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Análise do semieixo homocinético utilizado no
veículo Baja da equipe Clarengex e proposta
de melhoria para o sistema
Felipe Muniz ARNALDO1
Rodrigo dos Santos ANTUNES2
Eduardo CASARIM3
Resumo: Este trabalho tem o objetivo principal de compreender a metodologia
de especificação de linha de transmissão de torque através de semieixo homocinético e avaliar o quanto o resultado oriundo desta aplicação influenciou na
falha e, consequentemente, no desacoplamento do semieixo homocinético em
uma aplicação real. Foram realizadas três linhas de trabalhos distintos: primeiro,
foi compreendida toda a história e metodologia de utilização do semieixo homocinético; em seguida, foram isoladas as possíveis causas do desacoplamento do
eixo homocinético, realizado cálculos e simulada a aplicação no Baja via MEF
(Método dos elementos finitos); e, por fim, foram coletados os dados obtidos na
primeira e segunda metodologia e a proposta de melhoria a fim de otimizar o
semieixo homocinético, para uma futura aplicação no veículo Baja.
Palavras-chave: Semieixo homocinético, análise por elementos finitos, proposta de melhoria.
1
Felipe Muniz Arnaldo. Graduado em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário,
polo de Rio Claro (SP).
2
Rodrigo dos Santos Antunes. Graduado em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro
Universitário, polo de Rio Claro (SP).
3
Eduardo Casarim. Especialista em Metodologia de Educação a Distância pelo Claretiano – Centro
Universitário, Especialista em Logística Empresarial pelo Instituto Nacional da Pós-graduação,
Especialista em Administração Industrial pelo Instituto Nacional de Pós-graduação, Graduado
em Engenharia Mecânica pela Escola de Engenharia de Piracicaba (EEP-FUMEP). E-mail:
<[email protected]>.
Ling. Acadêmica, Batatais, v. 6, n. 1, p. 27-44, jan./jun. 2016
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Analysis of the homokinetic half-shaft used
in the Baja vehicle of Clarengex team and a
proposal for improving the system
Felipe Muniz ARNALDO
Rodrigo dos Santos ANTUNES
Eduardo CASARIM
Abstract: This work has the main objective of understanding the methodology
for specifying a torque transmission line through a homokinetic half-shaft and
evaluate how the result derived from this application influenced the fault and,
consequently, the uncoupling of the homokinetic half-shaft in a real application.
Three different work approaches were carried out: firstly, all the history and use
methodology of the homokinetic half-shaft was understood; secondly, the possible causes for the disconnection of the homokinetic half-shaft were isolated, and,
also, calculations were made and the application in the Baja via MEF (Method
of finite elements) was simulated; and, finally, the data obtained in the first and
second methodologies were collected and the improvement proposal in order to
optimize the homokinetic half-shaft, for a future application in the Baja vehicle.
Keywords: Homokinetic half-shaft, finite element analysis, improvement proposal
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1. INTRODUÇÃO
Análise do semieixo homocinético utilizado no veículo Baja
da equipe Clarengex e proposta de melhoria para o sistema.
O objetivo geral deste trabalho é analisar as possíveis falhas
que ocorreram no semieixo homocinético e, assim, buscar propor
soluções para que o próximo veículo não apresente os mesmos problemas.
Nosso objetivo específico é analisar o sistema homocinético
do veículo Baja, coletar dados e informações em campo para compararmos com os atuais, observar e analisar o semieixo homocinético trabalhando no veículo e, também, avaliar todo o sentido da
homocinética.
Este trabalho é importante, pois, inicialmente, gerará conhecimentos que contribuirão para o embasamento técnico na utilização adequada do sistema do semieixo homocinético do veículo
Baja. Além disso, este estudo ajudará a identificar as deficiências
do projeto da equipe Clarengex e também auxiliará na escolha de
um modelo de junta homocinética ideal para o projeto.
É importante, ainda, em nível pessoal, pois a vivência em
grupo durante o projeto nos proporcionou o aprimoramento de atividades como: trabalho em equipe, desenvolvimento pessoal, planejamentos diversos, entre outros.
No âmbito acadêmico, ele será muito significativo, já que
contribuirá com ideias científicas para as questões aqui propostas
dentro da área de Engenharia Mecânica, fazendo com que possa
contribuir com mais esse aporte científico de estudos e reflexões
nas universidades brasileiras. Além disso, o projeto nos permitiu
colocar toda a teoria adquirida em sala de aula na prática, até a
construção final do veículo Baja.
Os dados obtidos em nossa pesquisa cientifica vão ficar à
disposição dos alunos que farão parte da nova formação da equipe Clarengex; além disso, a abordagem do problema é qualitativa,
complementando a realização dos objetivos de forma explicativa,
analisando, dessa forma, soluções para o problema durante a comLing. Acadêmica, Batatais, v. 6, n. 1, p. 27-44, jan./jun. 2016
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petição SAE Baja Brasil 2015. O procedimento técnico adotado foi
experimental, onde serão apontadas as correções necessárias para o
novo projeto do conjunto homocinético.
Em março de 2015, ocorreu a 21ª Competição Baja SAE Brasil, onde a Faculdade Claretiano de Rio Claro – SP teve sua primeira
participação com a equipe Clarengex. Cada instituição participante
deveria construir um veículo off road (veículo fora da estrada) seguro e capaz de superar os mais variados tipos de terrenos.
Durante a prova de enduro, a junta homocinética sofreu um
deslocamento axial em seu trabalho, fazendo com que ela se desacoplasse do eixo. Nesse trabalho, levantamos algumas hipóteses
para nos auxiliar a encontrar a causa raiz do problema proposto.
1.1. Torque do motor muito alto.
1.2. Rolamento do semieixo homocinético com fadiga.
1.3. Vibração excessiva.
1.4. Limites de trabalho angular muito alto.
2. DESENVOLVIMENTO
A junta homocinética vem do grego homos = igual + kinein =
movimento e foi criada pelo francês Pierre Fenaille em 1927, com
o objetivo de se obter a tração dianteira, por ela possibilitada, permitindo a tração e a direção estarem no mesmo eixo. Antecessora
da junta homocinética, existia a junta universal, que basicamente
consistia em dois “U” unidos por um pino transmitindo movimento
para o outro, fazendo que esses eixos pudessem ter um movimento
independente e gerar um ângulo. Porém, esse tipo de junta possuía
um problema: quando o “U“ transmitia movimento para o outro,
existia a diferença de velocidade e aceleração entre as duas peças,
causando movimentos indesejáveis do volante de direção, ocasionando um desconforto nas curvas para o piloto.
A maior falha da junta universal foi eliminada na junta homocinética. Nesse modelo, há esferas entre a parte condutora e a parte
conduzida, mantidas espaçadas por meio de pistas.
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A junta homocinética surgiu devido à necessidade de anular
o efeito de desequilíbrio da transmissão e, também, à necessidade de conseguir ângulos maiores de trabalho, pois a junta universal possuía uma limitação nesse quesito. Com esse tipo de junta,
o movimento é transmitido de uma forma uniforme à velocidade
constante. Por essa razão, esta junta também é denominada junta de
velocidade constante (constant velocity joint ou, abreviadamente,
CV joint).
Em um projeto de um semieixo homocinético, devem ser
levados em consideração quatro parâmetros básicos, que variam
conforme a aplicação: Torque, Rotação, Ângulos e a Variação de
comprimentos (NETO, 2012). O projeto do sistema de transmissão da equipe Clarengex foi dimensionado para que o veículo Baja
alcançasse um torque alto e conseguisse superar terrenos acidentados; para isso, a variação de comprimento da junta homocinética
auxiliaria na transmissão de torque em diferentes ângulos, fazendo
com que o Baja não tenha perda de tração, independentemente do
tipo de terreno.
Com o projeto Baja SAE, os estudantes de engenharia conseguem colocar todo o conhecimento adquirido em sala de aula na
prática. Cada equipe que participa da competição Baja SAE BRASIL deverá projetar um veículo fora de estrada (off road) visando
à sua comercialização. O veículo tem de ser seguro, de fácil manutenção e operação. Deve, também, ser capaz de superar todos
os tipos de terrenos. Os alunos deverão desenvolver todo o projeto
do veículo (projeto, construção, testes, promoção e sua operação)
respeitando todas as regras disponibilizadas que foram impostas
(REGULAMENTO BAJA SAE BRASIL, 2013).
Com o objetivo de melhor compreender o sistema de juntas homocinéticas, realizamos nossas pesquisas a fim de entender a
real falha do sistema.
No projeto Baja, da equipe Clarengex, foi utilizada a junta homocinética birfield do VW Gol, marca Spicer, modelo 952042HD e
modelo VW 5X3407272. Utilizamos esse tipo de junta para transmitir a força gerada pelo motor para as rodas do veículo, independentemente do tipo de terreno em que o Baja estivesse operando.
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Segundo Cepra (2000), a junta homocinética birfield permite transmitir trabalho em diferentes ângulos e certo deslocamento axial.
Esse tipo de homocinética é a mais bem-sucedida de todos os tipos
de uniões homocinéticas. Na aplicação no veículo Baja, o deslocamento axial não foi o suficiente para o ângulo máximo necessário
para nosso projeto.
Uma necessidade do projeto foi trabalhar em conjunto com a
suspensão, que é constituída por um sistema independente, e, por
essa necessidade, precisávamos de um sistema que permitisse um
desalinhamento angular e paralelo dos eixos. Para tal função, aplicamos o semieixo homocinético. Outra possibilidade seria usarmos
as cruzetas (juntas universais) conforme Figura 1 a seguir, porém,
estas apresentam maiores perdas para um desalinhamento elevado,
bem como vibração excessiva.
Figura 1. Desenho de uma junta universal (cruzeta).
Fonte: Ningbo Rito (2015).
Entretanto, os semieixos homocinéticos (Figura 2) são de difícil fabricação, o que nos levou a adquirir um modelo comercial
empregado no VW gol, mais leve e compacto dentro dos encontrados nos veículos populares.
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Figura 2. Semieixo homocinético (modelo 3D).
Fonte: Ningbo Rito, 2015.
De acordo com SENAI, 2005, o semieixo homocinético (Figura 3) pode ser dividido em:
Figura 3. Vista explodida de um semieixo homocinético.
Fonte: Senai (2005).
A Figura 3 mostra:
1) Árvore de saída (ponta de eixo com junta homocinética
fixa).
2) Anéis de travamento.
3) Braçadeiras.
4) Coifas de proteção.
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5) Semiárvore.
6) Junta homocinética deslizante.
7) Arruelas Belleville.
8) Anel Centralizador.
O eixo semiárvore ou eixo monobloco foi desenvolvido para
a indústria automotiva, compondo o conjunto semieixo homocinético. Sua função é a transmissão do torque entre as juntas homocinéticas, devendo possuir elevada rigidez à torção. Ele possui
ranhuras/entalhes e rasgos para a fixação das juntas homocinéticas.
De acordo com Steyer (2006, p. 2) “Os semieixos homocinéticos são compostos por duas juntas homocinéticas, duas sanfonas
(chamadas de mangas ou coifas) e um eixo interconector e sua configuração depende do tipo de aplicação.” O veículo Baja possui um
semieixo para cada roda motriz, dessa forma, a tração é transmitida
para as duas rodas traseiras.
Os eixos de interconexão das juntas (Figura 4) podem ser
maciços, tubulares soldados ou monobloco tubular, e são confeccionados normalmente em SAE 1045 ou SAE 1050 e temperados
por indução.
Figura 4. Desenho 2D de um eixo de interconexão.
Fonte: GKN do Brasil (2015).
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Análise por elementos finitos
No Projeto Baja, realizamos análises do semieixo homocinético, que é uma das partes do veículo que mais sofreu impacto
durante a competição Baja SAE Brasil 2015.
Nessa análise, colhemos informações do RPM do motor utilizado no Baja, câmbio cvt, redutor, mancais e coroa, criamos um
memorial de cálculo, logo após os cálculos, aplicamos os resultados por método de elementos finitos com o software Solid Works
Simulation.
Memorial de cálculo
Todos os eixos que giram e transmitem potência sofrem flexão e torção (flexo-torção). A torção ocorre devido, pelo menos, a
dois momentos que agem, no eixo, em sentidos contrários (a carga
puxa de um lado, e o torque puxa do outro, e tendem a cisalhar o
eixo).
Para eixos totalmente fixos em uma extremidade, basta apenas um momento aplicado em qualquer ponto do seu comprimento
para provocar torção. Assim, todos os eixos que transmitem potências terão de ser calculados à flexo-torção.
Porém, o engenheiro, sem correr nenhum risco, poderá calcular esses eixos somente à torção, desde que use um artifício para
atenuar a flexão, segundo Niemann (1996). O semieixo homocinético possui um diâmetro de 24,2 mm, material SAE 1045 temperado pelo método de indução.
RPM na saída da redução:
Onde:
N final = Rotação máxima final (RPM) - 3800
Redução do redutor – 1:7,44
Redução do CVT – 1: 0,54
3800 / 0,54 X 7,44 = 945,83 RPM
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O motor que equipa o Baja possui 10 HP, mas, devido à perda
de potência no sistema, logo, a potência final é de:
HP x CVT x redutor x mancais x coroa = CV
10 x 0,97 x 0,96 x 0,985 x 0,98 = 8,98 CV
Cálculo de torção no semieixo homocinético:
A atuação da torção, basicamente, se segue conforme a Figura 5 a seguir:
Figura 5. Aplicação de torção em um eixo.
Fonte: Vicentini (2013).
N
n
Onde: N = potência do eixo (cv) e n = rotação do eixo (rpm)
MT = 716200 x N / n
MT = 716200 X 8,98 / 945,83
MT = 6799,8 Kgf / mm
Aplicando a fórmula de torque máximo:
Ƭ max = Mt / Wt
Ƭ max = Mt / (π x d³) / 16
Ƭ max = 6799, 8 / (π x 24, 2³) / 16
Ƭ max = 2, 44 kgf/mm²
Aplicamos o momento torçor: M
t = 71620 ×
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Portanto, a Ƭ max (torque máximo) = 2, 44 kgf/mm², esse
resultado será utilizado posteriormente para a realização de cálculo
por elementos finitos.
No caso da torção e do cisalhamento puro, conforme Figura
6 a seguir, as tensões aparecem no plano da seção da peça, ou seja,
perpendiculares ao eixo, e são chamadas de Tensões de cisalhamento e expressas pela letra (Ƭ).
Figura 6. Atuação da tensão de cisalhamento em um eixo.
Valores sugeridos para Fator de segurança (N) na Tabela 1 a
seguir:
Tabela 1. Tabela de valores sugeridos para fator de segurança (N).
Aços
Tipo de
solicitação
Sobre a
Ruptura
Sobre Escoamento
Materiais Frágeis
Ferro Fundido
Estática
1,5 a 2
3a4
5a6
Oscilante
3
6
7a8
Alternante
4
8
10 a 12
Choques
5a7
10 a 15
15 a 20
38
Adotamos o número 4 como nosso coeficiente de segurança,
pois aplicamos uma carga estática e com uma tensão sobre ruptura
do material.
Adotaremos para o aço 1045 temperado o valor de 680 Mpa,
conforme mostra a Tabela 2 a seguir:
Tabela 2. Tabela de valores de tensões para alguns tipos de aço
(Mpa), segundo a AISI.
Aço
Recozido
σe
Temperado /
Revenido
Normalizado
σr
σe
σr
σe
σr
1020
250
380
-
-
1030
320
480
345
520
500
700
-
1045
360
580
400
620
680
880
1060
375
630
420
780
670
985
4130
360
560
440
670
910
1280
4140
780
1000
-
-
1360
1470
4340
900
1100
-
-
1400
1560
8640
680
900
-
-
1000
1170
Aplicando a fórmula de tensão admissível:
t ADM =
tE
N
Onde: tADM = Tensão admissível, tE = Tensão de escoamento,
N = Fator de segurança.
2,72 = 0,6 x 68 / N portanto N = 15.
O fator de segurança encontrado foi de N= 15, o que nos mostra que o semieixo homocinético estava superdimensionado para
esse tipo de aplicação.
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O valor ideal para o fator de segurança para a aplicação no
Baja é de N= 4.
Devido à necessidade que encontramos no nosso projeto, precisaríamos de uma junta que transmitisse movimentos do torque do
motor para as rodas e, também, que sofresse variações de ângulos.
Segundo Generoso (2009, p. 69), “Esse tipo de junta é usado para
transmitir movimento entre árvores que precisam sofrer variação
angular, durante sua atividade”. A transmissão de trabalho entre árvores que operam em diferentes planos só é possível com a utilização de alguns tipos de junta.
Análises realizadas para encontrar a real causa do problema
de desacoplamento do semieixo homocinético:
Torque do motor muito alto
Com os resultados obtidos nas equações, será possível realizar a análise por elementos finitos. Para a simulação por software,
travaremos um lado do semieixo homocinético e aplicamos a tensão de cisalhamento calculada na outra extremidade. Com o resultado, conseguiremos identificar pontos de maior concentração de
tensão no material e se o torque exercido pelo motor ocasionou a
falha do sistema.
Análise no software Solid Works Simulation de elementos finitos, conforme Figuras 7 e 8:
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Figura 7. Dados do eixo analisado.
Fonte: acervo do autor.
Figura 8. Resultado da tensão por Von Mises.
Fonte: acervo do autor.
As tensões aplicadas no eixo foram baixas e não causaram
impacto no material. O fator de segurança (N) foi 15, mas o valor
ideal para o fator de segurança era 4, porem, já esperávamos esse
41
comportamento, pois utilizamos o semieixo homocinético, que foi
projetado para atender ao VW gol no Baja. Esses fatores indicam
que a homocinética utilizada estava superdimensionada para essa
aplicação, ou seja, ela foi projetada para atender um veículo que
opera em uma RPM e potência muito maior do que a aplicação no
nosso projeto Baja.
Rolamento do semieixo homocinético com fadiga
Durante a prova de frenagem da competição Baja SAE Brasil
2015, o veículo Baja da equipe Clarengex desacoplou o sistema
homocinético da ponta de eixo. Após análises realizadas pelos mecânicos da equipe, foi identificado que o sistema não tinha sido
comprometido, somente desacoplado.
A inspeção realizada no conjunto homocinética após a falha
do sistema indica que o material não estava comprometido, todas
as peças estavam dentro dos limites de operação, sem a presença
de desgaste, fadiga e folga. Com isso, a fadiga do rolamento está
descartada de ser uma possível falha do sistema.
Vibração excessiva
O veículo apresentava certa vibração no sistema homocinético quando em movimento. Ao confrontar informações do projeto
com teorias de ampliação do semieixo homocinético, foi constatado que o sistema estava com um ângulo alto para aplicação daquele
modelo de junta. De acordo com SENAI-SP (2005), a transmissão
de trabalho com limite angular muito alto pode ocasionar vibrações
no conjunto da junta homocinética.
Limites de trabalho angular muito alto
Analisando o semieixo homocinético, foi constatado que o
sistema estava trabalhando no limite máximo de ângulo admissível
para aquele tipo de homocinética, sendo esta a real causa do problema encontrado no semieixo homocinético do veículo Baja.
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3. CONCLUSÃO
Com o estudo da teoria adquirida e as análises feitas para
a realização deste trabalho, foi possível identificar que a causa
raiz do problema encontrado no projeto do veículo Baja da equipe
Clarengex foi a utilização do tipo de semieixo homocinético
inadequado. O modelo de junta homocinética birfield limitou o
ângulo de trabalho da suspensão do veículo Baja para o máximo
de 22°. A melhor escolha para o nosso tipo de aplicação seria a
junta homocinética fixa Rzeppas, pois esse tipo de junta permite
trabalho com ângulos superiores a 50°. Com essa liberdade angular,
o veículo Baja não encontraria problemas para transpor barreiras e
terrenos irregulares.
O melhor modelo a ser adotado para o semieixo homocinético é a junta fixa UF (Undercut Free) Rzeppa. Esse modelo transmite velocidade constante com ângulos máximos superiores a 50°
(SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS, 2014).
Acoplamentos, segundo Norton (2013, p. 608):
[...] são usados em eixos motores em automóveis, um par
de acoplamento de Hooke no eixo motor da tração traseira
e Rzeppas (chamado de juntas CV) em automóveis de tração dianteira. Os acoplamentos Rzeppas são os mais utilizados em automóveis e apresentam velocidade constante
para a tração dianteira.
A junta Rzeppas consiste, basicamente, em um anel interno
forjado e usinado conectado ao eixo e um anel externo forjado e
usinado que é preso ao cubo da roda. Ambos os anéis são ligados
entre si por seis esferas que são posicionadas e mantidas em um
plano através de uma gaiola que fica entre os anéis (NETO, 2012).
De acordo com Neto (2012, p. 47):
A principal vantagem deste tipo de junta é a habilidade
de transmitir potência a uma velocidade constante e a ângulos relativamente elevados, podendo chegar a mais de
50º. Além disso, quando comparada a outras juntas, tem
alta capacidade de torque para o seu tamanho e é bastante
resistente a esforços axiais. Estes esforços axiais são muito frequentes em aplicações com suspensão independente
onde a distância entre a roda e o diferencial muda constantemente [Figura 9].
43
Figura 9. Vista de uma junta fixa de esferas, Rzeppas Undercut
Free.
Fonte: Society of Automotive Engineers (2014).
REFERÊNCIAS
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em:<ftp://ftp.mecanica.ufu.br/LIV.RE/Ricardo/Baja/Junta%20universal/
juntas%20de%20transmissao.pdf>. Acesso em: 14 maio 2015.
GENEROSO, D. J. Elementos de máquinas. Santa Catarina. 2009. Disponível
em: <https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/9/9c/Apostila_elementos_de_
maquinas.pdf>. Acesso em: 11 maio 2015.
GKN. Driveline. 2015. Disponível em: <http://www.gkn.com/driveline/Pages/
default.aspx>. Acesso em: 14 maio 2015.
NETO, V. F. B. Otimização geométrica de um semieixo automotivo.
Florianópolis, 2012. Disponível em: <https://repositorio.ufsc.br/bitstream/
handle/123456789/122565/325621.pdf?sequence=1>. Acesso em: 14 maio
2015.
NIEMANN, G. Elementos de máquinas. 3. ed. São Paulo: Edgard Blucher. 1996.
NORTON, R. L. Projeto de máquinas: uma abordagem integrada. [tradução:
Konstantinos Dimitriou Stavropoulos et al.]. 4. ed. Porto Alegre: Bookman,
2013.
44
SENAI-SP. Sistema de transmissão. São Bernardo do Campo, 2005. Disponível
em:
<http://fatec.clubesubaruabc.com.br/download/apostilas/sistema_de_
transmissao.pdf>. Acesso em: 14 maio 2015
RITO, N. R. Industry & trade co.,Ltd. 2015. Disponível em: <http://www.
foundry-forge.com/pt/cardan-universal-joint-165.html>. Acesso em: 5 out. 2015.
SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS. Projeto de Transmissão e
Driveline para Fórmula e Baja SAE, São Paulo, set. 2014. Disponível em: <http://
www.saebrasil.org.br/eventos/programas_estudantis/arquivos/Transmissao_
(Diogenes_Moura_e_Thales_Souza).pdf>. Acesso em: 14 maio 2015.
______. Regulamento Baja SAE BRASIL. Disponível em: <http://www.saebrasil.
org.br/eventos/programas_estudantis/baja2013/regras.aspx>. Acesso em: 27
maio 2015.
STAYER, V. Eixos tubulares em material SAE 4130h com camada cementada na
parte externa e interna. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do
Sul (UFRGS), 2006.
VICENTINI, A. R. Métodos dos elementos finitos Engenharia Mecânica I. Rio
Claro: Claretiano, 2013.

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