UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIEESCOLA DE ENGENHARIAMESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

VALTER BARRAGAN NETO

SIMULAO COMPUTACIONAL EM CAMISAS DE MOTOR CONSTRUDAS EM LIGA DE ALUMNIO-SILCIO

So Paulo2011VALTER BARRAGAN NETO

SIMULAO COMPUTACIONAL EM CAMISAS DE MOTOR CONSTRUDAS EM LIGA DE ALUMNIO-SILCIO

Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial obteno do titulo de Mestre Profissional em Engenharia de Materiais.

ORIENTADOR: PROF. DR. ANTNIO AUGUSTO COUTO

So Paulo2011

VALTER BARRAGAN NETO

SIMULAO COMPUTACIONAL EM CAMISAS DE MOTOR CONSTRUDAS EM LIGA DE ALUMNIO-SILCIO

Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial obteno do titulo de Mestre Profissional em Engenharia de Materiais.

Aprovado em ____de_________________ de 2011.

BANCA EXAMINADORA

____________________________________________________Prof. Dr. Antonio Augusto CoutoUniversidade Presbiteriana Mackenzie

____________________________________________________Prof. Dr. Daniel Benitez BarriosUniversidade Presbiteriana Mackenzie

____________________________________________________Prof. Dr. Arnaldo Homobono Paes de BarrosIPEN Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares

Ao meu pai, esposa, filha e famlia, incentivo de todo o meu trabalho.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Antnio Augusto Couto, pelo pronto atendimento ao meu pedido de orientao no mestrado, e a sua vontade de compartilhar seus conhecimentos, aos colegas Doutores componentes da minha banca examinadora, que contriburam bastante com a execuo deste trabalho, com suas sugestes e crticas construtivas; e ao colega Dr. Jan Vatavuk.Aos laboratoristas da Universidade Presbiteriana Mackenzie pelo acompanhamento e pela contribuio na gerao de alguns dados contidos nesse trabalho. minha esposa, Vanessa Di Mauro Machado Barragan, e minha filha Lara Di Mauro Barragan, que por muitas vezes tiveram que dividir o nosso tempo, para que eu me dedicasse aos estudos. minha filha, Lara Di Mauro Barragan, que marcou um dos grandes acontecimentos em minha vida. minha famlia a qual eu sei que sempre est torcendo por meu sucesso e sempre me apoiou em todas as minhas decises.

Se voc acha que pode, ou no, em ambos os casos voc est certo!Henry Ford

RESUMO

Camisas de cilindro automotivo so componentes mecnicos com a funo de revestir internamente os cilindros dos motores automotivos. As camisas de cilindros tm sido feitas de ferro fundido, que atende os requisitos necessrios de desgaste e rigidez. A substituio de partes feitas em ao e ferro fundido por ligas de alumnio em veculos tm vantagens no s na diminuio de peso como tambm no consumo de combustvel e emisso de poluentes. Este trabalho teve por objetivo estudar a viabilidade da aplicao de camisas constitudas em liga de alumnio e silcio em motores com o auxilio de engenharia assistida por computador. O mtodo de modelagem em elementos finitos consiste em gerar um modelo matemtico auxiliado por computador, da geometria, constituda por vrios elementos que tm em comum ns de ligao formando os elementos finitos, assim definidos por malha. Para cada um dos ns so resolvidas as equaes diferenciais parciais por mtodos numricos. O estudo em elementos finitos foi auxiliado pelos softwares Hyperworks, onde foi gerada a malha e exportada para o Abaqus onde foi realizado o processamento dos dados de entrada. O ponto de partida para a simulao das camisas de alumnio aplicadas em motores de combusto interna foi definir a formato da malha para o bloco com um menor refinamento, foi ento escolhida uma malha com elementos tetradricos de quatro ns de tamanho variando entre 1 mm e 12 mm de aresta de elemento. A camisa foi elaborada com elementos hexadricos de seis ns, que por definio so mais fiis e possuem respostas mais precisas que os elementos tetradricos, e com um refinamento maior, cerca de 1 mm, ambos de primeira ordem sem ns intermedirios nas arestas. Em funo do processo de fabricao da camisa ser a fundio por centrifugao, camadas de elementos foram criadas a fim de satisfazer a variao da quantidade de silcio da camisa, que por sua vez afeta as propriedades fsicas da camisa ao longo da espessura da parede. Com este modelo foi possvel mostrar a viabilidade da aplicao dessas camisas em motores com blocos de ferro fundido. As anlises mostraram que um prottipo poder ser construdo para testar a aplicao destas camisas e test-las quanto ao desgaste.Palavras-chave: Anlise estrutural. Anlise Trmica. Camisa de Motor. Motor a combusto interna.Motor ciclo Otto.ABSTRACT

Automotive cylinder liners are mechanical components with the function of internal coating of the cylinder automotive engines. The liners have been made of cast iron, which meets the necessary requirements. The replacement of parts made of steel/ cast iron in aluminum alloys has been made with advantages not only in reducing weight as well as fuel consumption and emission of pollutants. This work has an objective to study the possibility to apply the cylinder liners built in aluminum and silicon alloy on engines with computer aided engineering help. The finite element method consists to generate a mathematical model with computational assistance, of geometry, representing several elements that have in common the node connection, forming the finite element, defined as a mesh. For each node the partial differential equations are solved by numerical methods. This study was aided by finite element software Hyperworks, where the mesh was generated and was exported to Abaqus where were performed the processing of input data. The starting point for the simulation of aluminum liners used in internal combustion engines was to define the format of the mesh for the engine block with less refinement, was chosen a mesh with tetrahedron elements of 4 nodes of with size ranging between 1 mm and 12 mm of edge element. The liners was designed with hexahedron elements of six nodes, which by definition are more consistent and have more accurate answers to the elements tetrahedrons and with a larger refinement, about 1 mm, both elements are first order elements with no nodes on edges midpoint . In function of the process of manufacturing the liners to be cast by centrifugation, layers of elements were created to meet the variation in the amount of the silicon liner, which in turn affects the physical properties of the liner along the thickness of the wall. With this model it was possible to show the viability of applying these liners in engine blocks of cast iron. The analysis has shown that a prototype could be build in order to test the cylinder liners application and also test the wear of the cylinder liner.Key words: Structural Analysis. Thermal Analysis. Engine Liner. Internal combustion Engine.Otto-Cycle Engine.

LISTA DE FIGURAS

Reduo de peso das princimapis aplicaes do Alumnio Reduo de peso das princimapis aplicaes do Alumnio 19Ciclo padro a ar Otto Ciclo padro a ar Otto 22Os quatro tempos de um motor de ciclo Otto Os quatro tempos de um motor de ciclo Otto 23Motor Radial para avies Duas revolues, cinco cilindros em combusto Motor Radial para avies Duas revolues, cinco cilindros em combusto 24Pisto com um fragmento de Vlvula cravado em seu topo Pisto com um fragmento de Vlvula cravado em seu topo 25Maiores produtores de alumnio primrio Maiores produtores de alumnio primrio 27Diagrama de Fases Al-Si Diagrama de Fases Al-Si 30Representao esquemtica da fundio por centrifugao - horizontal Representao esquemtica da fundio por centrifugao - horizontal 32Representao esquemtica da fundio por centrifugao - vertical Representao esquemtica da fundio por centrifugao - vertical 32Viso geral da centrifuga a ser utilizada neste trabalho Viso geral da centrifuga a ser utilizada neste trabalho 34Vista da tampa da coquilha utilizada na fundio por centrifugao Vista da tampa da coquilha utilizada na fundio por centrifugao 35Roletes da mquina centrfuga, apoios da que giram a coquilha Roletes da mquina centrfuga, apoios da que giram a coquilha 35Bica de vazamento da centrifuga Bica de vazamento da centrifuga 36Aquecimento da coquilha (A) e da bica de vazamento (B) Aquecimento da coquilha (A) e da bica de vazamento (B) 36Tubo de Alumnio fundido por centrifugao Tubo de Alumnio fundido por centrifugao 37Cadinho do forno de induo utilizado para vazar as camisas Cadinho do forno de induo utilizado para vazar as camisas 38Tubo fundido com quase nenhuma irregularidade Tubo fundido com quase nenhuma irregularidade 38Anis das extremidades do tubo, cortados para medies de dureza Anis das extremidades do tubo, cortados para medies de dureza 39Parafuso Modelado em CAD Pro/Engineer Parafuso Modelado em CAD Pro/Engineer 40Parafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0 Parafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0 41Elemento Pentadrico que constitui o Parafuso da Parafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0 Elemento Pentadrico que constitui o Parafuso da Parafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0 42Graus de Liberdade de um elemento slido. Graus de Liberdade de um elemento slido. 43Modelo em CAD do bloco do Motor Modelo em CAD do bloco do Motor 44Corte da Camisa e Abertura do bloco do Motor Corte da Camisa e Abertura do bloco do Motor 45Restrio do Bloco do Motor Restrio do Bloco do Motor 49Camisa representada por camadas e sua interao com o bloco do motor Camisa representada por camadas e sua interao com o bloco do motor 50Elementos de superfcie de contato nas camadas da camisa Elementos de superfcie de contato nas camadas da camisa 51Elementos de superfcie de contato entre camisa e bloco Elementos de superfcie de contato entre camisa e bloco 51Presses de Cilindro. Ciclo completo. Presses de Cilindro. Ciclo completo. 53Presses de Cilindro e de gua (detalhe) Presses de Cilindro e de gua (detalhe) 54reas de presso de cilindro para o Cilindro 1 em ignio. reas de presso de cilindro para o Cilindro 1 em ignio. 55Imagem do monitor com a anlise da Liga Al-Si Imagem do monitor com a anlise da Liga Al-Si 56Perfil metalogrfico ao longo da espessura da camisa da Liga 17 %Si Perfil metalogrfico ao longo da espessura da camisa da Liga 17 %Si 57Fraes da fase da liga com 17%Si Fraes da fase da liga com 17%Si 59Primeiro modo de vibrao em 869 Hz para um bloco normal Primeiro modo de vibrao em 869 Hz para um bloco normal 60Primeiro modo de vibrao em 738 Hz Primeiro modo de vibrao em 738 Hz 61Primeiro modo de vibrao em 738 Hz - Camisa Ferro Fundido - Vista em topo. Primeiro modo de vibrao em 738 Hz - Camisa Ferro Fundido - Vista em topo. 62Segundo modo de vibrao em 988 Hz Segundo modo de vibrao em 988 Hz 63Primeiro modo de vibrao em 662 Hz - Camisa Al-Si refinada Primeiro modo de vibrao em 662 Hz - Camisa Al-Si refinada 64Primeiro modo de vibrao em 675 Hz - Camisa Al-Si refinada Primeiro modo de vibrao em 675 Hz - Camisa Al-Si refinada 65Gradiente de temperatura em relao aos 90 C do fludo de arrefecimento do motor Gradiente de temperatura em relao aos 90 C do fludo de arrefecimento do motor 66Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas emTenses originadas pela dilatao trmica Camisas em 67Ciclo do Motor Camisas emCiclo do Motor Camisas em 68Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Si Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Si 69Ciclo do Motor Camisas em Al-Si Ciclo do Motor Camisas em Al-Si 70Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Si Refinada Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Si Refinada 71Ciclo do Motor Camisas em Al-Si refinada Ciclo do Motor Camisas em Al-Si refinada 72Configurao do computador usado para os clculos Configurao do computador usado para os clculos 73

LISTA DE TABELAS

Comparativo entre massa de camisa em Ferro Fundido e liga Al-Si Comparativo entre massa de camisa em Ferro Fundido e liga Al-Si 45Presses para cada etapa do ciclo do motor. Presses para cada etapa do ciclo do motor. 53Mapeamento do ciclo do motor Mapeamento do ciclo do motor 54Fraes da fase nas ligas (17 %Si) Fraes da fase nas ligas (17 %Si) 58Comparativo dos modelos, tempo de processamento e tamanho de arquivos Comparativo dos modelos, tempo de processamento e tamanho de arquivos 74

LISTA DE SIGLAS

Abal - Associao Brasileira do AlumnioEUA - Estados Unidos da AmricaNTHSA -National Highway Traffic Safety AdministrationCO2- Dixido de Carbonokg - Quilogramasg/cm - Densidade em gramas por centmetro cbicoCAD -Computer Aided DesignCAE -Computer Aided EngineeringGAC - Grupo Avanado de ClculoASM -American Society For MetalsAl - Elemento qumico AlumnioSi - Elemento qumico SilcioAl2O3- xido de AlumnioAlCl3 - Cloreto de AlumnioC - Temperatura em graus CelsiusCuAl2- Composto intermetlico Cobre-AlumnioMg2Si - Composto intermetlico Mangans-SilcioNa - Elemento qumico SdioSr - Elemento qumico Estrnciorpm - Revolues por minutoGLP - Gs Liquefeito Do Petrleomm - MilmetrosMEV - Microscopia Eletrnica De VarreduraEDS - Energia Dispersiva De Raios-XIPEN - Instituto de Pesquisas Energticas e NuclearesMEF Mtodo dos Elementos FinitosFEM Finite Element MethodFofo Ferro FundidoFRF - Funes de Resposta em FrequnciaGDL - Graus de LiberdadeProE Pro/Engineer WildFire 3.0HM HyperMesh 8cm Centmetros CbicosW/mK - Coeficiente De Condutividade Trmica em Watts por metro KelvinHz -Hertz, equivalente ao inverso de um segundoAbaqus Calculador das anlises em elementos finitosPMS - Ponto Morto SuperiorkPa - Presso em quilo PascalHPC -High Performance ComputerMPa - Presso em mega PascalN/D No Disponvel

SUMRIO

INTRODUO INTRODUO 17OBJETIVOS OBJETIVOS 19JUSTIFICATIVA JUSTIFICATIVA 20REVISO BIBLIOGRFICA REVISO BIBLIOGRFICA 22MOTORES DE COMBUSTO INTERNA MOTORES DE COMBUSTO INTERNA 22ALUMNIO ALUMNIO 26Liga Al-Si Liga Al-Si 28FUNDIO POR CENTRIFUGAO FUNDIO POR CENTRIFUGAO 31MATERIAIS E MTODOS MATERIAIS E MTODOS 34MTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) MTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF) 39Anlise Modal Anlise Modal 42Modelamento em MEF Modelamento em MEF 56RESULTADOS E DISCUSSO RESULTADOS E DISCUSSO 56MODOS DE VIBRAO AUTOVALOR E AUTOVETOR MODOS DE VIBRAO AUTOVALOR E AUTOVETOR 59TENSES ORIGINADAS PELO CICLO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR TENSES ORIGINADAS PELO CICLO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR 66COMPARAO DOS MODELOS COMPARAO DOS MODELOS 72CONCLUSES CONCLUSES 76ARQUIVO DE ENTRADA PARA ANLISE MODAL ARQUIVO DE ENTRADA PARA ANLISE MODAL 80ARQUIVO DE ENTRADA PARA ANLISE ESTRUTURAL ARQUIVO DE ENTRADA PARA ANLISE ESTRUTURAL 811. INTRODUO

Com a crise do petrleo na dcada de 80 no Brasil e no mundo, e a necessidade de tornar os carros mais econmicos e mais eficientes quanto ao nvel de emisses de gases contribuintes para o efeito estufa, vm-se buscando formas de desenvolver fontes renovveis combustveis que possam substituir os derivados de petrleo, bem como um substituto para a gasolina, pois esta a que a mais usada principalmente nos automveis, j que de uma eficincia moderada e de preo acessvel na maioria dos pases. Divulgados por noticirios de todo mundo, estudos mostram que o petrleo ir se esgotar, e de acordo com o site (http://www.carbonobrasil.com, 2006) estima-se que o petrleo durar de 70 a 80 anos. O Brasil se lanou na dcada de 80 com o Pr-lcool com seu combustvel derivado da cana de acar e renovvel, foram ento criados os primeiros motores a lcool, que nada mais eram do que os prprios motores gasolina que passaram por algumas pequenas alteraes devido ao baixo poder de queima do lcool em relao gasolina.Alm destes estudos para desenvolver novos combustveis, que sejam de fontes renovveis, e que emitam menos poluentes, atualmente a reduo de massa no veculo representa significativamente um aumento de eficincia do automvel, e reduz consideravelmente a emisso de gases, uma vez que o carro se torna mais leve e o trabalho necessrio para realizar o movimento menor. Segundo a Abal (2009,http://www.abal.org.br/aluauto/ed15/materia_meio.htm) e a Administrao Nacional de Trfego em Estradas dos EUA (National Highway Traffic Safety Administration NTHSA) a diminuio da massa dos veculos uma das medidas mais eficazes na reduo do consumo de combustvel e tem impacto direto nas emisses de CO2, j que para cada 100 kg reduzidos na massa total de um carro equivalem reduo de nove gramas de CO2por quilmetro rodado.Entre os materiais mais cotados para essa nova fase da indstria automotiva norte-americana e, por conseqncia, global, est o alumnio, dado suas propriedades de alta resistncia e leveza. O potencial de abatimento de massa de veculos por meio do uso do alumnio se torna bvio quando comparada a diferena de massa especfica do prprio material que equivale 2,7 g/cm, com as ligas ferrosas que variam em torno de 7,8 g/cm.Como mostra a Reduo de peso das princimapis aplicaes do Alumnio, o comparativo entre os componentes feitos em ligas ferrosas substitudos por ligas de alumnio, representam uma significativa reduo de massa.

1. Reduo de peso das princimapis aplicaes do AlumnioFonte:European Aluminium Association(EAA)

A troca de um material mais denso por um menos na indstria automobilstica necessariamente requer um teste de validao que comprove as funcionalidades da pea alterada com o novo material, a fim de comprovar se a mesma continua atendendo s solicitaes, e tambm manter sua resistncia mecnica ao desgaste, temperatura, rudo e principalmente vibraes mecnicas. O custo da troca de material de uma pea para uma empresa pode representar um alto investimento em testes de validao, uma vez que um prottipo dever ser construdo para averiguar se a nova pea suportar as condies anteriormente suportadas pela pea antecessora, caso o mesmo no atenda aos pr-requisitos, pelo mtodo de tentativa e erro ser necessrio a construo de outro prottipo at que o mesmo suporte tais carregamentos. Para isso foram desenvolvidas ferramentas computacionais a fim de reduzir o custo com esta construo de prottipos e ensaios ou testes. Na realidade este procedimento no isenta a aplicao de um prottipo, mas sim reduz a quantidade destes gerados, uma vez que dependendo da aplicao necessria a criao de um prottipo para validao de um componente.Essas ferramentas so conhecidas como CAD (Computer Aided Design) e CAE (Computer Aided Engineering). No CAD os modelos so desenhados e no CAE os modelos so testados. Segundo o site do Grupo Avanado de Clculo (GAC Solues, 2009) o CAE mais comumente feito em anlise de elementos finitos, que consiste emuma anlise numrica para soluo de problemas atravs da discretizao da estrutura, ou modelo em anlise. Pode ser aplicada, virtualmente, e em qualquer tipo de estrutura.O CAE, ou engenharia auxiliada por computador, a aplicao de um programa que permite avaliar diferentes aspectos do comportamento da estrutura/componente. Englobam as anlises de tenses e deformaes, anlise trmica, anlise de dinmica de fludos, anlise de mecanismos, entre outros. Via de regra, um programa de CAE pode ser definido em trs etapas: uma etapa de pr-processamento, na qual o modelo em anlise preparado; uma etapa de soluo do problema, em que o conjunto de equaes que definem o problema resolvido; uma etapa de ps-processamento, na qual os resultados obtidos na etapa anterior podem ser trabalhados e visualizados.Tambm segundo a GAC (2009) a utilizao da ferramenta CAE no desenvolvimento de um produto traz benefcios para a empresa. O CAE pode substituir o processo de tentativa e erro no desenvolvimento do projeto. Atravs do CAE possvel verificar vrias configuraes diferentes para a geometria de um componente, sem que seja necessrio construir prottipos destas configuraes. Se ganha em tempo e reduz-se o custo.

1. OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho testar computacionalmente a aplicabilidade de camisas para motores a combusto interna ciclo Otto constitudas a partir da liga hipereuttica de alumnio-silcio fundidas por centrifugao, por meio de simulao estrutural e vibracional em computador com auxilio de ferramentas avanadas de CAD e CAE, e tambm estudar as tenses na camisa e no bloco geradas pelas presses de cilindro, temperatura de funcionamento do motor, bem como seus modos de vibrao naturais, possibilitando assim uma tomada de deciso quanto a viabilidade da construo de um prottipo para testar sua viabilidade mecnica de funcionamento.Neste trabalho ser apresentado um estudo virtual em elementos finitos que mostra resultados que podem ser comparados com uma tima correlao com os fenmenos apresentados no modelo real, desde que as condies de contorno sejam fielmente, ou o mais prximo possvel da vida real, representadas no modelo matemtico.

2. JUSTIFICATIVA

Devidogrande necessidade na indstria automotiva em reduzir o peso dos carros a fim de aperfeioar a relao peso/potncia do automvel, muitos componentes estosendo trocados por materiais mais leves e mais baratos, em termos de custo/benefcio.Entre os materiais mais cotados como substituto a materiais mais pesados na indstria automotiva est o alumnio e suas ligas. O potencial de diminuio da massa de veculos por meio da utilizao do alumnio bvia quando comparada diferena de massa especfica do alumnio 2,7 g/cm3em relao ao ao 7,8 g/cm e ao ferro fundido 7,2 g/cm3(PADILHA,2000). Ligas do sistema Al-Si so as mais importantes entre as ligas fundidas de alumnio, principalmente por sua alta fluidez, baixa contrao nos fundidos, elevada resistncia corroso, boa soldabilidade, fcil brasagem e seu baixo coeficiente de expanso trmica (ASM HANDBOOK, 1991). Uma das principais caractersticas destas ligas que elas consistem de uma fase primria, de alumnio ou de silcio, e de uma estrutura euttica composta por esses dois elementos.Segundo a Associao Brasileira do Alumnio - ABAL, o uso de 1 kg de alumnio substitui 2 kg de ao. Incluindo as redues secundrias de peso, e, diminuindo em 100 kg o peso de um carro so economizados 0,38 litros de combustvel a cada 100 km rodados. Em mdia, um carro hoje que usa 135 kg de alumnio economiza mais de duas toneladas de emisses de CO2ao rodar 150.000 km. Usando 100 kg de alumnio nos veculos, as emisses de CO2so reduzidas para 10 g/km rodado, contribuindo para que a indstria automotiva alcance a meta de 140 g de CO2por km por carro.De acordo com aComputer Aided Engineering, a Engenharia Auxiliada por Computador ou CAE uma ferramenta de trabalho que utiliza o computador para dar suporte engenharia auxiliando-a no desenvolvimento de projetos, por meio de anlises predefinidas, tais como: anlises estticas, dinmicas, trmicas, magnticas, de fluidos, acsticas, de impacto e simulaes, fazendo do CAE uma ferramenta poderosa para reduo de custos de um projeto e minimizado o tempo de lanamento do produto final.Atualmente o alumnio promove a gerao de emprego e renda para milhares de trabalhadores. Estimativas feitas pela ALCOA junto com a ABAL apontam a existncia de aproximadamente 170 mil pessoas ligadas ao processo de reciclagem do alumnio, gerando 3,3 mil empregos diretos.Contudo, visando a necessidade de reduo de massa nos automveis para reduo de poluio ambiental, melhorias nas condies sociais com a gerao de empregos e o aperfeioamento do uso da tecnologia, este trabalho visa a aprovao, ou no, das camisas desenvolvidas em liga Al-Si, estudando-as computacionalmente, tentando viabilizar assim a reduo de custos com a construo de prottipos com a incerteza de que o conceito pode ser aplicado. Caso as simulaes tragam consigo resultados positivos, ento um prottipo poder ser ento construdo para que a validao fsica da aplicabilidade em motores desta nova tcnica possa ser comprovada.

2. REVISOBIBLIOGRFICA

Sero abordados os temas relacionados pesquisa bibliogrfica feita at o presente momento, nos quais foram embasadas todas as atividades experimentais/computacionais e servir tambm de direcionamento para a continuidade do projeto. O estudo do alumnio e suas ligas utilizadas para fundio e os processos utilizados para a fundio dos mesmos esto abordados de forma ampla no texto a seguir.

1. MOTORES DE COMBUSTO INTERNA

Motores consistem em mquinas trmicas que permitem realizar a transformao de energia trmica em energia mecnica (BRUNETTI e GARCIA, Motores de Combusto Interna, So Paulo, 1995).A energia trmica pode ser obtida a partir da combusto de uma mistura combustvel-comburente, energia eltrica, energia de fisso atmica entre outras.No objeto deste estudo os motores estudados sero os de ciclo Otto, de combustvel lcool ou gasolina. O ciclo Otto consiste em um ciclo padro de ar composto por quatro etapas: admisso, compresso, combusto-expanso e por ltimo o escape dos gases. ACiclo padro a ar Omostra o ciclo padro Otto como um diagrama de presso versus volume deslocado pelo pisto:

2. Ciclo padro a ar Otto

Do ponto 0 ao 1 compreende-se a admisso; do ponto 1 at o 2 a compresso; do ponto 2 ao 3 se tem um aumento de presso sem variao de volume compreendendo a combusto da mistura; de 3 para 4 acontece a expanso dos gases e do ponto 4 passando por 5 e retornando ao 0 temos o escape.Fisicamente este ciclo pode ser representado por um motor alternativo, com pistes que se movimentam alternativamente dentro de um cilindro. AOs quatro tempos de um motor de ciclo Ottoa seguir mostra um motor de ciclo Otto em seus quatro tempos.

3. Os quatro tempos de um motor de ciclo Otto

Explicando melhor o funcionamento domotor de ciclo Otto movido a gasolina, basta acompanhar aOs quatro tempos de um motor de ciclo Otto. No primeiro tempo se admite ar e combustvel, no segundo tempo essa mistura ar+combustvel comprimida at que haja uma ignio por parte da vela de ignio ocasionando a combusto da mistura e o terceiro tempo do motor, que a expanso e a gerao de fora, como mostram as setas em vermelho da figura, para obteno de movimento e no quarto e ltimo tempo os gases resultantes da queima de combustvel so expelidos para a atmosfera.O motor lcool tambm consiste em um motor Ciclo Otto, muito parecido com um motor gasolina, somente diferenciado pela taxa de compresso maior que a do motor gasolina devido ao lcool ter um poder calorfico menor e o motor ser submetido a tratamentos anti-corrosivos devido ao lcool conter gua e oxidar algumas partes vitais do carro e motor; como por exemplo: tanque de combustvel quando o mesmo no fabricado em plstico, bicos injetores de combustvel. A camisa do cilindro no afetada, uma vez que a mesma durante o funcionamento do motor lubrificada com leo lubrificante para reduzir o atrito e diminuir o desgaste.A mistura ideal de comburente e combustvel, tambm conhecida como mistura estequiomtrica, segundo a apostila do curso de Sistemas de Alimentao SENAI (2002), de um motor movido a lcool da ordem de 9:1, ou seja, so necessrias nove partes de ar para uma parte de combustvel para que a combusto seja completa.Essa mistura estequiomtrica aps um processo termodinmico, ou seja, uma reao qumica de queima gera uma fora sobre o pisto, como mostra aOs quatro tempos de um motor de ciclo Ottoque gira a rvore de manivelas, que por sua vez gira o cmbio transmitindo o torque gerado, descontando todas as suas perdas por atrito entre os componentes at chegar s rodas do carro.Um motor de quatro cilindros tem a cada revoluo de seu virabrequim duas exploses dentro de dois de seus cilindros, em outras palavras, a cada revoluo, duas combustes so realizadas. Este nmero varia conforme o nmero de cilindros, no caso de um motor de seis cilindros h trs combustes por revoluo e em um oito cilindros tm-se quatro combustes. Estas relaes no se aplicam a motores radiais, uma vez que as bielas so acopladas a um nico munho do virabrequim e basicamente as combustes so sequenciais com quase todas as combustes em uma nica revoluo do motor como se pode observar naMotor Radial.

4. Motor Radial para avies Duas revolues, cinco cilindros em combustoFonte: http://www.turbosquid.com/FullPreview/Index.cfm/ID/211544, 2009

A definio do nmero de combustes por revoluo importante para a definio de qual a ordem de excitao forada que o motor e seus componentes esto submetidos devido ao seu funcionamento. Este conceito ser usado posteriormente para determinar qual o limite de frequncia natural mnima para que as peas acopladas ao motor no sejam excitadas em suas frequncias naturais, fazendo assim com que o mesmo componente entre em ressonncia, gerando rudo ou possvel colapso do mesmo, uma vez que as amplitudes de vibrao para ressonncia seriam mximas.Seguindo o exemplo ilustrado naMotor Radial para avies Duas revolues, cinco cilindros em combusto, o motor radial em questo em uma revoluo do virabrequim teria trs cilindros em combusto e na segunda volta do virabrequim dois cilindros entrariam em combusto, completando assim o ciclo do motor. Portanto, esse motor tem uma excitao de segunda ordem e meia, uma vez que em hora seria de terceira ordem e na sequncia seria de segunda, gerando assim uma resultante de excitao de segunda ordem e meia.APisto com um fragmento de Vlvula cravado em seu topomostra um pisto com um fragmento de vlvula cravada em seu topo devido a uma rotao superior ao limite inercial da vlvula, ou seja, quando a rotao do motor excede este limite, o pisto se desloca mais rpido que a vlvula, fazendo com que o mesmo colida com a vlvula, ocasionando o seu empenamento ou at sua quebra, este fato popularmente conhecido como atropelamento de vlvulas. A fim de evitar este fenmeno, os motores so equipados com sensores de rotao que enviam sinais para um mdulo de ignio que por sua vez limitam a rotao do motor.

5. Pisto com um fragmento de Vlvula cravado em seu topoFonte: http://www.peteandersonracing.com/PTV.html2. ALUMNIO

O alumnio um metal branco acinzentado malevel e dctil, sendo um dos elementos metlicos mais abundantes na crosta terrestre. Pertence ao grupo 13 da tabela peridica. A alumina (xido de alumnio, Al2O3), encontrada em minrios, j era usada por Gregos e Romanos na medicina da poca. Em 1787,Lavoisiersuspeitou que esta substncia fosse um xido de um metal desconhecido. Seu nome foi proposto por Davy em 1807 como Alumium, posteriormente trocado para Aluminium (alumnio). O metal alumnio foi isolado porHans Christian Oerstedem 1825, reagindo cloreto de alumnio (AlCl3) com amlgama de potssio (uma liga de potssio e mercrio). O aquecimento do amlgama formado de alumnio e mercrio com presso reduzida separa o mercrio (com menor ponto de ebulio) do alumnio.O alumnio o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre perdendo somente para o oxignio (46,4%) e silcio (27,7%) (About.com). Localizado a uma profundidade de 16 km, contm cerca de 8,1% de alumnio, mas devido sua grande afinidade com o oxignio, raramente encontrado livre, formando sempre xidos ou silicatos. Suas aplicaes industriais so relativamente recentes, sendo produzido em escala industrial a partir do final do sculo XIX. Quando foi descoberto verificou-se que a sua separao das rochas que o continham era extremamente difcil. Como conseqncia, durante algum tempo, foi considerado um metal precioso, mais valioso que o ouro. Com o avano dos processos de obteno, os preos baixaram continuamente at colapsar em 1889 devido descoberta de um mtodo simples de extrao do metal. Atualmente, um dos fatores que estimulam o seu uso a estabilidade do seu preo provocada principalmente pela sua reciclagem.Em 1859,Henri Sainte-Claire Devilledestacou melhorias no processo de obteno, ao se substituir o potssio por sdio e o cloreto simples pelo duplo, e posteriormente, com a inveno do processo pelos qumicosCharles Martin HallePaul Hroultem 1886 usando como base a eletrlise, simplificou-se e barateou-se a extrao do alumnio a partir do mineral. Este processo, chamado de Hall-Hroult, juntamente com o processo Bayer, descoberto no mesmo ano, permitiram estender o uso do alumnio para uma multiplicidade de aplicaes at ento economicamente inviveis. Transformar alumina, ou xido de alumnio, emalumniorepresentou um marco importante da revoluo industrial. At que as modernas tcnicas de fundio evolussem, apenas quantidades pequenas de alumnio podiam ser obtidas. A maioria dos processos iniciais dependia de deslocar o alumnio por meio de metais mais reativos, mas isso torna a produo dispendiosa e complicada.Suas excelentes propriedades fsico-qumicas, dentre as quais se destacam o baixo peso especfico, a resistncia corroso, a alta condutibilidade trmica e eltrica e a infinita reciclagem, apresenta uma ampla variedade de utilizao, que o torna o metal no ferroso mais consumido no mundo (ABAL, 2007).O Programa de Recursos Minerais dos Estados Unidos da Amrica realizou uma pesquisa em 2003 onde o Brasil foi apontado como o sexto maior produtor de alumnio primrio, como mostra aError: Reference source not founda seguir:

6. Maiores produtores de alumnio primrioFonte:United States Geological Survey Mineral Resources Program, 2003

O alumnio puro (99,99% de pureza) se funde a 660,5 C; na medida em que se adicionam outros elementos de liga ocorre alterao no ponto de fuso, surgindo inclusive, a formao de um intervalo de solidificao; seu ponto de ebulio de 2494 C. Quanto maior a quantidade de xidos de alumnio e impurezas dissolvidas no metal lquido, maior a viscosidade para uma temperatura, ou seja, menor ser a fluidez do alumnio. A densidade do alumnio puro, no estado slido de 2,69 g/cm3. Com a elevao da temperatura ocorre tambm a variao da densidade e do volume especfico do alumnio. A densidade do alumnio alterada pela introduo de outros elementos, aumentando com a adio de ferro, mangans, cromo, cobre, nquel, titnio e zinco ou diminuindo com a adio de magnsio, silcio e ltio (MALAVAZI, 2008)

1. Liga Al-Si

O alumnio fundido dissolve outros metais e substncias metalides como o silcio (que atua como metal). Quando o alumnio se resfria e se solidifica, alguns dos constituintes da liga podem ser retidos em soluo slida. Isto faz com que a estrutura atmica do metal se torne mais rgida. Os tomos podem ser visualizados como arranjos em uma rede cristalina regular se interligando formando molculas de tamanhos diferentes daqueles do elemento de liga principal. A principal funo das ligas de alumnio alterar as caractersticas padres de cada um dos materiais de base, neste caso visando aumentar a resistncia mecnica sem prejudicar as outras propriedades. Assim, novas ligas tm sido desenvolvidas combinando as propriedades adequadas a aplicaes especficas (ABAL, 2010).Aps a fuso, ou mesmo quando aquecido, um metal quente pode manter mais elementos de liga em soluo slida do que quando frio. Conseqentemente, quando resfriado, ele tende a precipitar o excesso dos elementos de liga da soluo. Este precipitado pode ser na forma de partculas duras, como o caso do Silcio, gerando compostos intermetlicos, tais como: CuAl2ou Mg2Si. Estes agregados de tomos metlicos deixam a rede cristalina ainda mais rgida e endurecem a liga. A descoberta do envelhecimento das ligas que contm magnsio e silcio conduziu ao desenvolvimento das principais ligas estruturais utilizadas hoje na engenharia. Este foi um trabalho pioneiro no campo das ligas de alumnio-magnsio, amplamente utilizadas na indstria naval.Um dos aspectos que tornam as ligas de alumnio to atraentes como materiais de construo mecnica o fato de o alumnio poder combinar-se com a maioria dos metais de engenharia, chamados de elementos de liga. Com essas associaes, possvel obter caractersticas tecnolgicas ajustadas de acordo com a aplicao do produto final. Mas para isso, preciso conhecer bem as vantagens e limitaes de cada elemento para fazer a melhor seleo. O grande alcance das ligas oferece indstria uma grande variedade de combinaes de resistncia mecnica, resistncia corroso e ao ataque de substncias qumicas, condutibilidade eltrica, usinabilidade, ductibilidade, formabilidade, entre outros benefcios.A funo de cada elemento da liga se altera de acordo com a quantidade dos elementos presentes na liga e com a sua interao com outros elementos. Em geral, podem-se dividir os elementos entre:- Elementos que conferem liga a sua caracterstica principal (resistncia mecnica, resistncia corroso, fluidez no preenchimento de moldes, etc.);- Elementos que tm funo acessria, como o controle de microestrutura, de impurezas e traos que prejudicam a fabricao ou a aplicao do produto, os quais devem ser controlados no seu teor mximo (ABAL, 2010).Os elementos de ligas mais comuns so: silcio, cobre, ferro, magnsio, mangans, zinco e mais raramente encontram-se o nquel, titnio, cromo, ltio e zircnio para aplicaes em ligas especiais. Nas ligas de Al-Si que contm 12,0% de silcio a contrao de solidificao do alumnio puro reduzida de 6,0% para 3,5%. Devido ao menor intervalo de solidificao (comparado com outros elementos de liga), as ligas de Al-Si apresentam uma menor tendncia a porosidades espalhadas, as mesmas se concentram nas regies onde h uma menor perda de calor. O silcio propicia a solidificao do tipo casca, ou seja, a solidificao progride das paredes do recipiente, ou molde, para o centro da pea, formando camadas, essa solidificao culmina em um rechupe, ou um vazio de contrao, na ultima regio solidificada. Esta liga muito utilizada para a fabricao de coletores de ar ou peas que exijam estanqueidade.O silcio tambm aumenta a resistncia ao desgaste e a resistncia mecnica da liga; bem como diminui o alongamento, o que a torna ideal para fabricao de rodas de veculos.Na fundio sob presso, o silcio aumenta a fluidez da liga favorecendo o preenchimento da cavidade do molde cujas peas sejam complexas e paredes finas.Um grande nmero de ligas de alumnio tem sido desenvolvido para fundio, mas muitas destas ligas so variedades de seis tipos bsicos: alumnio-cobre, alumnio-cobre-silcio, alumnio-silcio, alumnio-magnsio, alumnio-zinco-magnsio e alumnio-estanho. Dentre estas ligas, as mais utilizadas so as ligas da famlia Al-Si. Ligas Al-Si sem adio de cobre so usadas quando uma boa fundibilidade e uma boa resistncia corroso so necessrias ao componente fundido. Se uma alta resistncia mecnica tambm for necessria, a adio de magnsio torna estas ligas tratveis termicamente. Ligas com teores de silcio to baixos quanto 2% tem sido utilizadas na fundio, mas a quantidade de silcio usual situa-se entre 5% e 13%.Conforme o diagrama de fases Al-Si apresentado naDiagrama de Fases Al-Si, dependendo da quantidade de Si, as ligas podem ser divididas em: ligas hipereutticas que so as mais comuns, compreendidas na faixa de 13 a 20% de Si; liga euttica com 12,6% de Si em peso, e ligas hipoeutticas com teor de Si menor que da liga euttica. As ligas hipoeutticas so formadas por uma fase primria de alumnio com morfologia dendrtica constitudas por ramos secundrios, tercirios e at de maior ordem. Os vazios entre esses ramos dendrticos so preenchidos por fases intermetlicas e por uma estrutura euttica (GRUGEL, R.N; 1993). A estrutura euttica no estado no-modificado exibe a fase Si com morfologia acicular na forma de grandes plaquetas. No entanto, essa morfologia pode ser controlada em seu crescimento por modificadores sdio e estrncio que permitem um refino da estrutura euttica e pode melhorar a ductilidade das peas fundidas. A adio de modificadores diminui a temperatura de nucleao e de crescimento na interface slido/lquido, em razo do refino da estrutura euttica, o que fora a fase Si a adotar uma morfologia fibrosa e irregular (CHADWICK, G.A; 1972).

7. Diagrama de Fases Al-SiFonte:ASENSIO-LOSANO, J.; SUAREZ-PENA, B.;2006

A Resistncia mecnica e ductilidade destas ligas, especialmente as com alto teor de silcio, pode ser substancialmente melhorada pela adio de elementos de liga refinadores de gro (modificadores). A modificao de ligas hipoeutticas particularmente vantajosa em fundio em areia verde, podendo ser efetivamente obtida pela adio de quantidades controladas de sdio e estrncio, que tm por finalidade refinar o silcio euttico; clcio e antimnio tambm podem ser utilizados. Pseudo-modificao em areia de fundio, no qual o tamanho do euttico alterado sem alterao da estrutura, pode ser obtida em elevadas taxas de solidificao, como ocorre quando o coquilhamento, ou molde metlico, utilizado. Com a utilizao de molde metlico permanente, a modificao do euttico tambm vantajosa, mas o efeito nas propriedades no to acentuado quanto na utilizao de fundio em areia a verde (ASM Handbook,;1991), (DJURDJEVIC, M; JIANG, H.; SOKOLOWSKI, J.; 2001), (DASH, M.; MAKHLOUF, M.; 2001)

3. FUNDIO POR CENTRIFUGAO

Na fundio por centrifugao, um molde permanente rotacionado sobre seu eixo em velocidade de 1000 a 1500 rpm, quando o metal fundido vazado em movimento de rotao na direo da parede do molde, onde solidificado aps o resfriamento. O tamanho de gro da pea fundida pequeno, principalmente no dimetro externo resultando em um acabamento mais refinado, j o dimetro interno da pea contm mais impurezas resultando assim em um acabamento superficial mais grosseiro.Este processo tem uma limitao de forma, ou seja, somente peas com formatos cilndricos podem ser obtidas por ele. Materiais tpicos que podem ser usados por este processo so: ferro, ao, ao inoxidvel, e ligas de alumnio, cobre e nquel, resultando em componentes tpicos das aplicaes de engenharia tais como: tubos, caldeiras, vasos de presso, cilindros dentre outros componentes que possuem forma cilndrica.O funcionamento de uma mquina para fundio centrfuga pode ser descrito como uma coquilha com geometria interna controlada que gira em torno de seu prprio eixo bi-apoiados por roletes, acionados por meio de um motor eltrico. A centrifugao favorece a purificao do metal pela ao da fora centrfuga, que faz com que os componentes menos densos, no-metlicos e impurezas, concentrem-se no dimetro interno da pea, podendo posteriormente passar por um processo de usinagem da mesma para se retirar estas impurezas.

Uma representao esquemtica da fundio por centrifugao mostrada naRepresentao esquemtica da fundio por centrifugao - horizontal. O esquema apresentado nesta figura a centrfuga horizontal, existe tambm outro tipo de carcaa centrfuga, denominada vertical, representada esquematicamente naRepresentao esquemtica da fundio por centrifugao - verticala seguir. No funcionamento de uma carcaa centrfuga, um brao articulado est livre para girar em torno de um eixo vertical/horizontal, dirigido por um motor eltrico. A semelhana entre as duas so seus produtos, j uma diferena est na no necessidade de um duplo apoio na centrifuga vertical, uma vez que esta pode apenas ser apoiada em sua base; outra diferena est por conta das peas produzidas na horizontal sempre sero fechadas e no tubulares por exemplo.

8. Representao esquemtica da fundio por centrifugao - horizontalFonte:COUTO, A.; 2009

9. Representao esquemtica da fundio por centrifugao - verticalFonte:COUTO, A.; 2009

Como descrito anteriormente sobre a necessidade de se reduzir massa dos veculos automotores como forma de reduo em emisses de gases, como o CO2, uma das rotas de processamento de componentes automotivos mais leves tem sido a fundio por centrifugao (ZHANG, J.; FAN.Z.; WANG, Y.; ZHOU, B.; 2000), (CHEN, G.; TONG, M.; ZHU, Z.; 1996). Em um destes trabalhos (ZHANG, J.; FAN.Z.; WANG, Y.; ZHOU, B.; 2000) foi estudado o efeito da distribuio de partculas de Mg2Si em ligas AI-Si hipereutticas devido variao dos parmetros da fundio por centrifugao. Estes autores notaram uma forte influncia devido a variao da velocidade de rotao da centrfuga na distribuio e no tamanho das partculas de Mg2Si. Alm disto, verificaram um aumento nos defeitos do fundido quando da utilizao de baixas velocidades de rotao da centrfuga. Outro estudo recente nesta mesma linha de processamento foi feito obtendo os mesmos resultados apresentados (DUQUE, N. B.; MELGAREJO, Z. H.; SUAREZ, O. M.; 2005). Estes autores investigaram o compsito de matriz alumnio reforado com partculas de AlB2processada por fundio por centrifugao. Estes autores verificaram a possibilidade de redistribuio das partculas de reforo. O fundido por centrifugao exibiu em sua zona externa uma maior frao volumtrica das partculas de reforo e uma maior dureza superficial do que na zona interna. Um efeito contrrio a este o que se deseja aplicar este produto como camisa de cilindro.A principal propriedade exigida do material da camisa de cilindros automotivos a resistncia ao desgaste devido abraso que o pisto e os anis exercem na superfcie interna da camisa quando do funcionamento do motor. As ligas de Al-Si hipereutticas com elevado teor de silcio so candidatas utilizao como camisa de cilindro, pois o silcio adicionado ao alumnio em grandes quantidades aumenta consideravelmente a resistncia ao desgaste da liga. Contudo, ligas com grandes quantidades de silcio apresentam uma fragilidade o que acaba dificultando a utilizao deste material como camisa de cilindro.A utilizao do processo de fundio por centrifugao tornaria possvel se pensar em utilizar ligas Al-Si com grandes concentraes de silcio para fabricao de camisas de cilindro. Neste caso ento, seriam utilizadas ligas levemente hipereutticas de modo que a centrifugao faria com que ocorresse uma concentrao de silcio, devido a sua menor densidade, na parede interna da camisa de cilindro, enquanto que o restante do componente teria teor de silcio mais baixo. Nestas condies estariam atendidos os requisitos de resistncia ao desgaste na superfcie interna da camisa devido ao alto teor de silcio segregado e ao mesmo tempo o componente no seria fragilizado, pois o restante da camisa teria baixo teor de silcio e uma alta concentrao de alumnio, que forneceria para a camisa a ductibilidade necessria para sua no fragilizao.

3. MATERIAIS E MTODOS

A representao esquemtica da fundio por centrifugao horizontal mostrada anteriormente naRepresentao esquemtica da fundio por centrifugao - horizontal, apresenta o mtodo de obteno das camisas de cilindro utilizada neste trabalho, que representa um esquema do equipamento mostrado a seguir naViso geral da centrifuga a ser utilizada neste trabalho, compondo uma viso geral da centrifuga e instalada no Laboratrio de Fundio do Departamento de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia Universidade Presbiteriana Mackenzie que foi gentilmente doada pela empresa Magneti Marelli Cofap, em parceria no desenvolvimento deste projeto.

10. Viso geral da centrifuga a ser utilizada neste trabalho

Toda a instalao eltrica foi feita pelo departamento tcnico do Mackenzie. A posio do painel de controle da centrifuga foi alterada para evitar que o mesmo sofra com o efeito das temperaturas elevadas decorrente do aquecimento da coquilha.AVista da tampa da coquilha utilizada na fundio por centrifugaomostra uma vista da tampa da coquilha para confeco das camisas automotivas utilizada neste trabalho, tampa a qual removida aps o processo de vazamento do metal fundido em seu interior para se retirar o tubo fundido do interior da coquilha.

11. Vista da tampa da coquilha utilizada na fundio por centrifugao

ARoletes da mquina centrfuga, apoios da que giram a coquilhamostra os roletes da mquina centrfuga, que servem de apoio para a coquilha, que por atrito transmitem a rotao do motor para a coquilha. Pode se observar a correia de transmisso que vai para o motor no canto inferior esquerdo daRoletes da mquina centrfuga, apoios da que giram a coquilha.

12. Roletes da mquina centrfuga, apoios da que giram a coquilha

NaBica de vazamento da centrifuga mostrada uma vista frontal da centrfuga com a bica de vazamento em destaque, nela a liga em estudo ser vazada, e a bica direcionar o metal fundido para dentro da coquilha que se encontra em contato com os roletes j em rotao.

13. Bica de vazamento da centrifuga

Foi elaborada uma sistemtica para aquecimento da coquilha e da bica de vazamento por meio da queima do gs liquefeito do petrleo (GLP) utilizando um maarico, conforme mostrado naAquecimento da coquilha (A) e da bica de vazamento (B). Depois da instalao da centrifuga e de todos os testes realizados, foi feita uma fundio experimental com alumnio comercialmente puro a fim de testar a operao da centrifuga com um material mais barato e comum evitando um desperdcio da liga.

(A) (B)14. Aquecimento da coquilha (A) e da bica de vazamento (B)

Nesta fundio no foram controladas as variveis do processo nem to pouco adicionados escorificantes ou desgaseificantes, ou seja, somente a operao da centrifuga e a obteno do tubo de alumnio centrifugado foi testada. Esta operao inicial teve a participao, alm dos componentes da equipe do projeto, de trs engenheiros especializados neste processo da Magneti Marelli Cofap.Uma foto do primeiro tubo centrifugado obtido no Laboratrio de Fundio do Mackenzie apresentada naTubo de Alumnio fundido por centrifugao. Nota-se que a espessura do tubo apresentou-se uniforme e uma elevada quantidade de irregularidades superficiais foram apresentados, decorrente da no desgaseificao desta fundio.

(A) (B)15. Tubo de Alumnio fundido por centrifugao

A temperatura de vazamento e a metodologia de utilizao de modificador e refinador de gro foram mantidas nas mesmas condies para todas as fundies executadas. A velocidade de rotao e a temperatura da coquilha foram controladas utilizando-se um tacmetro e um pirmetro ptico, respectivamente. A inteno nesta etapa do trabalho fazer pequenas variaes nas condies do processo e analisar o comportamento da microestrutura, principalmente relacionado com o posicionamento do silcio na parede da camisa. As modificaes na morfologia e tamanho dos gros e na intensidade da segregao do silcio para a parede interna da camisa do cilindro causam mudanas nas propriedades mecnicas da liga e conseqentemente no seu desempenho em campo.Na execuo das fundies, as ligas foram pesadas de acordo com a capacidade do cadinho de vazamento que ilustrado naCadinho do forno de induo utilizado para vazar as camisas, pertencente ao Laboratrio de Fundio do Departamento de Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia Universidade Presbiteriana Mackenzie. A adio do desgaseificante hexacloroetano, do escorificante Coveral VW11 (1%) e dos modificadores e refinadores de gros ocorreram em trs momentos seqenciais no processo de fundio, j a adio dos modificadores e refinadores de gros ocorreu aps a retirada da escria, com movimentao vertical do banho por cinco minutos e posterior repouso at atingir a temperatura de vazamento.

16. Cadinho do forno de induo utilizado para vazar as camisas

A temperatura do banho lquido foi controlada com o auxlio de um pirmetro de imerso. A coquilha e a bica foram pr-aquecidas a aproximadamente 250C. O vazamento foi feito na bica da centrfuga. Foram utilizadas duas temperaturas de vazamento: 720 e 750C. A velocidade de rotao da centrfuga foi mantida constante em 1.500 rpm. Aps o vazamento na coquilha, esta foi mantida girando a 1.500 rpm por 60 segundos, quando a centrifuga foi desligada e o tubo extrado da coquilha.AError: Reference source not foundmostra o tubo centrifugado com um acabamento superficial muito melhor que o apresentado naTubo de Alumnio fundido por centrifugao, justificando a adio do agente desgaseificante e escorificante.

17. Tubo fundido com quase nenhuma irregularidade

18. Anis das extremidades do tubo, cortados para medies de dureza

Para cada condio de fundio das camisas de cilindro foram obtidas amostras para medidas de dureza e caracterizao microestrutural. As amostras foram retiradas de anis cortados a 100 mm das extremidades do tubo centrifugado, tanto na regio do vazamento como na regio final do tubo. AAnis das extremidades do tubo, cortados para medies de durezamostra as amostras cortadas nas regies de vazamento final e de vazamento do tubo. As medidas de dureza foram executadas emequipamento Buehler com aplicao de um carregamento de 49,05 N. As medidas de microdureza foram executadas utilizando o equipamento PanambraHXD1000 TMadquirido nesteprojeto.

1. MTODO DE ELEMENTOS FINITOS (MEF)

O Mtodo dos Elementos Finitos, tambm conhecido como MEF ouFinite Element Model- FEM , seu termo foi introduzido em 1960 por Raymond William Clough e tem permanecido at os dias de hoje. Virtualmente todos procedimentos tcnicos podem ser simulados virtualmente com o auxilio de um computador e o FEM, no entanto, isso implica na diviso do objeto de estudo em elementos de geometria simples (reta, tringulo, quadrado, tetraedro, pentaedro, ou hexaedro) e de tamanho relativamente pequeno se comparado ao componente.AParafuso Modelado em CAD Pro/Engineermostra um exemplo de um parafuso sextavado no software desenvolvido em CAD com o auxilio do softwarePro/Engineer Wildfire 3.0, ou ProE, neste caso o auxilio da ferramenta CAD predecessora do MEF, mas no necessariamente se necessrio uma geometria em CAD para geramos um MEF, ou seja, ele pode ser modelado diretamente gerando-se uma malha de casca, tambm conhecida como 2D e posteriormente baseado nessa geometria MEF 2D ento criada a malha 3D.

19. Parafuso Modelado em CAD Pro/Engineer

A partir ento da geometria desenvolvida no CAD a mesma exportada em um formato de arquivo que possa ser importado pelo software do MEF, que no caso deste estudo oHyperMesh 8.0, ou HM, e assim os elementos finitos so gerados baseando-se na geometria anteriormente descrita como mostra aParafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0.NaParafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0notam-se elementos quadrados e triangulares, definidos por arestas que conectam os vrtices, que por sua vez, so compartilhados pelos elementos vizinhos, e so definidos por junes que so definidas como ns. AElemento Pentadrico que constitui o Parafuso da Parafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0mostra em particular um dos elementos da ponta do parafuso isoladamente e em uma viso de arestas apenas, assim para que se entenda melhor o conceito de um elemento finito e de como ele gerado.

20. Parafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0

Como mostra aElemento Pentadrico que constitui o Parafuso da Parafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0o parafuso foi constitudo por elementos pentadricos slidos, ou seja, com cinco faces formado por seis ns definindo um pequeno volume. Estes elementos esto ligados entre s pelos seus ns. Pequenos elementos so importantes por causa do comportamento formulado por aproximao utilizando equaes lineares aplicveis somente a elementos finitesimais (BOSCH, 2004). O princpio bsico do MEF consiste na linearizao dos processos que ocorrem num determinado corpo, ou seja, o comportamento da estrutura real descrito por equaes lineares portanto este movimento est limitado a trajetrias retilnias.

21. Elemento Pentadrico que constitui o Parafuso daParafuso Modelado em MEF 3D HyperMesh 8.0

1. Anlise Modal

As condies de contorno definem como o problema representado/fixado, ou como ele aplicado na realidade, contatos com o solo por exemplo, ou uma fixao na parede no caso de um parafuso com bucha. No caso de uma anlise modal, onde os resultados so obtidos atravs de equaes do movimento ou no dominio da frequncia, por meio das Funes de Resposta em Frequncia ou FRF. As condies de contorno so livre-livre, ou seja, os modos de vibrar de um componente calculado como se ele estivesse no espao sem nada o segurando. Computacionalmente esta condio de contorno facilmente compreendida, na realidade este teste pode ser modelado pendurando-se um componente em um fio ou cabo de ao, permitindo assim que o componente tenha todos seus Graus de Liberdade, ou GDL, livres, ou seja, no tenha fixao rgida. Segundo Beer e Johnston (1994),Grau de liberdade o nmero de movimentos rgidos possveis e independentes que um corpo pode executar esto expressos naGraus de Liberdade de um elemento slido.a seguir:

22. Graus de Liberdade de um elemento slido.Fonte:BEER; JOHNSTON, 1994

Os seis possveis GDL de um elemento slido ou finito, ou seja, trstranslaes nas direes dos eixos X,Y e Z representados por dx, dye dzrespectivamente e trs rotaes em torno dos mesmos eixos: Rx, Rye Rz, os demais graus de liberdade poderiam ser descritos como componentes ou combinaes destes 6, ou seja, dedutveis nestes 6 graus.A geometria do bloco foi desenvolvida em CAD com o auxilio do ProE, baseando-se num motor de baixa cilindrada, aproximadamente 1000 cm de deslocamento volumtrico, popularmente conhecido como 1.0 litro, que fabricado em ferro fundido.AModelo em CAD do bloco do Motormostra um bloco de motor convencional. Esta geometria tenta representar fielmente a realidade, e aplicando-se a densidade do ferro fundido cinzento que 7,19g/cm3(HIBBELER, 2009) resultou-se em uma massa de 33,340 kg, determinada de maneira aproximada. A partir deste bloco foi feito um corte nas regies dos cilindros 6 mm maior que o raio do cilindro, afim de preparar o modelo para a anlise. Este corte foi feito para no MEF ser modelada a camisa separadamente do bloco.

23. Modelo em CAD do bloco do Motor

ACorte da Camisa e Abertura do bloco do Motormostra em vermelho o corte feito na camisa e, mais a esquerda, os outros cilindros j com o processo de corte feito e as camisas de ferro fundido retiradas para darem lugar a nova camisa feita na liga Al-Si fundida por centrifugao

24. Corte da Camisa e Abertura do bloco do Motor

Com a substituio da camisa em ferro fundido pela de liga Al-Si foi possvel reduzir 3,7 quilogramas do bloco como mostra aComparativo entre massa de camisa em Ferro Fundido e liga Al-Si. A reduo de 3,7 kg no carro representaria em alguns casos uma reduo de emisso de CO em 0,37 g/km rodado.

1. Comparativo entre massa de camisa em Ferro Fundido e liga Al-SiMaterialDensidade(kg/m)Volume de uma Camisa(m)Massa da Camisa(kg)Total de quatro Camisas(kg)

Ferro Fundido7190,02,061E-041,4825,927

Liga Al-Si2700,00,5562,226

Reduo3,701

Ainda analisando aCorte da Camisa e Abertura do bloco do Motoreste corte no bloco do motor faz com que as novas camisas fiquem em contato com o fluido de arrefecimento, que por definio deste trabalho, foi dada como camisa molhada. A camisa de Al-Si em contato com o fludo de arrefecimento do motor torna o rendimento trmico do motor mais eficiente, uma vez que o alumnio tem um coeficiente de condutividade trmica maior que o do ferro (Al=205 W/mK; Fe=79,5 W/mK) (YOUNG, 2008). Depois que a geometria do bloco foi definida e alterada afim de comportar as novas camisas, ela foi importada pelo software HM onde ento deu se incio a construo e elaborao do modelo matemtico de estudo.As condies de contorno so responsveis pelas restries, ou no, do modelo a ser estudado.Alguns cuidados so necessrios nas condies de contorno da estrutura a ser estudada. Para se obter uma boa aproximao da condio livre-livre, onde so representadas as formas naturais de vibrao de uma estrutura, normalmente se verifica na resposta do modelo frequncias correspondentes aos modos de corpos rgidos, ou seja, frequncias de vibrao baixas na qual a vibrao consiste em 3 translaes e 3 rotaes para os respectivos eixos, x, y e z anteriormente descritos naGraus de Liberdade de um elemento slido., que na teoria devem ser nulas ou muito prximas de zero em relao aos modos de vibrao naturais(EWINS, 2000). Uma soluo prtica para isso uma suspenso com rigidez baixa para suportar a estrutura. Por outro lado, quando se busca uma condio do tipo engaste, h que se considerar o problema de se atingir na prtica uma situao em que deslocamentos e inclinaes no ponto de engastamento sejam suficientemente pequenos para serem desprezados, ou seja, no interferirem no resultado da simulao efetivamente ou significativamente. Desta forma, ao se considerar que mais fcil suspender a estrutura que fix-la satisfatoriamente, a maioria dos experimentos feitos usa preferencialmente as condies de contorno livre-livre, que gera os modos de vibrao de corpo rgido porm os mesmos no sero analisados por no representarem algo conciso. Esta condio de contorno livre-livre foi adotada no modelo de anlise modal, que consiste em descobrir quais as frequncias de vibrao do bloco, definindo em quais direes e quais as amplitudes de deslocamento, que so denominados como autovetores e autovalores respectivamente.O objetivo da anlise modal estudar a rigidez de um componente, uma vez que, o bloco sendo alterado para trabalhar com as camisas da liga Al-Si fatalmente ser enfraquecido. Ela tende tambm a comprovar se os modos de vibrao do bloco do motor no acontecem dentro de sua faixa de rotao de trabalho, faixa esta na qual tudo que tiver um modo natural de vibrar dentro desta mesma faixa ocasionando a ressonncia do mesmo.A faixa de trabalho adotada para o motor de estudo de 800 rpm, ou rotao de marcha lenta, chegando at o limite de 7000 rpm, rotao em que se limita o motor para prevenir que haja a coliso entre pisto e as vlvulas do motor como descrito na seodeste trabalho.Partindo do conceito sobre motores de quatro tempos de quatro cilindros que possuem duas combustes por revoluo, para converter a exitao que a rotao do motor causa em seus componentes em frequncia de excitao utilizada a seguinte equao:

Fexcitao=RPM*ncilCrev*60[Hz] (eq.1)

Onde:Fexcitao= Fequncia de excitao correspondente a rotao do motorRPM= Rotao do motorncil= Nmero de Cilindros do motorCrev= Combustes por uma revoluo do virabrequim

Segundo Kelly (2000), a ressonncia conhecida por obter as maiores amplitudes de vibrao, uma vez que um corpo excitado em sua frequncia natural para um pequeno amortecimento. Baseado neste conceito, as partes constituintes de um motor no devem conter suas frequncias naturais de excitao dentro da faixa de rotao do motor ocasionando a ressonncia das mesmas. Algumas peas, por condies fsicas ou que no sofram tanto carregamento mecnico no atendem a este critrio.Admitindo a rotao estipulada anteriormente de 7000 rpm afim de evitar o atropelamento de vlvulas, foi usado o valor de 7500 rpm no clculo com 500 rpm de margem de segurana. Determinando-se assim qual seria a mnima frequncia que o bloco do motor poderia ter para que este no fosse excitado em sua frequncia natural devido ao seu funcionamento, foi usada a equao 2:

Fexcitao=7500*42*60=250 [Hz](eq.2)

Logo, o resultado da equao 2 sugere que os resultados obtidos pela simulao do bloco do motor em questo deva obter seus modos de vibrao, ou frequncias naturais, acima de 250 Hz, uma vez que a rotao mxima que o motor pode atingir excita os componentes do motor com frequncias inferiores a 250 Hz.Igualmente deve se aplicar a equao 1 para a rotao de marcha lenta do motor, 800 rpm, a fim de se estabelecer a faixa de frequncia de funcionamento do motor, na qual os componentes do mesmo no devem conter suas respectivas frequncias naturais.

Fexcitao=800*42*60=26,667 [Hz](eq.3)

Com isto a faixa de frequncia durante o funcionamento do motor varia, conforme sua rotao, entre 26,667 Hz e 250 Hz. A partir destes conceitos a primeira anlise a ser discutida, uma anlise modal onde a condio de contorno adotada baseado em um modelo livre-livre, ou seja, ele no possui nenhuma restrio de GDL, representando a pea vibrando pura e simplesmente no espao. Fisicamente, este conceito pode ser explicado da seguinte maneira, quanto mais a pea est restrita em graus de liberdade ou quanto mais rgida for a mesma, menor ser vibrao do componente.

2. Modelamento em MEF

A interao entre as camisas de Al-Si e o bloco do motor foram adotadas como sendo coladas, sem permitir o deslocamento relativo do tipotiedentre os ns coincidentes da camisa e do bloco. Para o estudo das presses dos cilindros as condies de contorno adotadas de interao entre as camisas e o bloco foram mantidas.Como na anlise estrutural h um carregamento, necessrio fixar ao menos um grau de liberdade do modelo devido necessidade de se modelar como o bloco se comportaria em condies reais. No estudo foi adotado trs pontos de fixao, sendo um na parte frontal do bloco, ligando atravs de elementos de uma dimenso extremamente rgidos, ou seja, no se deformam, trs furos para parafusos a um n central representando um rigidamente um suporte de motor. Outros dois pontos semelhantes com elementos rgidos foram criados na parte posterior do bloco representando assim os pontos de fixao do motor como sendo engastados, no permitindo as translaes nem rotaes em nenhum dos trs eixos cartesianos, como mostra em destaque naRestrio do Bloco do Motor.

25. Restrio do Bloco do Motor

Para fazer a preparao do modelo, bem como carregamentos e restries, foi usado o software Abaqus-CAE 6.9.1, que tambm um software mais completo, com pr, ps e o prprio processador imbutido. As camisas foram modeladas com elementos hexadricos, com cerca de 1 mm de volume, ou seis vezes menor que os elementos do bloco, em camadas, afim de representar a variao das propriedades fisico-qumicas da camisa.Como mencionado anteriormente, a camisa foi gerada em forma de camadas; aCamisa representada por camadas e sua interao com o bloco do motordetalha em corte os elementos finitos do bloco e da camisa, sendo que a camisa est subdividida em sete camadas. Observa-se que os elementos do bloco so tetradricos e menos refinados que os elementos da camisa, porm a interface entre a camisa e o bloco os elementos foram modeladas de forma quase que coincidentes.

26. Camisa representada por camadas e sua interao com o bloco do motor

O modelamento coincidente, ou seja, os ns dos elementos da camisa casam perfeitamente com os ns dos elementos do bloco, foi feito visando aprimorar os resultados na interface de contato. Este procedimento no seria necessrio para a soluo do Abaqus, uma vez que so criadas superfcie de contato entre os componentes em estudo e o algortimo de contato tem por finalidade criar a interao entre os componentes, no necessariamente estando com seus ns coincidentes.AElementos de superfcie de contato nas camadas da camisamostra destacado pela seta em laranja, quadrados inscritos em uma das faces dos elementos hexadricos, representando graficamente os elementos da superfcie de contato nos elementos da camisa. Estes elementos so gerados para ambas as superfcies que esto em contato, por exemplo a camada de elementos em cinza e a camada de elementos em azul escuro possuem ambas suas respectivas superfcies de contato, mas como a malha foi gerada de uma forma refinada e casada, os elementos de superfcie de contato esto sobrepostos na figura, portanto no se possvel ver ambas as superfcies que esto em contato efetivamente.

27. Elementos de superfcie de contato nas camadas da camisa

Na interao entre a camisa e o bloco, como descrito anteriormente, foi obedecido o critrio de coincidencia dos ns dos elementos entre camisa e bloco como mostra aElementos de superfcie de contato entre camisa e bloco. Como pode-se observar ainda na mesma figura os elementos de supefcie, em azul escuro, so quadrados e pertencem camisa, enquanto que os demais de superfcie, triangulares em cor verde, pertencem ao bloco e acompanham as faces dos seus respectivos elementos.

28. Elementos de superfcie de contato entre camisa e blocoQuanto mais refinada a malha, ou seja, sem elementos grosseiros e discrepantes e com volume consideravelmente pequeno em relao ao modelo como um todo, onde h uma interao de contato; e se possvel o casamento de elementos puder ser executado, melhor a resoluo do modelo e menos problemas de interpenetrao de elementos ocorrem durante a simulao, porm elementos relativamente pequenos culminam em um aumento do tempo de processamento da anlise. Um dos maiores problemas no modelamento de estudos envolvendo contato a interpenetrao de elementos o que faz muitas vezes com que o software de clculo no interprete de forma coerente o contato e pare a simulao por erro fatal, entre outras palavras, uma vez que ele detecta uma penetrao excessiva ou um descolamento entre superfcies maior do que o estipulado pelo usurio este erro representa uma no convergncia de soluo abortando assim a simulao.No incio do modelamento deste trabalho ocorreram muitos destes erros durante a simulao, que representava a necessidade de rever as tolerncias de contato estipuladas para o Abaqus ou mesmo, em alguns casos a necessidade de remodelar os elementos que esto em contato, afim de uma melhor interao entre eles. A soluo para este modelo foi sobrepor os ns que estavam prximos entre si, excluindo assim qualquer possibilidade de interpenetrao, e posteriormente duplicar os ns e destinar um dos ns duplicados ao outro componente, entre camisa e bloco. Com este modelo gerado e como a anlise modal no necessita de nenhum carregamento ou engastamento, o modelo foi submetido a anlise. No caso do estudo das presses de trabalho do motor, algumas modificaes foram feitas no bloco afim de atender aos critrios da anlise.Baseado em estudos e medies do autor, as presses de cilindro foram levantadas conforme mostra aPresses de Cilindro. Ciclo completo.. Pode-se observar nesta figura que o pico de presso de cilindro ocorre alguns graus aps o pisto passar pelo ponto morto superior (PMS), marcados graficamente pelos picos faseados em 180 graus. Nota-se ainda nesta figura que a presso no Cilindro 3 maior que nos outros cilindros (em torno de 7500 kPa) a o Cilindro 1 tem uma menor presso entre os outros. Isto geralmente normal em motores que no possuem um coletor de admisso simtrico, resultando assim numa performance diferente entre cilindros.

29. Presses de Cilindro. Ciclo completo.

Portanto, analisando-se aPresses de Cilindro. Ciclo completo., a presso do Cilindro 3 foi a adotada para a simulao como sendo a presso mxima de combusto; e foi adotada igualmente para todos os cilindros, acrescentando assim uma margem de segurana caso a medio do cilindro 1 tenha tido problemas, como um erro de sinal do transdutor de presso, ou mesmo no tratamento dos dados. As presses a serem aplicadas no modelo, para cada etapa dos quatro tempos do ciclo do motor, foram adotadas conforme indicado naPresses para cada etapa do ciclo do motor.a seguir. Estas presses posteriormente foram aplicadas nas paredes da camisa.

2. Presses para cada etapa do ciclo do motor.Presso(kPa)Presso(kPa)Presso(kPa)Presso(kPa)

20483750092

EscapamentoAdmissoIgnioCompresso

A presso mdia do fluido de arrefecimento de um motor, segundo o site CelicaTech da Toyota, da ordem de 100 kPa. Devido a tecnologia brasileira de motores b-combustveis, foi adotado 160 kPa para a anlise em carter de segurana, uma vez que os motores quando abastecidos com lcool etlico possuem uma temperatura de trabalho mais elevada do que com a gasolina. APresses de Cilindro e de gua (detalhe)mostra, representativamente, os elementos onde foram aplicados o carregamento gerado pela presso da gua no sistema de arrefecimento do motor, com seu vetor representado em laranja (apontados pela seta em verde), e a presso de cilindro pelo vetor em rosa (apontado pela seta azul clara).

30. Presses de Cilindro e de gua (detalhe)

A partir daPresses para cada etapa do ciclo do motor.foi gerado um mapa de presses por etapas, apresentado naMapeamento do ciclo do motor, que ilustra em cada etapa do motor quais so as presses no determinado momento.

3. Mapeamento do ciclo do motorCilindro 1Cilindro 2Cilindro 3Cilindro 4

Etapa1IgnioEscapeCompressoAdmisso

Etapa2EscapeAdmissoIgnioCompresso

Etapa3AdmissoCompressoEscapeIgnio

Etapa4CompressoIgnioAdmissoEscape

No posicionamento de pistes para balanceamento de motores de quatro cilindros em linha, as presses foram adotadas conforme a Etapa1 daMapeamento do ciclo do motore aplicadas nas areas conforme mostra areas de presso de cilindro para o Cilindro 1 em ignio., seguindo as presses dadas pelaPresses para cada etapa do ciclo do motor.. O Cilindro 1 est localizado a esquerda da ilustrao.

31. reas de presso de cilindro para o Cilindro 1 em ignio.

Observa-se uma area de aplicao de presso menor nos cilindros 1 e 4 e uma maior nos cilindros 2 e 3, isso devido a representatividade do motor em relao ao modelo real do mesmo, ou seja, dois pares de pistes gmeos, quando dois esto no PMS os outros dois esto no PMI e vice e versa.

4. RESULTADOS E DISCUSSO

A preparao das amostras metalogrficas para observao por microscopia ptica foi executada por meio de tcnicas convencionais de corte, embutimento, lixamento, polimento.Na observao por microscopia ptica foi utilizado o microscpio Olympus acoplado a um sistema de digitalizao e anlise de imagens da Arotec, e sua imagem pode ser visualizada no monitor conforme ilustra aImagem do monitor com a anlise da Liga Al-Si.

32. Imagem do monitor com a anlise da Liga Al-Si

Com o auxilio desta ferramenta foi possvel fazer um levantamento ao longo da espessura da parede da camisa a fim de se quantificar a quantidade de cada uma das fases da liga presentes na parede da camisa.APerfil metalogrfico ao longo da espessura da camisa da Liga 17 %Siilustra a metalografia da camisa a partir da parede externa at a parede interna. Os elementos de cor mais escura so os de fase, com maior concentrao de Si. Na parede externa do tubo a concentrao grande devido ao choque trmico e a rpida solidificao da liga quando entra em contato com a coquilha, porm mais ao centro do tubo se nota a diminuio desta concentrao e posteriormente o seu aumento prximo a parede interna, uma vez que o Si menos denso que o Al e por centrifugao ele tende a se alojar nas paredes internas do tubo.

Parede Externa1 mm2 mm

3 mm4 mm5 mm

6 mm7 mm8 mm

9 mm10 mmParede Interna

33. Perfil metalogrfico ao longo da espessura da camisa da Liga 17 %Si

Para a determinao da frao em rea de silcio ao longo da espessura da camisa de cilindro, foi utilizado o programa de anlise de imagensImage Pro-Plus, que auxiliou na determinao da frao em rea de silcio baseada nas imagens daPerfil metalogrfico ao longo da espessura da camisa da Liga 17 %Siem relao rea total do campo de observao, e estas medidas de frao em rea de silcio foram feitas em espaamentos com passo de 1 mm, partindo da parede externa at a parede interna da camisa gerando aFraes da fase nas ligas (17 %Si)mostrada a seguir.

4. Fraes da fase nas ligas (17 %Si)Liga 17% SiDistncia da Parede Externa da Camisa [mm]123456789

Frao da Fase [%]26,625,028,520,015,013,316,623,330,0

Nota-se a ausncia da anlise a 10 mm da parede e das extremidades, isso devido a necessidade de usinagem da camisa, tanto internamente quanto externamente a fim de criar uma superfcie com acabamento e tolerncias necessrias para a montagem da camisa no bloco. Os dadosFraes da fase nas ligas (17 %Si)deram origem ao modelamento da camisa em elementos finitos, mostrado anteriormente, por meio de camadas.AFraes da fase da liga com 17%Simostra representa graficamente os dadosFraes da fase nas ligas (17 %Si); pode se notar que a concentrao de silcio no centro da camisa, entre 5 e 6 mm, da ordem de 50% inferior do que na camada interna da camisa. Esta condio se mostrou muito favorvel uma vez que o Silcio se concentrou mais na parte interna da camisa que ir promover uma resistncia ao desgaste melhor a camisa, comparativamente se ela fosse somente de alumnio. Pode-se notar tambm que na parede externa a concentrao de silcio tambm grande, isso se deve a solidificao rpida promovida pelo choque entre a liga fundida com a coquilha, com temperatura inferior ao da liga fundida.

34. Fraes da fase da liga com 17%Si

A partir deste ponto foram ento definidas todas as condies de contorno necessrias para se iniciar a anlise em MEF.

1. MODOS DE VIBRAO AUTOVALOR E AUTOVETOR

A fim de se obter um modelo comparativo, na anlise modal foram rodadas trs simulaes, sendo uma com um bloco normal, constituido unicamente com ferro fundido, um com o retrabalho do motor para suportar as camisas porm com ferro fundido em carter comparativo e o modelo de estudo com as camisas em alumnio-silcio. Este comparativo proporciona uma noo na variao da rigidez do bloco. Um exemplo do arquivo de entrada para simulao modal em abaqus se encontra no Anexo A ao final deste trabalho.O primeiro modo de vibrar do bloco se deu em 869 Hz e os autovetores seriam a toro entre a face dianteira do bloco e a face traseira, indicados pela sequncia de ilustraes indicada naPrimeiro modo de vibrao em 869 Hz para um bloco normalseguindo a ordem das setas em um processo cclico. A figura mostra tambm em escala de cores do azul para o vermelho os auto valores, ou seja, os volores dos deslocamentos na direo dos autovetores, sendo o vermelho o valor maior para o deslocamento, como se pode observar nas escalas, idnticas para as trs ilustraes, pois todas as imagens representam o mesmo modo de vibrar. As linhas em preto do modelo so os contornos da pea sem deformao. Assim observa-se o deslocamento do bloco em relao a sua forma em estado estacionrio. A deformao originada pela vibrao natural do bloco foi representada com um aumento de 20 vezes apenas para notar se a diferena. O maior autovalor para este modo de vibrao, ou seja, a parte mais vermelha na anlise tem uma amplitude equivalente a 1,206 mm. Como a frequncia de funcionamento do motor no supera os 250 Hz apenas a primeria frequncia foi mostrada pois as frequncias subsequentes sero maiores que a primeira.

35. Primeiro modo de vibrao em 869 Hz para um bloco normalAPrimeiro modo de vibrao em 738 Hzmostra o resultado da anlise para o bloco com as camisas em ferro fundido. Como j era esperado, os autovetores e autovalores se mantiveram praticamente constantes, porm a rigidez do bloco diminuiu, representada pela diminuio da primeira frequncia natural, que caiu para 738 Hz, cerca de 15% menor que a do bloco normal e a amplitude de deslocamento ficou em 1,187 mm.

36. Primeiro modo de vibrao em 738 Hz Camisa Ferro Fundido

APrimeiro modo de vibrao em 738 Hz - Camisa Ferro Fundido - Vista em topo.mostra uma vista em topo do bloco com o detalhe dos cilindros a do bloco em conjunto com as camisas em seu primeiro modo de vibrao. Pode se notar a ovalizao gerada pela vibrao causada quando o bloco excitado em 738 Hz. Se este valor estivesse dentro da frequncia de funcionamento do motor, o bloco seria excitado pelo funcionamento e esta ovalizao iria acontecer com o deslocamento de aproximadamente 0,7 mm, conforme mostrado na escala em verde contida na ilustrao; isso iria promover um desgaste excessivo da camisa, pisto e anis aumentando o atrito entre estes componentes.

37. Primeiro modo de vibrao em 738 Hz - Camisa Ferro Fundido - Vista em topo.

A segunda frequncia ficou em 988 Hz e seu modo de vibrao no interfere muito sobre a ao dos cilindros no motor, pois a parte afetada do motor a interface entre o motor e transmisso, que por sua vez no foi representada no modelo. Com 1,025 mm de deslocamento seu autovetor est representado naSegundo modo de vibrao em 988 Hz. As demais frequncias subsequentes no foram consideradas por se tratarem de frequncias que o motor no atingiria por condies internas, ou seja, ele somente entraria em ressonncia caso houvesse um meio externo causando causando uma excitao nessas frequncias.

38. Segundo modo de vibrao em 988 Hz - Camisa Ferro Fundido

Dando continuidade ao estudo, a anlise utilizando o modelo do bloco com as camisas em Al-Si resultou em autovetores e autovalores aproximadamente iguais. O primeiro modelo a ser estudado foi o com camadas finas de 1 mm de espessura e elementos hexadricos slidos de 1 mm de volume.O conjunto bloco e camisa em ferro fundido apresentou uma rigidez um pouco superior em relao ao bloco de ferro fundido e a camisa na liga Al-Si. A primeira frequncia natural de 662 Hz para o conjunto cerca de 11% menor que a do bloco encamisado em Fofo e 31% menor do que o bloco normal sem alteraes. Este resultado pode ser considerado como esperado, uma vez que o bloco foi enfraquecido ao se substituir as camisas que inicialmente eram fundidas com o bloco por camisas inseridas atravez de usinagem.

39. Primeiro modo de vibrao em 662 Hz - Camisa Al-Si refinada

Aps estes resultados foi tomado um novo estudo que consistiu em estudar a camisa na liga Al-Si sem estar no formato de camadas, contendo apenas uma camada slida e com elementos menos refinados na ordem de 300 mm, ou seja 300 vezes maiores que os elementos refinados em 1 mm. Esta alterao resultou em uma reduo em 384096 no nmero de ns do modelo.Este estudo mostrou um aumento na primeira frequncia do modelo em 2%, o que pode se considerar como um erro numrico ou simplesmente que o modelo no teve uma convergncia adequada sendo necessria outras interaes diminuindo o tamanho dos elementos at que se chegasse num ponto onde a convergncia atingiria um limite constante, e no se encontraria mais difernas nos resultados, no necessitando de mais iteraes de refino nos elementos do modelo. Esta diferna em 2% representada naPrimeiro modo de vibrao em 675 Hz - Camisa Al-Si refinadaser considerada como aceitvel, uma vez que o tempo de processamento desta anlise se mostrou muito favorvel em relao a mesma anlise com as camisas refinadas.

40. Primeiro modo de vibrao em 675 Hz - Camisa Al-Si refinada

Como as anlises de frequncias se mostraram muito favorveis em termos de vibraes, a continuao do trabalho teve sinal verde para as simulaes estruturais. Uma vez que os modos de vibraes, bem como suas frequncias, no se mostrassem favorveis, a continuidade do trabalho necessitaria de algumas melhorias no design do bloco afim de atingir um nvel aceitvel de rigidez para que durante o funcionamento do motor ele no entrasse em ressonncia, podendo acarretar em uma danificao do componente ou simplesmente um ruido ou vibrao desagradveis ao proprietrio do veculo.

2. TENSES ORIGINADAS PELO CICLO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR

Com base nos carregamentos de presses de cilindro e de jaqueta de fluido de arrefecimento do motor vistos anteriormente na seoModelamento em MEFdeste trabalho, foram submetidos para processamento os modelos contendo basicamente a mesma estrutura de malha observada na seoMODOS DE VIBRAO AUTOVALOR E AUTOVETOR, porm considerando tais carregamentos.As metalografias provaram que a maior concentrao de Si foi para a parede interna do cilindro, o que ser indispensvel para resistncia ao atrito e desgaste promovido pela frico dos anis de pisto com a camisa, possibilitando o incios das simulaes computacionais do bloco com as camisas descrito neste trabalho. Um exemplo do arquivo de entrada para a anlise estrutural se encontra no Anexo B ao final deste trabalho.As tenses sero representadas seguindo-se o critrio de Von-Misses, ou teoria da energia de distoro mxima, para determinao de tenses, uma vez que ela se correlaciona melhor com os dados experimentais (HIBELLER,2009).AGradiente de temperatura em relao aos 90 C do fludo de arrefecimento do motormostra como a temperatura se propaga pelo bloco, e ela foi considerada para simular a dilatao trmica dos componentes que foi levada em considerao para se calcular as tenses geradas pelas presses de cilindro.

41. Gradiente de temperatura em relao aos 90 C do fludo de arrefecimento do motor

Os resultados apresentados pelo primeiro passo da anlise se mostraram coerentes, uma vez que dilatao trmica do bloco dada pela ordem de milsimos de mm, portanto, a dilatao trmica causada pela variao de temperaturas no bloco deu como carregamento mximo a tenso de 0,08 MPa aproximadamente conforme ilustrou aTenses originadas pela dilatao trmica Camisas em, tenses que no representam grandes solicitaes para o bloco. A partir da foram ento armazenadas estas tenses e foram-se somadas as tenses provenientes do ciclo de funcionamento do motor.

42. Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Ferro Fundido

A sequncia de ignio adotada foi 1, 3, 4 e por fim 2, ou seja, a cada 180 de revoluo do virabrequim do motor um dos cilindros entrou em combusto gerando os picos de presso de cilindro, regrados pela ordem 1-3-4-2 e assim sucessivamente completando-se e repetindo-se o ciclo de funcionamento do motor.Conforme mostrou aCiclo do Motor Camisas em, a pior condio de tenso foi quando o terceiro cilindro entra em combusto, gerando uma tenso no valor de 53,2 MPa na parede que separa os cilindros 2 e 3. Como era esperado, as tenses se mostraram baixas para o material do bloco e da camisa emferro fundido, uma vez que o mesmo suporta as condies de funcionamento do mesmo. As tenses no bloco com o segundo cilindro em combusto se mostraram parecidas com a do terceiro cilindro com 53 MPa na mesma parede que separa os cilindros. Esses dados sero usados em carter comparativo para o bloco com as camisas em Al-Si.

43. Ciclo do Motor Camisas em Ferro FundidoComo se pode observar naTenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Sias tenses devido a dilatao trmica apresentaram se paracidas com aTenses originadas pela dilatao trmica Camisas em, porm a escala de tenses aumentou em 27% para 0.11 MPa a tenso mxima gerada pela dilatao trmica usando as camisas em Al-Si com elementos menos refinados.

44. Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Si

Baseando-se nas tenses obtidas naTenses originadas pela dilatao trmica Camisas em, as tenses analisadas para o modelo com as camisas em Al-Si sem refino, foram analisados os cilindros 2 e 3 para ver qual teria a maior tenso residual, e neste caso o segundo cilindro obteve maior concentrao de tenso entre as paredes de cilindro, atingindo uma tenso de 89,6 MPa como mostra aCiclo do Motor Camisas em. Esta tenso se apresentou com um aumento de 68,4% em relao ao mesmo ciclo com a camisa em Fofo; isto se deve ao fato de as camisas em alumnio possurem uma rigidez menor em comparao com a de ferro fundido, como j confirmado na anlise preliminar de modos de vibraes, ou anlise modal vista na seoMODOS DE VIBRAO AUTOVALOR E AUTOVETOR.

45. Ciclo do Motor Camisas em Al-Si

As tenses para os cilindros 1, 3 e 4 para este modelo foram 37,3 MPa, 89,5 MPa e 84,7 MPa respectivamente e seus contornos de tenso se mantiveram parecidos com os j ilustrados na figuraCiclo do Motor Camisas em.Com o refino dos elementos finitos da camisa em Al-Si pode-se perceber um decrscimo nas tenses geradas pela dilatao trmica se comparado com os dois modelos com as camisas em Al-Si com elementos finitos mais grosseiros e a camisa em ferro fundido. Este decrscimo foi da ordem de 34,4% comparado com o modelo de camisas em Al-Si sem refino e de 4,6% comparado com o modelo de camisas em ferro fundido como mostra os contornos daTenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Si Refinada.

46. Tenses originadas pela dilatao trmica Camisas em Al-Si Refinada

A explicao para esse fenmeno se d devido ao fato das duas anlises preliminares a esta usarem modelos com elementos mais grosseiros na camisa, o que gerou uma distribuio nas presses de contato menos regulares do que no modelo com elementos mais refinados, gerando pequenas concentraes de tenso localizadas devido a essa m distribuio do contato.As tenses obtidas naCiclo do Motor Camisas em Al-Si refinadarepresentam a pior condio, em termos de tenso, localizada na parede entre os cilindros 3 e 4 quando o terceiro cilindro entra em combusto. A tenso obtida foi de 90,0 MPa; 0,4 MPa superior que o modelo sem refino e 69,2% superior ao modelo com as camisas em ferro fundido.

47. Ciclo do Motor Camisas em Al-Si refinada

As tenses para os cilindros 1, 2 e 4 so respectivamente de 36,2 MPa, 88,3 MPa e 83,2 MPa. As tenses encontradas se mostraram baixas se comparados com os limites de escoamento de ambos os materiais, 350 MPa para o ferro fundido e 180 MPa para o alumnio (PADILHA, 2000). Em outras palavras, os materiais com essas condies de carregamento no sofreriam deformaes permanentes, trabalhando somente dentro do regime de elasticidade de ambos os materiais.

3. COMPARAO DOS MODELOS E RESULTADOS

Aps o modelamento de todos os modelos e estudos, modal e com carregamento, foram submetidos ao clculo em um computador convencional com as configuraes representadas pelaConfigurao do computador usado para os clculos. O modelo para anlise modal foi calculado sem erros ou problemas, gerando a convergncia esperada para os valores nos ns, calculando 1402860 equaes, gerando a resposta em 13560 segundos (226 minutos ou quase quatro horas) para o modelo com as camisas refinadas.

48. Configurao do computador usado para os clculos

O modelo para anlise de carregamentos obteve alguns problemas de contato, fazendo com que a anlise no se completasse aps aproximadamente trs horas de simulao. Foram necessrios ajustes de modelo para novamente submeter o modelo a clculo. Com isso, sete modelos foram geridos at se conseguir realizar a convergncia dos dados. A anlise que resultou em sucesso levou cerca de 13383 segundos (223 minutos ou aproximadamente quatro horas).Os problemas encontrados foram ocasionados pela interpenetrao de ns nas superfcies em contato, com a aplicao do carregamento. Mesmo se tomando cuidado na gerao dos elementos em contato, alguns ns estavam penetrando alguns elementos, gerando problemas na soluo do modelo. Com base nos dados de todas as simulaes foi gerada aComparativo dos modelos, tempo de processamento e tamanho de arquivos.

5. Comparativo dos modelos, tempo de processamento e tamanho de arquivosAnlises dos Modos de VibraoAnlises do Ciclo de Trabalho

ModelosBloco Sem AlteraoBloco Com Camisa Ferro FundidoCamisa Al-Si RefinadoCamisa Al-Si Sem RefinoBloco Com Camisa Ferro FundidoCamisa Al-Si Sem RefinoCamisa Al-Si Refinado