Análise estrutural de mola helicoidal automotiva fabricada com material compósito forjado

Abstract

A constante evolução da indústria automotiva tem gerado uma demanda crescente por componentes mecânicos mais eficientes, capazes de atender às necessidades específicas dos veículos. No contexto do sistema de suspensão automotiva, o objetivo é desenvolver molas helicoidais cada vez mais leves e eficazes, que suportem as diversas condições a que os automóveis são submetidos, incluindo esforços dinâmicos e estáticos, variações de temperatura e resistência à corrosão. Esse cenário tem impulsionado a busca por materiais alternativos ao aço utilizado nas molas automotivas convencionais. Diante deste contexto, este trabalho se propõe a analisar alternativas à mola helicoidal automotiva, substituindo o aço de molas, por um material composto de fibra de carbono. Para tanto, entendeu-se como importante realizar o cálculo de fadiga e de parâmetros de mola e uma posterior modelagem computacional e análise pelo método dos elementos finitos para a mola convencional em aço e para a mesma em material composto de fibra de carbono. Coube ainda, como fundamentação, a determinação das propriedades do material compósito para ser utilizada no cálculo do componente, assim como de uma exploração teórica sobre a fabricação das molas de fibra de carbono através do processo forjamento de material compósito. A partir de uma análise comparativa dos resultados obtidos para o modelo de mola convencional em aço e para o modelo de mola em compósito de fibra de carbono são apresentadas conclusões finais sobre a possibilidade técnica de substituição da mola helicoidal.

The constant evolution of the automotive industry has led to a growing demand for more efficient mechanical components, capable of meeting the specific needs of modern vehicles. In the context of automotive suspension systems, the goal is to develop lighter and more effective helical springs, capable of withstanding the various conditions to which vehicles are subjected, including dynamic and static loads, temperature variations, and corrosion resistance. This scenario has driven the search for alternative materials to the steel traditionally used in conventional automotive springs. In this context, this work aims to analyze alternatives to conventional helical springs by replacing steel with a carbon fiber composite material. For this purpose, fatigue analysis and spring parameter evaluation were considered essential, followed by computational modeling and finite element analysis for both the conventional steel spring and the carbon fiber composite spring. Additionally, the study required the determination of the composite material properties to be used in the spring analysis, along with a theoretical exploration of the manufacturing process of carbon fiber springs through composite forging techniques. The work concludes with a comparative analysis of the results obtained for the steel spring model and the carbon fiber composite spring model about the possbiliy of substitution of the new design.