Comportamento mecânico de cilindros de carbono/epóxi processados por enrolamento filamentar para semieixos de transmissão

Abstract

O semieixo automotivo é um componente usualmente metálico pelo qual o torque é transmitido do diferencial para as rodas do veículo. Diferentemente dos semieixos convencionais, os fabricados em materiais compósitos possuem algumas variáveis de projeto que devem ser levadas em consideração, como a orientação das fibras, a sequência de empilhamento, a espessura e o número de camadas. Neste trabalho, cilindros compósitos para aplicação em semieixos de transmissão foram processados por enrolamento filamentar com o objetivo de substituir peças em aço convencional por compósito laminado em fibra de carbono com matriz epóxi. Para tal, os parâmetros da aplicação do semieixo em compósito, como frequência natural, torque critico de flambagem e capacidade de transmissão de torque foram considerados. Foi realizado um ensaio preliminar de torção e foram selecionados três laminados: [±22/±45], [±89/±45] e [±45]2. Cilindros de carbono/epóxi foram fabricados pelo processo de enrolamento filamentar e ensaios de compressão radial e longitudinal dos cilindros foram realizados. Análises mecânicas foram realizadas por meio de abordagens analíticas e numéricas, sendo que a última foi baseada no método dos elementos finitos. Os resultados analíticos foram comparados com os numéricos e experimentais, apresentando uma boa correlação entre eles. O cilindro com o laminado [±45]2 apresentou o melhor desempenho de resistência sob torção. Para torque critico de flambagem, assim como em compressão radial e longitudinal, o laminado [±45]2 apresentou um desempenho satisfatório para a aplicação, apesar de não ser o melhor desempenho dentre os laminados. Conclui-se que o laminado [±45]2 é o que apresenta melhor desempenho, em geral e que a redução de massa do semieixo desenvolvido em compósito utilizando este laminado, em relação ao de aço é de 47%.

The automotive half shaft is usually a metallic-based component in which the torque is transmitted from the differential to the wheels. Unlike conventional half shafts, in composite half shafts there are several parameters to be improved, namely fiber orientation, stacking sequence, thickness and number of layers. In this study, composite cylinders for application in half shafts have been processed by filament winding in order to replace conventional steel parts by laminated composites with carbon fiber reinforced epoxy composites. For that, it must satisfy several parameters of the composite half shaft, such as critical speed, critical buckling torque and load carrying ability. A preliminary torsional test has been performed and three laminates were selected: [±22/±45], [±89/±45] and [±45]2. Carbon/epoxy cylinders were manufactured by filament winding process and radial and longitudinal compression tests were performed. Mechanical analysis has been accomplished by using analytical and numerical approaches, since the last one is based on the finite element method. Analytical results were compared with the numerical and experimental ones, presenting a good correlation between them. The cylinder [±45]2 has the best performance under torsional loading. For critical buckling torque, as well as radial and longitudinal compression, the laminate [±45]2 presented a satisfactory performance for the application, but not the best performance within the laminates. The main conclusion is that the laminate [± 45]2 has the best performance and the weight reduction of the composite half shaft developed using this laminate is of 47%, when compared to a steel-based shaft.