A tecnologia de direção dos automóveis vem mudando significativamente nos últimos anos, o que permitiu a passagem do sistema de direção hidráulico para o elétrico. Os sistemas hidráulicos já possuíam elementos de vedação e alguns componentes individuais feitos de plástico, embora, na maioria dos casos, essas peças não estivessem sujeitas a cargas. Pressões e as altas temperaturas do óleo hidráulico tornavam economicamente difícil a aplicação do plástico nesse ambiente. A mudança de tecnologia para sistemas de direção elétrica e, não menos importante, o desenvolvimento de plásticos de alto desempenho mais acessíveis abriram um vasto leque de novas aplicações possíveis.

Geralmente fabricada em alumínio, a caixa de direção, alinhada ao conjunto cremalheira e pinhão, é uma das peças do sistema que mais se submete a altas tensões. O desafio, portanto, era desenvolver um projeto adequado para o uso de plástico que, apesar da modificação de sua estrutura, coubesse no espaço disponível no

Figura 1 – Caixa de direção de plástico com insertos roscados e guia de cremalheira

veículo e também atendesse às especificações do OEM por um preço acessível. Quando estão envolvidos componentes que trabalham sob alta tensão, não é possível fazer uma alteração 1:1 de materiais sem adaptações de projeto.

Implementação dos requisitos

Para a realização desse estudo, foi selecionado o sistema de direção mecânica de um carro de pequeno porte de um OEM alemão. O sistema de direção em questão tem uma unidade de assistência de potência na coluna de direção.

A caixa de direção contém várias conexões de parafusos. A produção dessas roscas em plástico moldado por injeção não apenas significaria eleva-

Figura 2 – Orientação das fibras da caixa de direção de plástico

 

dos custos de ferramental como também representa um ponto fraco, tendo em mente que a resistência nesse caso é essencial devido às altas tensões envolvidas. Para evitar esse problema, decidiu-se utilizar insertos de metal nas áreas submetidas a altas tensões (figura 1). No sistema de direção, a cremalheira é guiada pelo garfo e pela sua própria guia. O garfo precisa ser capaz de se mover dentro da caixa, enquanto a guia da cremalheira é fixa.

A guia é confeccionada em material plástico de baixa fricção e, como a própria caixa também é fabricada em plástico, parecia lógico integrá-la indiretamente ao processo de moldagem por injeção. A técnica de fabricação em questão só foi possível graças à tecnologia de

Figura 3 – Resultado da análise FEM

 

dois componentes, que injeta dois materiais diferentes e elimina uma etapa adicional de montagem.

Para a fabricação da caixa, foi utilizado um plástico de alto desempenho reforçado com 50% de fibra de vidro. Esse material já foi usado na produção como suporte de caixa de câmbio do BMW Série 5 e suporte de motor do Mercedes GL. Tem alta resistência a todos os meios típicos encontrados no compartimento do motor e boas características de envelhecimento, com pouca alteração em termos de fragilidade, tenacidade e módulo de elasticidade. Já na guia da cremalheira, foi aplicado o Ultramid A3R, material usado com sucesso há anos em elementos de atrito de deslizamento na produção de caixas de direção.

A especificação do OEM indicava o uso em temperaturas de até 125°C. Se aquecido totalmente nessa faixa de temperatura, o material perderia cerca de 30% de sua resistência em comparação à resistência em temperatura ambiente. Análises iniciais realizadas pelo método dos elementos finitos (FEM) mostraram que essas resistências reduzidas poderiam

Tendência

Figura 4 – Sistema de direção na câmara climática

 

ser críticas. O requisito de alta temperatura era necessário devido ao calor irradiado pelas unidades adjacentes. Esse calor gerado não representa uma carga térmica constante na caixa de direção durante a condução normal e, provavelmente, não aquecerá totalmente o plástico.

Ao mesmo tempo, os piores cenários de carga na análise FEM não ocorreram durante a condução normal, o que coloca em perspectiva o requisito de 125°C. Além disso, proteções térmicas adequadas no veículo permitem que os requisitos de temperatura na caixa de direção sejam reduzidos. Por esses motivos, foi definida uma temperatura contínua máxima de 80°C para o projeto e os valores de materiais correspondentes foram utilizados na análise FEM. Esse valor também foi definido com relação ao potencial de utilização da caixa de direção de plástico em veículos elétricos, nos quais as temperaturas mais baixas prevalecem devido à ausência do motor de combustão interna. O crescimento da mobilidade elétrica resultará em um aumento adicional da demanda de componentes leves. Ao contrário do alumínio, o plástico – especialmente plástico reforçado com fibra de vidro – não exibe comportamento isotrópico porque a orientação das fibras de vidro tem uma influência significativa na resistência do componente. Consequentemente, primeiro é necessário determinar a orientação das fibras resultante do processo de moldagem por injeção antes de se executar análises FEM de componentes de plástico modelados em 3D.

A figura 2 (pág. 64) mostra a orientação das fibras na caixa de direção. Os funis no lado esquerdo simbolizam os pontos de injeção no molde. As áreas em cor vermelha indicam o alinhamento das fibras de vidro em uma direção, enquanto a cor verde indica a orientação uniforme das fibras em todas as direções. Idealmente, as fibras devem estar alinhadas na direção do fluxo de força, o que pode ser otimizado variando o ponto de injeção.

Nesta fase de desenvolvimento do trabalho, a equipe da ThyssenKrupp Presta Esslingen foi apoiada pela BASF Services Europe, que pode determinar as condições anisotrópicas do material com o uso do software Ultrasim. O software cria um modelo 3D do componente com curvas de tensão/deformação local armazenadas para cada ponto no modelo. Com a utilização desse modelo, a análise FEM é realizada subsequentemente levando em conta as propriedades locais do material. A figura 3 (pág. 65) mostra o resultado da FEM em um dos piores casos de carga na área submetida a altas tensões.

Durante a fase de projeto, a empresa cooperou estreitamente com um fabricante de moldes para encontrar um projeto para a caixa que também fosse viável do ponto de vista do ferramental. Portanto, foram necessárias diversas séries de análises FEM para desenvolver um projeto que fosse positivo para todas as áreas

Figura 5 – Perfil de temperatura da caixa de plástico

 

Teoria colocada à prova

O protótipo da caixa de plástico foi testado de acordo com os requisitos de carga do OEM. Embora em contraste com os requisitos normais, todos os testes relevantes foram conduzidos sob a influência da temperatura. Os testes de resistência em altas temperaturas são especialmente importantes. A câmara climática com um sistema de direção, em teste de resistência, e o perfil de temperatura de -30°C a +80°C podem ser vistos nas figuras 4 (pág. 66) e 5.

Além dos referidos testes de resistência, também foram realizados testes de impacto no sistema de direção. Nesse caso, os testes de maior interesse foram em temperaturas de -30°C, a fim de investigar o comportamento de fragilidade do plástico. Todos os testes realizados até agora produziram resultados positivos.

Perspectivas

Com o intuito de economizar custos e reduzir o peso do sistema, componentes metálicos de veículos são cada vez mais substituídos por peças de plástico. Com esta caixa de direção de plástico, a ThyssenKrupp Presta desenvolveu um projeto mais leve e inovador para o mercado de direção. Além de ajudar a atingir metas ecológicas, o projeto também oferece vantagens econômicas para o grupo.

No entanto, para ampliar a possível gama de aplicações, a fim de incluir veículos com motores de combustão interna, há o plano de testar os componentes de acordo com os requisitos de temperaturas mais altas (até 125°C). Para alcançar esse objetivo, será necessário investigar as cargas de temperatura que realmente atuam no material em temperatura elevada para que se possa avaliar se o aumento de temperatura é crítico para a resistência do componente. Em discussões iniciais, representantes da indústria automotiva já indicaram um interesse significativo na caixa de direção de plástico.