as áreas de apoio dos eixos são formadas por insertos de aço altamente resistentes. Como solução especialmente econômica, é até possível incorporar peças brutas para os anéis externos dos rolamentos diretamente na carcaça.

As vantagens desta solução são uma alta resistência radial e axial, assim como a rigidez na área crítica das furações do alojamento dos rolamentos. Também é possível evitar as solicitações e influências adicionais, que resultam das diferentes expansões térmicas na operação de marcha, já que os insertos e o jogo de engrenagens apresentam a mesma expansão térmica.

O pequeno deslocamento do padrão de contato sob a influência da carga e da temperatura também resulta na redução dos ruídos e no aumento da vida útil do engrenamento. Adicionalmente, um maior grau de eficiência resulta em perdas menores e reduz o consumo de combustível (figura 7).

Fig. 7 – Utilização de insertos de aço na peça fundida, com o objetivo de prevenir cargas adicionais e aumentar a rigidez local

No final das contas, um conceito revisado da caixa de câmbio é capaz de reduzir ainda mais o seu peso e abaixar o consumo de combustível. O tamanho construtivo e também o peso da caixa de câmbio dependem geralmente do torque a ser transmitido.

A abordagem sugerida pela Honsel AG prevê uma caixa de câmbio em que o redutor planetário diminui o torque de entrada. Desta forma, as forças que agem nos dentes ficam menores, de modo que os deslocamentos e as deflexões dos eixos, assim como as posições inclinadas no contato dos dentes, são claramente reduzidas.

O resultado é um aumento da vida útil e da confiabilidade, a redução das emissões de ruídos e a melhora do grau de eficiência. Adicionalmente, é possível diminuir a distância entre os eixos em aproximadamente 20%, de modo que a caixa de câmbio pode ser dimensionada com um tamanho 50% inferior e mais leve, com custos menores. Esta ideia seria especialmente apropriada para caixas de câmbio de veículos utilitários, que transmitem grandes torques em rotações médias (figura 8).

Fig. 8 – Este conceito inovador de caixa de câmbio reduz o peso e o espaço de montagem em até 50%

 

Conclusões

A colaboração entre os fabricantes de peças fundidas e os seus clientes tende a aumentar ainda mais, particularmente no setor automobilístico.

Há uma crescente procura por parceiros que acompanham e aconselham os desenvolvimentos a partir da primeira ideia. Para esta finalidade, os fabricantes de peças fundidas devem adquirir um entendimento técnico profundo dos produtos/ equipamentos, para os quais os seus fundidos são fornecidos.

A Honsel AG oferece soluções inovadoras, que atendem aos requisitos das caixas de câmbio solicitadas por seus clientes. O ponto de partida é o desenvolvimento de carcaças fabricadas em metais leves inovadores, com uma maior integração de funções, o que cria potenciais adicionais em termos de custos, peso, espaço construtivo e confiabilidade, ao passo que processos de desenvolvimento inovadores oferecem vantagens de tempo, custo e qualidade.