2 de agosto de 2017
Estudo da Aluminum Association revela o potencial adicional de redução de peso das mais recentes ligas de alumínio de alta resistência

O Grupo de Transportes de Alumínio (Aluminum Transportation Group – ATG), da Aluminum Association, revelou um estudo que identificou o potencial adicional de redução de peso com a utilização das mais recentes ligas  recomendadas pela entidade para a indústria automobilística, com destaque para as ligas de alumínio de alta resistência. A pesquisa foi conduzido pela EDAG, empresa alemã de engenharia, especializada no desenvolvimento de projetos para a indústria de transportes.

Ligas de alumínio de alta resistência

Como base, foi utilizada uma outra pesquisa, realizada pela própria EDAG sob encomenda da NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration, agência americana responsável pela regulação e segurança nos transportes). A avaliação, realizada em 2014, apontou o potencial de redução de peso com a aplicação de alumínio na estrutura de uma picape leve americana. O veículo base do estudo da NHTSA foi uma Chevrolet Silverado 1500, ano modelo 2014, do tipo carroceria sobre chassi, que utiliza o aço como material primário – tanto o aço de alta resistência (high strength steel – HSS) com o aço avançado de alta resistência (advanced high strength steel – AHSS), com o uso de alumínio apenas no capô.

O estudo prévio da NHTSA, que se vale de especificações de ligas de alumínio datadas de 2011, apontou uma redução de 39,3% do peso em relação ao veículo base, com a substituição do aço de alta resistência por alumínio na estrutura da cabine, caçamba, paralamas, capô e tampa traseira. As portas, dianteiras e traseiras, receberam estrutura interna em aço de alta resistência, com painel externo em alumínio.

O estudo da ATG demonstrou que a utilização das mais recentes especificações de liga de alumínio, valendo-se principalmente dos recentes desenvolvimentos de ligas de alumínio de alta resistência, pode gerar uma redução adicional de 32,5 quilos, ou 10,6% mais do que o estudo da NHTSA. Já em relação à Silverado 1500 2014, esse percentual chega a 46%. Com a substituição das especificações das ligas de alumínio, a maior resistência do material permitiu a utilização de painéis internos também em alumínio, sendo o aço de alta resistência mantido apenas nos reforços estruturais.

Subsistema Veículo Base
Silverado 2014
(massa, em kg)
Protótipo 
EDAG/NHTSA
(massa, em kg)
Protótipo EDAG/ATG
massa, em kg Redução / NHTSA (kg)
Cabine 240,1 140,94 130,97 -9,97
Paralamas 32,47 16,20 14,96 -1,24
Caçamba 108,95 65,03 60,10 -4,93
Porta (diant. esq) 23,5 16,32 12,40 -3,92
Porta (diant. dir) 23,5 16,41 12,49 -3,92
Porta (tras, esq) 21,74 14,48 10,23 -4,25
Porta (tras, dir) 21,74 14,54 10,29 -4,25
Capô 21,3 11,21 11,21 0
Tampa traseira 21,3 11,01 11,01 0
Total 504,46 306,14 273,66 -32,48
Redução comparada com o veículo base -39,3% – 45,8%
Redução comparada com protótipo NHTSA -10,6%

Veja, abaixo, as especificações das ligas de alumínio recomendadas pela ATG.

Liga Resist. à tração (Mpa) Resist. ao escoamento (Mpa) Alongamento (%) Observação
mín/tip min/tip min/tip
Painéis dependentes de rigidez
5XXX – O 105/185 185/200 105/120 15/20 Proposta geral para rigidez
5XXX – O 125/250 250/275 125/145 15/20 Painéis estruturais internos ou estrutura interna da porta de alta formabilidade
5XXX-H34 220/290 290/305 220/240 5/16 Estrutural
Painéis dependentes de resistência
6XXX-T6 240/285 285/210 240/260 10/12 Chapa de carroceria padrão
6XXX-T6 240/280 280/305 240/260 10/12 Grafagem aprimorada
6XXX-T61 180/230 230/255 180/200 12/19 Design profundo (Painel interno das portas)
6XXX-T6 250/285 285/310 250/275 10/12 Resistência dentada e dobragem aprimorada – chapa das portas
6XXX-T6 295/340 340/365 295/320 10/12 Resistência – estruturas
6XXX-T6 265/340 340/365 265/290 10/12 Resistência – estruturas
6XXX-T6 340/370 370/390 340/360 8/10 Alta resistência – estruturas
6XXX-T6 360/380 380/400 360/380 6/8 Ultra alta resitência – estruturas
6XXX-T8 160/230 230/255 160/185 15/20 Alta formabilidade – design profundo (painel interno das portas)
6XXX-T8 230/270 270/290 230/250 12/15 Grafagem aprimorada
6XXX-T8
240/285
285/305 240/260 10/12 Chapa padrão da carroceria
6XXX-T8
260/295
295/315 260/275 10/12 Alta resistência, resistência dentada e grafagem aprimoradas, chapas das portas
7XXX-T76 530/565 565/590 530/550 8/10 Alta resistência
Extrudados (estrutural)
6XXX-T6 260/290 290/310 260/275 9/17 Típica da indústria automobilística
6XXX-T6 270/310 310/340 270/315 10/14 Típica da indústria automobilística
6XXX-T7 280/305 305/320 280/300 10/14 Absorção de energia (ex: crash boxes)
6XXX-T6 340/355 355/375 340/365 8/10 Alta resistência (ex: suportes dos paralamas)
7XXX-T5 320/345 345/385 320/330 10/16 Recuperação de solda
7XXX-T6 360/400 400/435 360 8/14 Paralamas, estruturas
7XXX-T6 475/530 530/570 475/505 7/11 Travessa da porta

Abaixo, as especificações que foram utilizadas no estudo da NHTSA, em 2014:

Ligas de alumínio usadas no estudo da NHTSA Densidade (kg/m3) Coeficiente de Poisson Módulo de elasticidade Resist. ao escoam. (MPa) Resist. à tração (MPa) Alongamento
modelo CAE (%)
5XXX AL 5754 2,700 0,33 71 120 250 16
6XXX T-7 (200 MPa) AA 6014-T7 2,700 0,33 71 200 270 17
6XXX-T6 (225 MPa) AA 6014-T6 2,700 0,33 71 225 294 18
6XXX-T6 (225 MPa) AA 365 T6 fund. 2,700 0,33 71 232 302 10
6XXX-T6 (270 MPa) AA 61111-T6 2,700 0,33 71 270 355 16

Nos dois casos, houve o redesenho de cabine, caçamba e demais painéis de fechamento, utilizando extrusões e chapas estampadas de alumínio, com a montagem realizada através do uso de rebites autoperfurantes e sistema de adesivagem. Também houve um estudo acerca da espessura das chapas, de modo a otimizar a estrutura da cabine sem que houvesse perda de rigidez.

Toda a estrutura, posteriormente, foi otimizada através de análises e simulações de CAE (Computer Aided Engineering), utilizando softwares como LS-Dyna, NASTRAN e ABAQUS, com o objetivo de manter ou melhorar os níveis de resistência ao impacto, rigidez torsional, ruído e vibrações.

Ligas de alumínio de alta resistência

Foram feitas simulações dos principais testes da NCAP (New Car Assessment Program) e da IIHS (Insurance Institute for Highway Safety), além de testes de flexão, torsão e o teste de integridade do sistema de combustível da NHTSA – todos os resultados obtidos no estudo da ATG foram muito próximos ao da NHTSA, com a vantagem de uma redução adicional de 10,6% no peso.

Foram feitas, também, avaliações e testes específicos da caçamba:

Teste Avaliação Carga Objetivo Silverado 2014 Protótipo NHTSA Protótipo ATG
Distribuição de carga no assoalho Resistência do assoalho da caçamba 916 kg distribuídos no assoalho Deformação permanente inferior a 1mm Sem deformação Sem deformação Sem deformação
Descarregamento abusivo no assoalho Resistência do assoalho da caçamba 2,5 kg soltos a uma altura de 1,2 m Deformação permanente inferior a 7,5 mm Deformação permanente de 6 mm Deformação permanente de 5,2 mm Deformação permanente de 2,8 mm
Resistência do painel frontal Resistência ao impacto 2,225 N aplicados em uma área de 150 mm x 150 mm Deformação inferior a 25 mm Deformação de 26 mm Deformação de 24 mm Deformação de 24 mm
Carga presa nas laterais Resistência das laterais 2,225 N aplicados nos ganchos laterais Deformação inferior a 1 mm 0,03 mm de deformação permanente 0,31 mm de deformação permanente 0,07 de deformação permanente
Frequências modais Torsão e flexão Modais normais Base ou mais elevada Torsão: 32,6 Hz; flexão: 26,6 Hz Torsão: 47,7 Hz; flexão: 36,2 Hz Torsão: 44,2 Hz; flexão: 34,2 Hz

A principal conclusão da ATG é que existe um potencial de redução de peso na categoria das picapes leves não só para modelos como Chevrolet Silverado e Dodge RAM, que ainda tem o aço como seu material primário, mas também na própria Ford F-150, o primeiro veículo de grande volume a fazer uso intensivo do alumínio em sua estrutura.

O potencial das novas ligas de alumínio de alta resistência

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