Os sistemas sincronizadores de transmissões para serviço pesado funcionam aplicando torque sob altas cargas, trocas de marcha frequentes e variações térmicas. Eles são projetados para equalizar a velocidade das peças rotativas antes do engate, o que minimiza o impacto da troca de marcha e o desgaste dos dentes. O anel cônico, e mais especificamente o anel sincronizador, é responsável por criar a superfície de contato por atrito que permite essa equalização de velocidade.
Com o aumento do torque do motor em veículos comerciais e a exigência de quilometragens cada vez maiores em condições de serviço, o anel sincronizador deve apresentar torque de fricção constante, resistir ao desgaste mecânico e manter precisão dimensional. Os anéis tradicionais de aço forjado podem exigir usinagem complexa e apresentar características de desempenho que variam com a carga. A metalurgia do pó (MP) é um processo de fabricação alternativo para produzir peças complexas com gradiente de densidade controlado e boas propriedades mecânicas para aplicações de serviço pesado.
Conteúdo
Características funcionais do anel cônico sincronizador
O torque de fricção é produzido pelo anel sincronizador que conecta duas engrenagens para que elas tenham a mesma velocidade. Sua superfície cônica entra em contato com a peça de acoplamento e deve pressioná-la com grande força.
O deslizamento cíclico, as rápidas mudanças de temperatura e as cargas variáveis ao longo do tempo exigem um equilíbrio entre dureza, tenacidade e estabilidade dimensional. Se a estrutura se tornar viscosa, deformar-se em algumas regiões ou sofrer quebra da uniformidade do atrito, a troca de marchas com o sincronizador pode ser difícil, o torque excessivo não poderá ser liberado e o desgaste poderá ocorrer precocemente. Portanto, uma microestrutura estável e propriedades de superfície planas são imprescindíveis.
Pó metálico para anéis de sincronização
Normalmente, em anéis sincronizadores de metalurgia do pó, utiliza-se uma formulação de pó de Fe-Mo-Ni-Cu do tipo sinterizado por difusão. Um sistema comum contém Mo para temperabilidade, Ni para tenacidade, Cu devido à resposta à sinterização e adições de grafite para equilibrar o teor de carbono. Uma pequena quantidade de lubrificante interno melhora a fluidez e a ejeção da matriz. Os elementos de liga difundem-se uniformemente durante a sinterização, formando uma fina matriz de perlita no corpo do anel. Essa forma proporciona estabilidade dimensional e permite que as áreas a serem endurecidas formem estruturas martensíticas durante o tratamento térmico.
Processo de fabricação de anéis sincronizadores a partir de metal em pó
O processo de fabricação de metalurgia do pó A sincronização dos anéis segue uma série de etapas de processamento controladas.
Mistura de pó
O processo de produção consiste em misturar inicialmente o pó de ferro ligado por difusão com grafite (≈0.8% em peso) e um lubrificante (≈0.3% em peso). A mistura homogênea do elemento de liga facilita a consistência tanto na densificação quanto no tratamento térmico.
Compactação
Processo de compactação A prensagem é realizada em uma máquina de alta tonelagem com sistema de matriz flutuante múltipla. A superfície cônica, as reentrâncias e o furo central são produzidos durante a prensagem nesse sistema de ferramentas. A matriz pode ser preenchida até cerca de 42 mm e a alimentação assistida por vibração promove uma compactação uniforme. A pressão de compactação geralmente varia entre 600 e 700 MPa. Dessa forma, a densidade a verde atinge cerca de 6.80 a 6.90 g/cm³ em um corpo anelar e aproximadamente 6.85 a 6.95 g/cm³ em posições com maior capacidade de carga.
sinterização
A peça é submetida a um ciclo térmico em etapas durante a sinterização em atmosfera inerte. Os aglutinantes e lubrificantes são queimados a aproximadamente 680 °C, após o que os anéis são pré-sinterizados a uma temperatura de cerca de 900 °C antes de atingirem a temperatura de sinterização principal, em torno de 1120 °C, quando as regiões para infiltração de cobre fundido são definidas dentro de um anel, aumentando as densidades locais para cerca de 7.45–7.55 g/cm³. Essa densificação seletiva reforça as regiões que sofrem máxima ação mecânica no sincronizador.
O resfriamento é controlado para evitar qualquer distorção térmica e de forma a condicionar o material para um endurecimento adicional. Uma breve permanência em torno de 860 °C contribui para garantir uma temperatura homogênea do anel imediatamente antes do resfriamento final.
operações secundárias
Tratamento térmico
O tratamento térmico por indução é utilizado para endurecer a superfície de fricção. O anel possui uma velocidade de rotação de 40 rpm e é operado por um pulso curto de alta energia de aproximadamente 600 A por cerca de 3 s, seguido de resfriamento ativo. Isso resulta em uma camada martensítica de 0.6 a 0.8 mm de profundidade com dureza superficial em torno de HRC 27 a 35.
Usinagem CNC
A tolerância dimensional na face cônica, nos furos dos pinos e nas faces das extremidades é determinada pela usinagem final. A montagem é finalizada conectando-se um revestimento de fricção de fibra de carbono, com espessura aproximada de 0.65 milímetros, à superfície externa do cone.
Tratamento a vapor
Após a sinterização e o resfriamento controlado, tratamento a vapor é aplicado na superfície do anel sincronizador. O componente é exposto a vapor superaquecido a alta temperatura, formando uma camada fina e densa de óxido de ferro. Essa camada de óxido melhora a estabilidade da superfície, a resistência ao desgaste e a consistência do atrito, além de proporcionar proteção básica contra corrosão.
Propriedades Mecânicas e Físicas
Os anéis sincronizadores PM possuem um gradiente de densidade projetado para otimizar a distribuição de carga. Um núcleo perlítico é desenvolvido com seções martensíticas nas áreas tratadas por indução. Isso se deve às elevadas tensões de torque combinadas com as tensões repetitivas de engate típicas de veículos comerciais.
A tabela abaixo mostra as propriedades mecânicas dos anéis cônicos do sincronizador PM.
| Imóvel | Valor típico |
|---|---|
| Densidade (corporal) | 7.47 g / cm³ |
| Dureza da Superfície | ~HRC 30 |
| Maior resistência à tração | ~619 MPa |
| Estrutura matriz | Liga de difusão perlítica fina |
| Profundidade da zona endurecida | ~0.6–0.8 mm |
Os anéis sincronizadores PM apresentam desempenho confiável sob a carga cíclica da troca de marchas. Sua face endurecida mantém-se íntegro em termos de atrito e resiste ao polimento.
As áreas infiltradas com cobre não se comprimem nem se deformam sob condições extremas. A estabilidade dimensional é mantida após ciclos térmicos, garantindo a consistência do encaixe do cone.
O gradiente de densificação e o tratamento térmico bem controlado no processamento PM previnem modos de falha presentes em anéis convencionais, como curvatura localizada ou amolecimento.
Comparativo com a fabricação convencional
Os anéis sincronizadores fabricados em aço 40Cr por forjamento ou torneamento exigem muitos procedimentos de processamento, gerando maior desperdício de material e custos mais elevados. Suas microestruturas podem variar significativamente de lote para lote, o que influencia o comportamento dos sincronizadores a longo prazo.
Os anéis sincronizadores sinterizados, no entanto, incorporam sua geometria na maior parte do processo de compactação. O tempo de usinagem é minimizado, a repetibilidade dimensional é aprimorada e a densidade pode ser personalizada nas áreas mais críticas de desempenho. Esses benefícios tornam a metalurgia do pó particularmente eficaz para aplicações de transmissão de serviço pesado em grande volume.
O desempenho dos anéis sincronizadores de ímã permanente baseia-se no projeto da liga, na densificação seletiva e no processamento térmico controlado. Formações densas superiores em zonas críticas aumentam a capacidade de suportar carga, e um núcleo perlítico reduz qualquer deformação durante longos períodos de serviço. O endurecimento por indução proporciona uma superfície de fricção resistente, para uma longa vida útil e sincronização suave.
A metalurgia do pó serve como um processo confiável, econômico e comprovado para a fabricação de anéis cônicos sincronizadores, como os utilizados em transmissões de serviço pesado.