Studio sull’elasticità e la plasticità delle viti della testa per autoveicoli

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ARTICOLO ORIGINALE

PINHEIRO, Samuel Junio França [1]

PINHEIRO, Samuel Junio França. Studio sull’elasticità e la plasticità delle viti della testa per automobili. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Anno 05, Ed. 06, Vol. 02, pp. 149-169. giugno 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/ingegneria-meccanica-ingegneria/elasticita-e-plasticita

Le viti devono mantenere le forze di serraggio applicate, tuttavia, dopo la coppia e il ciclo di carico, si verifica un allungamento nella sua struttura. L’efficienza di un tale componente è vitale per la perfetta vestibilità e funzionamento del motore. In questo lavoro, proponiamo un confronto tra le deformazioni reali e quelle ottenute dalla simulazione computazionale delle viti della testa, prese da motori a benzina e diesel. Le viti utilizzate nell’esperimento saranno di azionamento e di utilità di quattro marche diverse: Pallium 1.6 16v, Marea 2.0, safira 2.0 e Pajero 2.8 Diesel.

Parole chiave: viti, trazione, deformazione, calcoli, testa.

1. INTRODUZIONE

L’Archytas greco di Tarentum fu responsabile dello sviluppo della vite intorno al 400 a.C. A quel tempo, è stato sviluppato per essere utilizzato in presse per l’estrazione di olio d’oliva, così come nella produzione di vino. La storia della vite, nelle sue molteplici versioni, sottolinea che Archimede, intorno al 250 aC, ha sviluppato il principio del filo, utilizzandolo per la costruzione di dispositivi per il trasporto di acqua in irrigazione. Il primo documento stampato su viti appare in un libro dell’inizio del XV secolo, ma le viti metalliche sono apparse solo in Europa dal 1400 e Johann Gutenberg ha incluso questi componenti tra i dispositivi di fissaggio della sua stampante (Screw Magazine).

Si nota che, nel corso della storia, la vite era sempre una soluzione a problemi infiniti, e, naturalmente, generato altri, perché sono stati fatti da diversi inventori e non c’erano norme e standard. A causa di questa esigenza, sono state create le standardizzazioni, ottenendo così risultati che hanno reso la sua applicazione universale. Secondo Norton (2011), la vite presente in un progetto può sembrare uno dei suoi aspetti meno interessanti, ma in realtà è uno dei più affascinanti. Così, migliaia di diversi disegni articolari sono offerti da fornitori, che a loro volta vengono utilizzati in assiemi complessi, come un’automobile o un aereo.

2. METODOLOGIA

Il lavoro consiste nell’analisi strutturale di campioni di bulloni prelevati dalle teste dei motori a combustione analoghi al ciclo Otto e Diesel, confrontandosi con nuove viti e analizzando la deformazione subita dopo la coppia richiesta dal produttore ((SILVEIRA, 2008; FERNANDEZ, 2006; ARAÚJO, 2007). In possesso delle viti, la loro composizione metallica è stata definita in base alle loro proprietà meccaniche, misurazioni e calcoli delle sollecitazioni a cui sono state inviate, e successivamente, i parametri ottenuti per la simulazione computazionale saranno applicati utilizzando il software SolidWorks2019. Per eseguire l’esperimento sono stati utilizzati i seguenti strumenti:

  • Caliper;
  • Software SolidWorks 2019;
  • Macchina di prova di trazione GUNT WP 300.20 TENSILE TEST;
  • Formula di legge di Hooke per la deformazione

La legge di Hooke è stata usata nei calcoli per determinare la forza dalla deformazione. La legge determina la deformazione subita da un corpo elastico attraverso una forza(LABURU; ALMEIDA, 1998; MASCIA, 2006). La formula utilizzata corrisponde all’equazione 1.

Dove:                                                                                                                          δ –  Allungamento della parte in [m]                       F – carico nominale applicato [N]

E – modulo di elasticità [Pa]                                   A – area della sezione trasversale [m2]

L0 – lunghezza iniziale della parte                           Lf lunghezza finale

Sono state analizzate le viti della testa del motore per le seguenti auto, come mostrato nella Tabella 1:

Tabella 1: Rapporto veicolo/bullone

Veicolo Quant. Viti
Fiat Marea 2.0 (primo motore) 2
Fiat Marea 2.0 (secondo motore) 12
FIAT Palio 1.6 10
GM a fira 2.0 10
MITSUBISHI Pajero 2.8 Diesel 22

Fonte: Autore (2020)

Per testare l’esperimento, sono state fatte le misurazioni di tutte le viti per sapere quanto la vite è stata allungata e dopo che tutte le misurazioni sono state effettuate e annotate, è stato utilizzato un foglio di calcolo e il grafico è stato elaborato con i confronti necessari per capire quanto sia importante conoscere la deformazione della vite dopo l’esercizio della coppia. SolidWorks 2019 è stato poi utilizzato per confrontare i risultati dell’esperimento.

3. RISULTATI E DISCUSSIONE

Le viti della testa per i motori a combustione, in generale, hanno proprietà elastiche e resistenza molto specifiche. La vite ha una forza di tensile iniziale e una coppia fornita predeterminata dal produttore genera una tensione normale nell’area della testa della vite, e questa tensione è dovuta al “precarico iniziale” (posti a sedere parziale) e ai successivi passaggi di serraggio angolare indicati da ciascun produttore.

3.1 PRECARICO

Il precarico è il serraggio definito dal produttore o dall’assemblatore realizzato utilizzando un tachimetro per intendere e posizionare il coperchio della testa (processo di bassa complessità che richiede solo la regolazione del tachimetro e il suo corretto utilizzo) (LA CAVA et al, 2000; SCHWONBACH et al, 2008)

3.2 GRIP ANGOLARE

Questo processo può essere dimensionato per utilizzare la massima capacità di resistenza della vite, cioè la vite si deforma nella regione di plastica senza guasto della vite (COURTES et al, 2017; MONTEIRO, 2016). La composizione chimica della vite della testa ha un’elevata “ductibilità” (capacità di deformarsi prima che la struttura fallisca). La fase dell’angolo di serraggio è la più precisa e la sua quotatura è fatta per superare il flusso nel 100% dei casi, e, per questo motivo, viene estratto alla forza massima e le dimensioni più piccole devono essere considerate nel calcolo. La conseguenza di ciò è che questo metodo consente di utilizzare viti più piccole per avere la forza prevista e mantenere il giunto in funzione, come sottolineato da Garcia (2008).

3.3 ANALISI

L’analisi è stata eseguita confrontando nuove viti (misure fornite dal produttore) e viti utilizzate rimosse dai motori dopo la manutenzione. Le misurazioni sono state eseguite con calibro, essendo 14 campioni di fiat marea 2.0 vite testa, 22 campioni di Mitsubishi Pajero 2.8D, 10 campioni di Fiat Palio 1.6 e 10 campioni di GM .afira 2.0. Si è osservato che le viti utilizzate avevano una lunghezza diversa delle nuove viti. Abbiamo quindi cercato di conoscere la tensione applicata ad ogni vite per generare le deformazioni osservate. Ottenuto lo spostamento lineare di ogni vite e i dati di spostamento lineare di ogni vite. Per questo esperimento, 4340 acciaio è stato utilizzato come base per campioni delle Auto Palio, Marea e Pajero, con l’elasticità di 210GPa.

Per l’auto di zafira, l’acciaio 6150 con l’elasticità di 190GPa è stato utilizzato come base. Si è scoperto che l’acciaio 4340, ad esempio, ha un limite di resa di 460MPa, che è il limite della sua tensione all’interno della fase di deformazione elastica. Se la forza applicata alla vite supera il limite di flusso, cioè supera la forza di 460MPa, la vite entra nella fase di deformazione plastica, non ritornando più alla sua forma originale. Secondo il grafico della Figura 1, il limite del flusso di acciaio, cioè il 460Mpa, è rappresentato nel “esc.”, dove la fase elastica termina e inizia la fase plastica. La tensione massima sostenuta dal corpo è rappresentata dalla “R” nella fase di plastica e poi al punto “V”, che è l’istante in cui il corpo si rompe.

Figura 1: Grafico stress/deformazione

Fonte: Disponibile all’indirizzo: http://grupomec.tripod.com/Material.htm, 11-02-2020, 20h11min

Sulla base dei dati raccolti e delle formule utilizzate, sono stati generati i seguenti fogli di lavoro confrontando le normali sollecitazioni applicate ad ogni vite e, di conseguenza, generando lo spostamento misurato nelle viti utilizzate:

Tabella 2: Viti comparative/Lotto Marea 1 e 2

Marea 2.0 viti testa auto (1o lotto)
Misurazione iniziale (254mm) Allungamento reale (mm) Software di stretching 2019 SolidWorks (mm) Differenziale (%) Reale vs SolidWorks
P1 257,10 261,56 1,71%
P2 256,90 261,07 1,60%
Marea 2.0 viti testa auto (2o lotto)
Misurazione iniziale (254mm) Allungamento reale (mm) Software di stretching 2019 SolidWorks (mm) Differenziale/Software originale (%)
P1 255,50 257,66 0,84%
P2 255,50 257,66 0,84%
P3 255,15 256,80 0,64%
P4 255,50 257,66 0,84%
P5 255,75 258,27 0,98%
P6 255,50 257,66 0,84%
P7 255,05 256,56 0,59%
P8 255,10 256,68 0,62%
P9 255,10 256,68 0,62%
P10 255,75 258,27 0,98%
P11 255,50 257,66 0,84%
P12 255,50 257,66 0,84%

Fonte: Autore (2020)

Tabella 3: Viti comparative/Pajero

Pajero 2.8 Viti Testa Auto
Misura iniziale

Da P1 a P4 (104mm)

Da P5 a P8 (125mm)

Da P9 a P22 (106mm)

Allungamento reale (mm) Software di stretching 2019 SolidWorks (mm) Differenziale/Software originale (%)
P1 Testa piatta 104,80 104,93 0,12%
P2 Testa piatta 104,71 104,83 0,11%
P3 Testa piatta 104,65 104,76 0,11%
P4 Testa piatta 104,85 104,99 0,13%
P5 Testa Striated 125,55 126,00 0,36%
P6 Testa Striated 126,35 127,74 1,09%
P7 Testa Striated 125,95 126,72 0,61%
P8 Testa Striated 126,10 127,00 0,71%
P9 Testa Striated 106,10 106,87 0,72%
P10 Testa Striated 106,10 106,87 0,72%
Testa Striated P11 106,10 106,87 0,72%
P12 Testa Striated 107,30 108,92 1,49%
Testa Striated P13 106,10 106,87 0,72%
Testa Striated P14 106,90 108,24 1,24%
P15 Testa Striated 105,55 105,93 0,36%
P16 Testa Striated 105,55 105,93 0,36%
Testa Striated P17 106,45 107,47 0,95%
P18 Testa Striated 105,90 106,53 0,59%
P19 Testa Striated 106,85 108,15 1,20%
P19 Testa Striated 106,10 106,87 0,72%
P20 Testa Striated 106,80 108,07 1,18%
P21 Testa Striated 106,30 107,21 0,85%
P22 Testa Striated 109,59 110,35 0,69%

Fonte: Autore (2020)

Tabella 4: Viti comparative

Viti per la testa di auto
Misurazione iniziale (136mm) Allungamento reale (mm) Software di stretching 2019 SolidWorks (mm) Differenziale/Software originale (%)
P1 137,00 139,08 1,50%
P2 136,90 138,78 1,35%
P3 136,80 138,47 1,21%
P4 136,90 138,78 1,35%
P5 137,00 139,08 1,50%
P6 136,90 138,78 1,35%
P7 136,90 138,78 1,35%
P8 136,70 138,16 1,06%
P9 136,80 138,47 1,21%
P10 136,80 138,47 1,21%

Fonte: Autore (2020)

Tabella 5: Viti comparative/Palio

La testa della macchina scopa Palio 1.6
Misurazione iniziale 100mm Allungamento reale (mm) Software di stretching 2019 SolidWorks (mm) Differenziale/Software originale (%)
P1 100,99 101,16 0,17%
P2 100,99 101,16 0,17%
P3 100,75 100,87 0,12%
P4 100,75 100,87 0,12%
P5 100,99 101,16 0,17%
P6 100,99 101,16 0,17%
P7 101,00 101,17 0,17%
P8 101,00 101,17 0,17%
P9 100,99 101,16 0,17%
P10 100,99 101,16 0,17%

Fonte: Autore (2020)

Nel primo esperimento fatto sulle viti della testa dell’auto marea, è stata trovata una tensione media di 508KPa a cui sono state richieste le viti durante l’applicazione della coppia, con lo spostamento medio di 3 mm che si verifica nella vite. Nel grafico 1, si hanno le sollecitazioni del primo esperimento.

Grafico 1: viti testa Marea 2.0 (primo motore)

Fonte: Autore (2020)

Figura 2: Vite Marea Tipo 1 SolidWorks 2019

Fonte: Autore (2020)

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Nel secondo esperimento, è stato utilizzato lo stesso modello, ma la tensione trovata è stata inferiore del 54,73% rispetto al primo esperimento, e quindi la tensione media trovata è stata 239KPa, a cui sono state richieste le viti durante l’applicazione della coppia e, di conseguenza, si è verificato lo spostamento medio di 1,41 mm nella vite. Il grafico 2 illustra le sollecitazioni del secondo disegno.

Grafico 2: viti della testa Marea 2.0 (secondo motore)

Fonte: Autore (2020)

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Figura 3: Vite Marea Tipo 2 SolidWorks 2019

Fonte: Autore (2020)

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Nel terzo esperimento, la testa utilizzata era di Pajero e in esso abbiamo trovato 3 tipi di viti, e quindi sono stati realizzati 3 grafici diversi. La tensione media trovata per la vite di tipo 1 era 240KPa, come mostrato nel grafico 3, con una cilindrata media di 0,85 mm.

Grafico 3: Pajero 2.8 Viti testa – Tipo 1

Fonte: Autore (2020)

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Figura 4: Vite Marea Tipo 1 SolidWorks 2019

Fonte: Autore (2020)

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In pajero tipo 2 vite la tensione media trovato era 433KPa. Questa media è secondo il grafico 4 e ha una cilindrata media di 0,99 mm.

Grafico 4: Pajero 2.8 Viti testa – Tipo 2

Fonte: Autore (2020)

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Figura 5: Vite Pajero Tipo 2 – SolidWorks 2019

Fonte: Autore (2020)

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Nel terzo modello del Pajero, è stata trovata la tensione di 705KPa, come mostrato nel grafico 5, e quindi è stato ottenuto uno spostamento medio di 1,29 mm. Così, il terzo esperimento è finalizzato.

Grafico 5: Pajero 2.8 Viti testa – Tipo 3

Fonte: Autore (2020)

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Figura 6: Vite Pajero Tipo 3 – SolidWorks 2019

Fonte: Autore (2020)

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Per il quarto esperimento abbiamo usato la testa di auto zafira, e quindi la tensione media trovata era 477KPa, come mostrato nel grafico 6, mostrando così una deformazione plastica media di 0,87 mm.

Grafico 6: Viti testa di zafira 2.0

Fonte: Autore (2020)

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Figura 7: Vite di zafira – SolidWorks 2019

Fonte: Autore (2020)

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Osservando il quinto e ultimo esperimento fatto sulla testa dell’auto del Palio, la tensione media trovata era di 667KPa, come illustrato nel grafico 7, e quindi è stato ottenuto uno spostamento medio di 0,94 mm.

Grafico 7: Viti Palio 1.6

Fonte: Autore (2020)

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Figura 8: Vite Palio – SolidWorks 2019

Fonte: Autore (2020)

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3.4 TEST TENSILE

In una prova di tensione il campione viene subinviato alle forze opposte alle estremità fino alla sua rottura (CAMPOS; LAHR, 2004; FIORESE et al, 2015).

3.5 ESEMPLARI

Il campione è un campione del materiale e ha forma cilindrica. Gli standard dell’American Society for Testing and Materials -ASTM, Deutsches Institut f’r Normung – DIN e dell’Associazione brasiliana degli standard tecnici -ABNT sono utilizzati per la standardizzazione e il confronto dei risultati. Nel test è stato utilizzato un campione di una nuova vite a vite diesel pajero 2.8 del veicolo pajero.

Figura 9: rappresentazione schematica di un campione prima di sottoporsi alla prova della tensione

P – forca

So – regione di frattura

lo- lunghezza utile

Fonte: Autore (2020)

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Parametri di test di tensione

Corpo delle medie di prova

d- diametro

lo-30mm

d 4mm

Figura 10: Campione di materiale, avvitare la nuova testa pajero 2.8 diesel

Fonte: Autore (2020)

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Figura 11: Rottura del materiale

Fonte: Autore (2020)

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Figura 12: Grafico di sollecitazione/deformazione auto Pajero 2.8

Fonte: Autore (2020)

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Grafico 7: Simulazione manuale

Fonte: Autore (2020)

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I risultati ottenuti sono stati confrontati con i tavoli ASTM e SAE per gli acciai usati meccanicamente e indicano che il materiale ha proprietà legate all’acciaio AISIN 4340, standardizzato in base alla resistenza elastica riscontrata che è di circa 212GPa. L’acciaio AISI 4340 è un materiale legato al cromo e al molybdenum, ha una buona resistenza meccanica, una lavorazione media, una bassa saldabilità e un’elevata temperabilità. Questo materiale è spesso utilizzato in componenti meccanici, di solito sotto l’azione di sollecitazioni dinamiche e utilizzato per la fabbricazione di parti nell’industria automobilistica e nell’industria petrolifera e navale (KUPKA, 2009). Questo materiale è classificato come un acciaio a bassa lega con medio carbonio, presentando alta tenacia e alta resistenza (ARAÚJO MORALES, 2017).

CONSIDERAZIONI FINALI

La ricerca ha cercato di sottolineare che le formule utilizzate si basano sulla legge di Hooke per il regime elastico perché non conosce i dati esatti di ogni vite, perché le proprietà strutturali di metalli o materiali sono specifiche, le loro proprietà variano tra i produttori e, inoltre, a causa della segretezza industriale di ogni casa automobilistica, non otteniamo dati esatti di ogni vite. Abbiamo utilizzato le proprietà dell’acciaio 6150 per le viti per auto zafira e il 4340 in acciaio standardizzato per le viti delle altre vetture a causa delle caratteristiche presentate durante lo studio. Dopo l’analisi dei dati, ogni vite che presentava diversi spostamenti dal reale al software è stata verificata.

Dagli esperimenti, abbiamo ottenuto i risultati percentuali del differenziale Real vs SolidWorks di Marea tipo 1, che era 1,65%, il Marea tipo 2 che ammontava 0,79%, pajero che era 0.68%, s’afira che ammontava 1.31% e Palio che ha portato a 0.16%. I dati ottenuti sono stati analizzati attraverso la simulazione manuale, il software Solidworks2019, il test di laboratorio, l’excel aid e un’ampia ricerca letteraria è stata effettuata. È stato verificato che entrambi i risultati convergono verso un’approssimazione matematica tra i metodi computazionali di analisi degli elementi finiti e il calcolo manuale dell’elasticità e della plasticità delle viti della testa dell’automotive.

RIFERIMENTI

ARAÚJO, T. V. G. P. Sistema Embarcado para Monitoramento de Particulados de Carbono em Emissões de Motores do Ciclo Diesel. 2007. 96f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2007.

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BLOG. O Mecânico. Disponível em: http://omecanico.com.br. Acesso em: 19 nov. 2019.

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CAMPOS, C. I de.; LAHR, F. A. R. Estudo comparativo dos resultados de ensaio de tração perpendicular para MDF produzido em laboratório com fibras de pinus e de eucalipto utilizando uréia-formaldeído. Matéria, v. 9, n. 1, p. 32-42, 2004.

COURTES, R. A. et al. O comportamento mecânico dos parafusos de fixação de cabeçote dos motores VW AP quando reutilizados. In: Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão, 2017.

FERNANDEZ, B. O. Considerações sobre outros empregos do sensor de detonação para o controle eletrônico de motores ciclo Otto utilizando análise espacial. 2006. 146f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.

FIORESE, D. A. et al. Desempenho de três tratores agrícolas em ensaios de tração. Journal of Neotropical Agriculture, v. 2, n. 2, p. 68-76, 2015.

GARCIA, R. Conceitos gerais sobre torque e processos de torque – Parte I. São Paulo: Revista do Parafuso, 2008.

LA CAVA, C. A. P. L. et al. Modelagem de um dispositivo de pré-carga com memória de forma para juntas flangeadas. In: Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (CD-ROM), 2000.

MONTEIRO, C. A. M. Medição indireta de torque e velocidade angular de motor de corrente contínua sem escovas. 2016. 150f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2016.

NORTON, R. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada. 4ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.

PORTO, I. G. Interferências tribológicas na união do cabeçote associados à vedação e seus efeitos no processo de aperto da junta aparafusada. 2017. 69 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Automotiva) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2017.

SCHWONBACH, E. R. et al. Pré-carga de parafuso com tratamento de superfície Diamond-like carbon: prevenção do desaperto. RGO, v. 56, n. 1, p. 93-96, 2008.

SILVEIRA, F. L. da. Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e de Diesel. In: Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2008.

SOLIDWORKS 3D design de Software. Versão 2016 x64 Edition SP0.

[1] Laurea in Ingegneria Meccanica presso UDF – University Center del Distretto Federale.

Inviato: gennaio 2020.

Approvato: giugno 2020.

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