27 de setembro de 2021
Neste pequeno texto, vamos elucidar algumas operações que são realizadas na fabricação de motores, focando em carros. Tendo em mente que atualmente, estudos de otimização na fabricação de motores, e carros em geral, estão em ascensão.
Figura 1- Motor. Fonte [5]
Sumário
Hoje em dia, é difícil imaginar um mundo sem carros, mas era exatamente assim há pelo menos 150 anos.
Embora muitas vezes consideremos nossa existência moderna e cheia de carros um dado adquirido, devemos as progressões contínuas da tecnologia a uma série de inventores excêntricos que simplesmente não paravam de mexer em várias máquinas no século XIX.
Dessa experimentação inspirada, surgiu uma variedade de veículos primitivos e tecnologia de motor exclusiva. Mas quem fez o primeiro motor de carro real?
Segundo Atkins (2009), “Diz à tradição que um dia, em 1875, Otto observava uma chaminé fumegante e sua imaginação foi capturada pela fumaça que primeiro emergiu em densas plumas e depois, gradualmente se dissipou no ar”. Sua suposição era que deveria ser possível introduzir uma rica mistura de ar combustível até o ponto de ignição, onde seria amortecida do pistão por uma camada muito mais fina de ar inerte próximo a ele.
Este princípio de estratificação era quase certamente, neste caso, incorreto. No entanto, para produzi-lo, Otto reinventou o ciclo de quatro tempos como Beau de Rochas o imaginou (mas daí em diante foi chamado de “ciclo Otto”) e o incorporou em sua “máquina Otto silenciosa” de 1876, que foi um tremendo sucesso, 2 kW a 180 revlmin. O motor utilizou um sistema de ignição de chama aberta muito perigoso para disparar o combustível de gás de carvão que Otto estava usando. (Lenoir usava “um sistema avançado de ignição por centelha”.). Paralelamente ao trabalho de Otto, um inventor austríaco chamado Siegfried Marcus, em 1867, inventou um carburador para converter petróleo líquido em gás inflamável” [1].
Normalmente, o primeiro motor de carro é creditado a Karl Benz. Depois de anos obcecado por bicicletas e tecnologia, Benz desenvolveu o que é considerado o primeiro automóvel movido à gasolina em 1885. O motor em questão era uma engenhoca de cilindro único de quatro tempos.
O automóvel desenvolvido por Benz foi o primeiro projetado para gerar energia própria, em vez de ser simplesmente uma diligência ou carruagem motorizada. Como resultado, Benz recebeu uma patente oficial para seu Motorwagen, figura 2. Alguns anos depois, o Benz Motorwagen tornou-se o primeiro automóvel disponível comercialmente. Seus esforços, é claro, acabaram sendo parte integrante da Mercedes-Benz.
Figura 2 – Motorwagen. Fonte:[6]
De maneira geral, o corpo do motor é fabricado de ferro fundido em um molde que é feito de areia. (Este processo é chamado de “fundição“). Outras peças são feitas por forjamento. No processo de forjamento, o pedaço de ferro é aquecido, incandescente e então formado em partes com a forma desejada em uma máquina de estampagem.
As máquinas para estampar são então usadas para aparar as peças, e normalmente rebarbar, para atingir as dimensões finais necessárias. Essas peças são usadas como os principais componentes do motor e adicionam-se peças feitas por terceiros para construir os motores. Pensando em uma montadora, esse é um processo bem usual atualmente.
Mesmo os motores pequenos têm cerca de 300 peças, enquanto os maiores têm até 550 peças. Após finalizar a fabricação do motor, eles passam por vários testes, e aqueles que passam nos testes são encaminhados para o processo de montagem, onde são instalados nos carros.
É interessante notar que a evolução dos materiais, assim como os processos de fabricação de motores, levou a criação de carros mais leves. Os blocos do motor eram anteriormente feitos de ferro. Hoje, eles são feitos principalmente de liga leve de alumínio para economia de combustível. Na fabricação de motores de automóveis, são aplicados desde a moldagem e fundição até a usinagem e inspeção.
Para poder entender a razão pela qual os processos e materiais são aplicados na fabricação dos motores, temos que entender, inicialmente, como será o trabalho desse motor, quais os tipos de solicitações estamos nos deparando, e tentar diminuir ao máximo o custo desse motor, aumentando consideravelmente a vida útil das ferramentas usadas para fabricar o motor.
Para a maioria das pessoas, um carro é algo que elas enchem de gasolina e as move do ponto A ao ponto B. Mas você já parou e pensou: Como isso realmente acontece? O que o move? A menos que você já tenha adotado um carro elétrico como seu motorista diário, a mágica de como se resume ao motor de combustão interna – aquela coisa que faz barulho sob o capô. Mas como funciona exatamente um motor?
Especificamente, um motor de combustão interna é um motor térmico no sentido de que converte a energia do calor da combustão da gasolina em trabalho mecânico ou torque. Esse torque é aplicado às rodas para fazer o carro se mover. Seu motor funciona com os mesmos princípios básicos, esteja você dirigindo um Ford ou uma Ferrari [3].
Os motores têm pistões que se movem para cima e para baixo dentro de tubos de metal chamados cilindros. Imagine andar de bicicleta: suas pernas se movem para cima e para baixo para girar os pedais. Os pistões são conectados por meio de hastes (são como suas canelas) a um virabrequim e se movem para cima e para baixo para girar o virabrequim do motor, da mesma forma que suas pernas giram as da bicicleta, que por sua vez alimenta a roda motriz da bicicleta ou as rodas motrizes do carro [3].
Dependendo do veículo, há normalmente, entre dois e 12 cilindros em seu motor, com um pistão movendo-se para cima e para baixo em cada um. A Figura 3, abaixo, mostra um exemplo do pistão conectado ao virabrequim.
Figura 3 – Exemplo da biela conectada ao virabrequim [2].
Cada parte do motor tem seu material e propriedades adequadas para a aplicação. Agora, vamos ver cada material para cada parte, os metais típicos usados em peças de motor. Metais como ferro (Fe), chumbo (Pb) e estanho (Sn). As estatísticas do ano 2000 indicam que a proporção de materiais em automóveis é: chapa de aço 37%, barra de aço 23%, ferro fundido 8%, liga de alumínio 8%, outras ligas não ferrosas 2%, plástico 10%, borracha 7%, vidro 2% e outros 3% [4].
A tendência recente de buscar materiais mais leves também reduziu a proporção do aço ou chapas que apresentam menor densidade com maior resistência. No entanto, os principais materiais usados nas peças do motor são ligas à base de ferro, como aços estruturais, aços inoxidáveis, metais sinterizados à base de ferro e peças de liga de ferro fundido e alumínio para o pistão, cabeça do cilindro e bloco do motor [4].
Tabela 1, abaixo, apresenta uma relação de tipo de peça com o material utilizado.
Tabela 1 – relação do nome da peça com o possível tipo de material [4]
| Nome da peça | Material |
| Bloco de cilindro | Ferro fundido cinzento, ferro fundido grafite compacto, liga de Al fundido. |
| Pistão | Liga Al-Si-Cu-Mg |
| Anel do pistão | Ferro fundido cinzento, ferro fundido grafite esferoidizado, ferro fundido de liga, aço para molas e aço inoxidável. |
| Árvore de cames | Ferro fundido resfriado, aço Cr-Mo, metal sinterizado à base de ferro |
| Válvula | Aço resistente ao calor, liga de Ti, cerâmica de SiC |
| Sede da válvula | Metal sinterizado à base de ferro, ferro fundido. |
| Mola da válvula | Aço da mola, fio musical. |
| Pino do pistão | Ferro fundido nodular, aço Si-Cr, aço inoxidável. |
| Biela | Aço carbono, metal sinterizado à base de ferro, aço microligado, ferro fundido grafite esferoidizado |
| Virabrequim | Aço carbono, aço microligado, aço Cr-Mo e ferro fundido nodular |
| Turbo carregador | Ferro fundido Niresist, aço inoxidável fundido, superliga |
| Coletor de escape | Ferro fundido de alto Si, ferro fundido Niresist, aço inoxidável fundido, tubo e folha de aço inoxidável. |
| Rolamento liso | Ligas de Al-Si-Sn e Cu-Pb |
| Catalisador | Liga Pt-Pd-Rh |
De maneira geral, como dito anteriormente, um motor é feito principalmente de várias ligas metálicas, de modo que o material usado no motor e seus componentes podem ser reciclados. Os materiais estruturais mais importantes em motores de quatro tempos são ferro fundido, ligas, aços estruturais e ligas de alumínio.
A seleção correta de um material para uma aplicação específica é um campo altamente especializado e geralmente, requer a consideração de um amplo espectro de requisitos. Em um ambiente de motor de corrida, as demandas podem ser extremas, exigindo várias combinações de alta resistência e alta resistência à fadiga em altas temperaturas, e o peso mínimo que atenderá aos requisitos de estresse e vida útil.
Com base em algumas propriedades mecânicas e terminologias, os materiais são selecionados. A tensão é um método normalizado para expressar a intensidade da carga aplicada a um material. É expresso como a carga aplicada dividida pela área na qual a carga é aplicada. Por exemplo, se uma carga de tensão de 9.800 libras fosse aplicada a uma barra de diâmetro de 1/2 polegada (área da seção transversal de 0,196 polegada quadrada = diâmetro x diâmetro x 0,7854), a tensão de tração seria de 50.000 libras por polegada quadrada (psi) (tensão = carga / área = 9800 / 0,196).
Existem outras diversas propriedades que são desejadas no motor, e a cada dia novas ligas são estudadas para poder aumentar a resistência mecânica e térmica do motor, com a premissa de diminuir o seu peso.
Conteúdo não pode ser publicado ou redistribuído sem prévia autorização. Elaboração e Edição: Thiago Cortiz e Renata Brandolin
Referências
[1] Atkins, Richard D.. An Introduction to Engine Testing and Development. United States, SAE International, 2009.
[2] Disponível em <https://unsplash.com/photos/SCVGf5wZ4uc>. Acesso em setembro de 2021.
[3] Major, J., Hartlieb, M. Advances in Aluminum Foundry Alloys for Permanent and Semi-Permanent Mold Casting. Inter Metalcast 3, 43–53 (2009). https://doi.org/10.1007/BF03355452
[4] Yamagata, H.. (2005). The science and technology of materials in automotive engines. The Science and Technology of Materials in Automotive Engines. 10.1533/9781845690854.
[5] Disponível em < https://unsplash.com/photos/tx7DpINaLBQ>. Acesso em setembro de 2021.
[6] Disponível em <https://www.autoo.com.br/>. Acesso em setembro de 2021.