Análise de junta aparafusada de biela automotiva

Abstract

Em bielas automotivas, os parafusos atuam de maneira a manter a união entre capa e haste, suportando as cargas trativas, compressivas e transversais originadas no olhal maior. Para tais componentes, o dimensionamento de juntas aparafusadas torna-se complexo, visto que a disposição dos parafusos e a geometria do mancal conduzem ao surgimento de esforços excêntricos à face de fratura, elevando a criticidade do projeto. Em vista disso, e do reduzido número de publicações sobre o assunto, o presente trabalho propôs uma “abordagem híbrida” para a análise de juntas aparafusadas em bielas anguladas, utilizando resultados obtidos a partir de um modelo de elementos finitos simplificado e as ferramentas contidas no roteiro VDI 2230 parte 1. Além disso, foi avaliada a influência do fenômeno de abertura unilateral sobre a vida em fadiga dos fixadores utilizados em bielas anguladas, analisando os resultados obtidos de modo a desenvolver um critério de avaliação para a fadiga desses componentes. A despeito das restrições, a abordagem numérico-analítica desenvolvida demostrou-se atraente, tanto pelo baixo custo computacional associado, quanto por sua precisão, principalmente na determinação da força tensora residual mínima para a prevenção de abertura, mostrando-se adequado para processos de otimização multiparamétricos, selecionando designs promissores passíveis de posterior avaliação através de modelos refinados. Já as análises de influência do fenômeno abertura não apresentaram alterações sensíveis nos níveis de força adicional dos fixadores, fato esse relacionado com a posição dos pontos de abertura em relação ao parafuso e ao mancal. Apesar disso, as simulações realizadas demonstraram que as condições de carregamento avaliadas não influenciaram no diagrama de Haigh local dos nós críticos de cada fixador, o que sugere o uso de resultados extraídos de ensaios de fadiga como variáveis de entrada para simulações em juntas de bielas, incluindo assim as influências benéficas do processo de manufatura.

Connecting rods screws maintain the connection between cap and shank supporting the tensile, compressive and transversal loads applied on the big end. In this case, the design of bolted joints become complex since the screw’s position and bearing geometry lead to eccentric forces acting on the joint split line. Due to that and the reduced number of publications on the subject, this dissertation aims to develop a "hybrid approach" for the analysis of bolted joints in angled connecting rods, using results from a simplified finite element model as input for the VDI 2230 part 1 guideline. In addition to that, this study evaluates the influence of unilateral opening phenomenon on fasteners fatigue life, analyzing the results in order to develop a criterion for fatigue analysis of connecting rod bolts. Despite the restrictions, the “hybrid approach” proved to be attractive due to the low computational cost and accuracy, especially for the calculation of minimal residual tensile force to prevent opening, being suitable for multiparametric optimization during project early phases. The opening phenomenon showed no significant changes in fastener’s additional forces, fact related to the position of joint opening points. Nevertheless, the simulations showed that the loading conditions did not influence on the local Haigh diagram of critical nodes, which suggests the use of fasters fatigue tests as input variables for fatigue simulations, thus including the beneficial influences of the manufacturing process.