Máquina para ensaios de fadiga sob controle das cargas

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0800480-3 A2
  • Data do depósito:
  • 01/02/2008
  • Data da publicação:
  • 22/09/2009
Inventores:
  • Classificação:
  • G01L 1/04
    Medi??o de for?a ou tens?o, em geral; / da medi??o da deforma??o el?stica de c?lulas de carga, p. ex. de molas;
    ;

MÁQUINA PARA ENSAIOS DE FADIGA SOB CONTROLE DAS CARGAS. A presente invenção, que é uma máquina para ensaios de fadiga sob controle das cargas, de corpos de prova de um material ou de componentes em geral, tais como aqueles empregados na indústria automotiva, de eletro-eletrônicos e de próteses para ortopedia, especialmente aquelas utilizadas em implantes dentários humanos, representa um sistema muito econômico para a realização de tais ensaios, em relação aos dispendiosos sistemas servo-hidráulicos normalmente empregados com esta finalidade. A dita máquina é constituída por um sistema de acionamento envolvendo um excêntrico giratório (que pode ser substituído por qualquer outro tipo de acionamento mecânico, hidráulico, pneumático, elétrico ou eletrônico), que atua sobre um pino cujo comprimento total pode ser variado antes do ensaio, e que por sua vez atua sobre uma mola que se apóia no componente ou corpo de prova de material a ser ensaiado, O giro do excêntrico varia a deflexão da mola, aplicando cargas variáveis e cíclicas controladas sobre o componente ou corpo de prova de material a ser ensaiado.

Página de 2

Documento

PI0800480-3

“MÁQUINA PARA ENSAIOS DE FADIGA SOB CONTROLE DAS CARGAS”.

A presente invenção refere-se a uma máquina para ensaios de fadiga sob controle das cargas aplicadas durante o ensaio, em corpos de prova de materiais ou em componentes em geral, tais como aqueles empregados na indústria automotiva, de eletro-eletrônicos e de próteses para ortopedia, especialmente aquelas utilizadas em implantes dentários.

Os ensaios de fadiga de componentes ou de corpos de prova de materiais podem ser realizados controlando a amplitude da deformação ou a amplitude das cargas aplicadas durante o ensaio. No primeiro caso, o componente ou um corpo de prova do material é fixado a uma base, e algum ponto do componente ou do corpo de prova é deslocado em alguma direção de forma cíclica, numa amplitude de movimento fixada. Os ciclos são repetidos até que o componente ou o corpo de prova rompa-se ou sofra uma deformação permanente pré-fixada, anotando-se o número de ciclos necessários até essa ocorrência. No segundo caso, o mesmo ensaio é realizado, mas a ciclagem envolve não o deslocamento de algum ponto do componente ou corpo de prova, mas as cargas aplicadas a esse ponto, que normalmente variam dentro de um mínimo e máximo pré-fixados.

Os equipamentos comumente utilizados nestes dois tipos de ensaios de fadiga são mecânicos ou servo-hidráulicos. Os equipamentos mecânicos utilizados em ensaios de fadiga sob controle dos deslocamentos utilizam comumente excêntricos giratórios, ligados ao ponto do componente ou corpo de prova que deverá sofrer o deslocamento cíclico. A amplitude de deslocamento é estabelecida pelo tamanho do excêntrico, e a freqüência de carregamento é dada pela rotação do excêntrico. Os équipamentos mecânicos utilizados em ensaios sob controle das cargas aplicadas normalmente envolvem corpos de prova cilíndricos, que giram e ao mesmo tempo são carregados por flexão, induzindo no corpo de prova um carregamento senoidal (carga máxima e mínima iguais em módulo, mas de sinais opostos, ou seja, a máxima é de tração, e a mínima é de compressão) com carga média nula. Os equipamentos servo-hidráulicos envolvem o movimento de um pistão hidráulico, cujo deslocamento ou carga sofrida são acompanhados por

sensores; o equipamento gera um sinal de deslocamento ou de carga, que deverá ser acompanhado pelos sensores acoplados ao pistão hidráulico. Tais equipamentos podem ser apreciados em catálogos de seus fabricantes, tais como a MTS (Materials Testing Systems - USA) ou INSTRON (USA).

5    Os equipamentos mecânicos para a realização de ensaios de

fadiga sob controle das cargas são simples, amplamente conhecidos na literatura, de manutenção barata, mas realizam somente ensaios sob flexão rotativa em corpos de prova de materiais. Além disso, o carregamento segue somente uma senóide, com valor médio de carga nula. Já os equipamentos 10 servo-hidráulicos são muito versáteis, e podem realizar qualquer tipo de ensaios de fadiga (sob controle dos deslocamentos ou das cargas), inclusive aqueles que não envolvem somente a repetição do mesmo ciclo de deslocamentos ou das cargas, mas não executam ensaios de flexão rotativa. Por outro lado, são máquinas muito caras, de operação e manutenção 15 complexas. Os ensaios realizados com este equipamento são assim, extremamente dispendiosos, pois ensaios típicos de fadiga são de longa duração e envolvem um grande número de ensaios de componentes ou de corpos de prova (comumente um mínimo de 10 ensaios, cada um dos quais utiliza um componente ou corpo de prova), associado à dispersão experimental 20 comumente observada neste tipo de ensaios e aos diferentes níveis de carregamento empregados.

A presente invenção refere-se a uma máquina mecânica para ensaios de fadiga, onde o ensaio realiza-se sob controle das cargas, sem empregar a flexão rotativa, permitindo uma variação das cargas aplicadas em 25 cada ciclo ao longo de uma curva desejada pelo usuário, e não somente uma variação senoidal, e com um valor médio diferente de zero, através do emprego de excêntrico que gira e atua sobre um sistema de molas, que então aplica esforços sobre os componentes ou corpos de prova de materiais. Trata-se de um equipamento mecânico e não servo-hidráulico, tendo assim um custo de 30 construção, manutenção e operação muito mais baixo que aqueles de equipamentos servo-hidráulicos.

Fica também claro que o sistema de excêntrico aqui proposto

pode ser substituído por qualquer outra forma de acionamento mecânico, pneumático, elétrico, eletrônico ou hidráulico, que forneça deslocamentos fixos e cíclicos e que permita a variação das cargas de acordo com variações previsíveis (linear, senoidal, etc). Em especial, um outro mecanismo mecânico 5 que poderia ser utilizado no equipamento aqui proposto seria o de biela-manivela, que apresenta, porém, a restrição de que as cargas aplicadas terão sempre uma variação senoidal.

As outras características da invenção são:

-    A máquina de fadiga dispõe de um sistema de regulagem inicial da carga, que 10 será melhor explicado e detalhado quando da exposição sobre a figura 1, que

permite o estabelecimento da carga inicial do ensaio. Esta carga inicial pode tanto ser tração quanto de compressão sobre o componente ou corpo de prova de um material.

-    A máquina de fadiga permite a variação da carga máxima a ser utilizada, seja 15 através da mudança da excentricidade de seu excêntrico, seja através da

troca da mola empregada.

-    A máquina de fadiga permite a execução de ensaios envolvendo cargas mínimas e máximas de tração e tração, respectivamente, ou de tração e compressão, respectivamente, ou de compressão e compressão,

20 respectivamente;

-    a máquina de fadiga permite realizar ensaios de fadiga tanto em corpos de prova de materiais quanto em componentes, mas não permite realizar ensaios de flexão rotativa, devido à sua concepção intrínseca.

A descrição que segue e as figuras associadas, tudo dado a 25 título de exemplo não limitativo, farão compreender bem a invenção.

A figura 1 apresenta, esquematicamente, o princípio de funcionamento da máquina de fadiga, para ensaios envolvendo somente esforços de compressão sobre um componente (no caso, um pino com uma cabeça esférica, que será testado à flexão na posição inclinada, componente 30 este tomado exclusivamente a título de exemplo).

A figura 2 representa um gráfico relacionando a deflexão da mola (AL) com a carga gerada por ela (F) sobre o componente ou corpo de

prova sendo testado.

Como mostrado na figura 1, a máquina é acionada pelo excêntrico (1), que gira em torno do eixo (2).- Este excêntrico pode ser substituído, caso desejado, por um sistema biela-manivela ou qualquer outro 5 sistema que forneça deslocamentos fixos e repetitivos. A rotação deste excêntrico representa a freqüência de aplicação das cargas no ensaio de fadiga. Quando o excêntrico gira, ele imprime um movimento cíclico de subida e descida ao eixo (3), que desliza dentro de um furo na base fixa superior da moldura (12). O eixo (3), por sua vez, está conectado ao eixo (4) pelo sistema 10 de regulagem de comprimento (5). Este sistema permite variar o comprimento total do sistema formado pelos eixos (3) e (4), por exemplo, através de um sistema de roscas que pode ser travado, ou qualquer outro sistema adequado. O eixo (4), por sua vez, está conectado e preso ao travessão superior (6), que está conectado e preso à mola (7), que por sua vez está conectada e presa ao 15 travessão inferior (8). As guias (9) são fixas na base fixa superior da moldura (12), e mantém o alinhamento dos travessões móveis (6) e (8); qualquer outro sistema que mantenha a verticalidade ou alinhamento da mola (7) com os eixos (3) e (4) durante os ensaios também pode ser empregado. O desenho indica que, ao se girar o excêntrico, todo o sistema formado pelos eixos (3) e (4), 20 sistema de regulagem (5), travessões superior (6) e inferior (8) e a mola (7) oscilarão também, dentro da amplitude prescrita pelo excêntrico. A função da mola (10) é somente manter o contato do conjunto de peças acima descrito com o excêntrico, durante o giro deste. Qualquer outro sistema que garanta este contato pode ser utilizado, como, por exemplo, a construção da máquina 25 verticalmente invertida, onde o peso do sistema acima descrito manteria o contato com o excêntrico.

O componente ou corpo de prova de material a ser testado, por sua vez, está preso à base fixa inferior da moldura (12), no caso através de uma sub-base (13), fixada nesta base, e na qual encontra-se fixado o pino (11) 30 (somente a título de exemplo de um componente) a ser testado, por exemplo, sob fadiga com carga mínima zero e carga máxima de acordo com um valor especificado. O ensaio é executado da seguinte forma: inicialmente, atuando-

se no sistema de regulagem (5), varia-se o comprimento total dos eixos (3) e (4) até que o travessão (8) toque ligeiramente o pino a ser testado. Se, nesta situação, o excêntrico for girado, o travessão superior (6) será comprimido contra a mola (7) de uma deflexão igual à excentricidade do excêntrico. A mola

(7) , por sua vez, comprimirá o travessão inferior (8) contra o pino sendo testado, que impedirá o movimento deste travessão, e, assim, ficará submetido à carga gerada pela deflexão da mola, que dependerá da constante (K) da mola, que será discutida na figura 2. Neste caso, sucessivos giros do excêntrico imporão ao pino cargas oscilando entre zero (na posição de menor excentricidade do excêntrico) e um valor máximo (na posição de maior excentricidade do excêntrico), que dependerá da constante (K) da mola.

Caso se deseje uma carga inicial não nula sobre o pino, coloca-se o excêntrico em sua posição de mínima excentricidade, e atua-se sobre o sistema de regulagem de comprimento (5) de tal forma que o travessão móvel (6) se mova de uma distância tal que aplique a carga inicial desejada sobre o componente. Esta distância dependerá da constante de mola (K) da mola, como será explicado através da figura 2.

Caso se deseje uma carga inicial de tração sobre o pino (e não de compressão, como mostrado na figura, somente a título de ilustração), seria necessário inicialmente prender o pino sendo testado ao travessão móvel

(8) , e então atuar no sistema de regulagem de comprimento (5) dos eixos (3) e (4) no sentido de encurtá-lo da distância que aplicará, sobre o pino, a carga inicial de tração desejada, e que dependerá da constante (K) da mola.

A variação da carga entre seus valores mínimos e máximos dependerá da forma do excêntrico, forma esta já amplamente apresentada e discutida em compêndios de elementos de máquinas. Uma forma comumente adotada para os excêntricos é aquela que confere uma variação senoidal à carga.

A figura 2 mostra um gráfico cartesiano, cujo eixo das ordenadas corresponde às cargas geradas pela mola, aqui representadas pelo símbolo (F) (cujas unidades são, por exemplo, kg, N, kN), e o eixo das abcissas corresponde às deflexões da mola, aqui representadas pelo símbolo (AL) (cujas unidades são, por exemplo, mm, cm, m) ou seja, à variação do comprimento da mola e que coincide com a variação da distância entre os travessões deslizantes (6) e (8) na figura 1. Neste gráfico,, será tomado como positiva a diminuição de comprimento da mola, para facilidade de entendimento. A reta (14) corresponde ao comportamento da mola sendo utilizada na máquina de fadiga. A inclinação (K) desta reta caracteriza a relação entre as deflexões da mola (aqui representadas pelo símbolo AL) e as cargas geradas pela mola (aqui representadas através do símbolo F), através da equação:

F = K x AL

A constante de mola (K) é dada em unidades de carga dividida por unidades de comprimento (por exemplo, KN/m, N/mm). Por exemplo, uma mola com constante (K) = 50 N/mm gerará uma carga de 50 N para cada mm de deflexão (para encurtamento ou alongamento da mola). A determinação da constante de mola (K) geralmente é feita através de uma máquina de ensaios, que fornece o valor da carga gerada para diferentes níveis de deflexão da mola.

No caso da presente máquina de ensaios por fadiga, imaginemos que inicialmente o sistema de regulagem de comprimento (5) dos eixos (3) e (4) (figura 1) confira uma deflexão (AL1) à mola, indicada na figura

2. Está deflexão gerará uma força F1 = K x AL1 , como indicado na figura 2. É claro que se (AL1) for nulo, a força inicial também será nula.

Se agora o excêntrico (1) for girado até a posição em que causa a máxima deflexão na mola (lembrando que o pino sendo ensaiado retém a movimentação do travessão móvel 8), a mola sofrerá uma deflexão adicional (AL2), indicada na figura 2. A deflexão total da mola (ALf), indicada na figura 2, será agora dada por ALf = AL1 + AL2. Esta deflexão da mola gerará uma força final( Ff) indicada na figura 2, e dada por Ff = K x ALf.

Desta forma, a cada rotação do excêntrico (1), a carga aplicada sobre o pino variará entre um valor mínimo de carga (F1) (ver figura 2) até um valor máximo de carga (Ff) (ver figura 2), seguindo uma variação causada pela forma do excêntrico, e que é comumente senoidal. O ensaio de fadiga realiza-se assim pela rotação contínua do excêntrico até um número de rotações, e assim de ciclos de carga, que cause um certo nível de deformação permanente ou fratura do componente ou corpo de prova de um material que estejam sendo testados.

5    Depreende-se da figura 2 que a carga inicial (F1) (ver figura 2)

depende essencialmente da deflexão inicial da mola (AL1) (ver figura 2) e da constante de mola (K) (ver figura 2) da mola. Já a carga final (Ff) (ver figura 2) depende do valor da carga inicial (F1) (ver figura 2), do grau de excentricidade do excêntrico (!) que determina a deflexão (AL2) (ver figura 2) e da constante 10 de mola (K) (ver figura 2). Fica assim claro que a máquina ora descrita permite grande flexibilidade de escolha das cargas iniciais e finais no ensaio de fadiga, bastando para isso escolher convenientemente a deflexão inicial da mola (AL1) (ver figura 2), a constante (K) da mola (ver figura 2) e a excentricidade do excêntrico (1), que fornece a deflexão (AL2) (ver figura 2).

15    A título de exemplo, suponhamos que a máquina empregue

uma mola com constante (K) = 100N/mm (ou seja, a mola gera uma carga de 100N para cada mm de deflexão), que a deflexão mínima da mola seja (AL1) = 3mm, e que o excêntrico imponha uma deflexão adicional à mola no valor de (AL2) = 10 mm. A carga mínima aplicada sobre o componente ou 20 corpo de prova de um material será então F1 = K x AL1 = 100 N/mm x 3 mm = 300 N. Já a deflexão máxima da mola será dada por ALf = AL1 + AL2 = 3 mm + 10 mm = 13 mm, gerando uma carga máxima dada por Ff = K x ALf = 100 N/mm x 13 mm = 1300 N. A variação da carga entre esses valores mínimo (300 N) e máximo (1300 N) seguirá a lei imposta pela forma do excêntrico (1), 25 assunto esse amplamente coberto em compêndios de elementos de máquinas.

REIVINDICAÇÕES

1.    Máquina para ensaios de fadiga sob controle das cargas, caracterizada pelo fato de possuir um acionamento mecânico através de um excêntrico (1) que gira em torno do eixo (2), que imprime um movimento cíclico de subida e descida aos eixos (3) e (4) cujo comprimento total pode ser regulado por um sistema de regulagem de comprimento (5), eixos esses que transmitem o movimento cíclico ao conjunto de travessões móveis (6) e (8), interconectados e presos entre si pela mola (7) que possui uma constante de mola (K) e que transmite a carga gerada pela mola a um componente ou corpo de prova de um material (11), fixado a uma sub-base (13).