O virabrequim é um componente de máquinas térmicas e motores alternativos em geral. O virabrequim é o eixo de transmissão de energia que atua como manivela para o conjunto biela-manivela. Sua função é transformar movimentos alternativos em movimentos rotacionais (motores de combustão, por exemplo), ou vice-versa (prensas mecânicas excêntricas).
Nos motores térmicos, o virabrequim recolhe as forças geradas durante a explosão e converte, através da biela, o movimento linear alternativo do pistão em movimento rotativo. Ele transmite o movimento e a força motriz aos elementos de transmissão que estão acoplados a ele. Está sujeito a esforços de torção e flexão e possui uma estrutura forte e muito resistente.
Os virabrequins consistem em suportes, normalmente cinco para um motor de quatro cilindros em linha, que são fixados ao suporte do bloco. Eles também têm cotovelos chamados tocos, onde as bielas são fixadas. Na extensão de cada cotovelo estão os contrapesos, que servem para equilibrar o virabrequim. O pinhão de sincronismo é montado em uma extremidade do virabrequim e o volante na outra.
Os motores térmicos são exemplos de motores que usam um virabrequim para transformar movimentos alternativos em movimentos rotacionais. As prensas mecânicas excêntricas, por outro lado, são exemplos de mecanismos utilizados pelos virabrequins para transformar movimentos rotacionais em movimentos alternativos.
Como funciona um virabrequim?
O virabrequim possui um cotovelo para cada biela da máquina ou motor. O cotovelo recebe a biela no munhão, que gira fora do centro em torno do eixo de rotação do virabrequim. O munhão que constitui o eixo de rotação do virabrequim é o pescoço ou suporte principal. O braço é a parte do virabrequim que une o diário e o pescoço. Geralmente há um braço em cada lado do coto e um pescoço para cada braço. Ainda assim, existem virabrequins de compressores que possuem apenas pescoço, braço e munhão, e virabrequins de motores leves com dois, quatro ou seis cilindros que possuem os munhãos agrupados dois a dois, com um único braço intermediário e sem pescoço entre dois .tocos consecutivos.
Para compensar os efeitos de desequilíbrio produzidos pela rotação descentralizada do munhão e da biela, contrapesos opostos ao munhão são instalados nas extremidades dos braços. Esses contrapesos podem ser integrados ao virabrequim ou podem ser fixados firmemente nos braços. Em virabrequins com mais de um cotovelo, os cotovelos são dispostos de tal forma que as massas descentralizadas de um cotovelo são compensadas com as massas descentralizadas de outro, a fim de obter um possível equilíbrio.
Esta disposição dos cotovelos determina a posição dos cilindros, a sucessão das explosões e toda a distribuição. Os virabrequins são obtidos por forjamento, e posterior usinagem, em uma única peça a partir de pescoços, braços e munhão separados e montados por pressão para acoplamento a quente. Isso permite a montagem de rolamentos de esferas ou rolos no munhão. A mesma técnica é aplicada a virabrequins muito grandes, para motores marítimos, por exemplo, para evitar a dificuldade de obter peças forjadas ou fundidas muito pesadas.
O virabrequim é a parte do motor que deve suportar os maiores esforços de fadiga e desgaste. Em motores de aviação, ou em motores onde as condições de peso, segurança e carga são muito severas, os tratamentos térmicos e o endurecimento da superfície por nitretação, endurecimento por chama ou endurecimento por indução são comuns.
Características dos virabrequins: Material e tecnologia
Os materiais e a tecnologia de fabricação geralmente estão intimamente ligados. No caso da fabricação de virabrequins, os eixos de aço (para atingir a maior resistência e tenacidade) são obtidos por forjamento e fundição.
virabrequins de aço
Os virabrequins são feitos de carbono, cromo-manganês, cromo-níquel-molibdênio e outros aços, além de fundidos especiais de alta resistência. A vantagem dos eixos de aço é o aumento da resistência, a possibilidade de obter alta dureza dos pescoços por nitretação, os eixos de ferro fundido são mais baratos.
A escolha do aço é determinada pela dureza superficial dos pescoços a serem obtidos. A dureza de cerca de 60 HRC (necessária para o uso de rolamentos de rolos) pode ser obtida, via de regra, apenas por tratamento químico-térmico (carburação, nitretação, cianetação). Para esses fins, como regra, os aços de baixo carbono cromo-níquel ou cromo-níquel-molibdênio são adequados e, para eixos de tamanhos médios e grandes, é necessária uma liga adicional com molibdênio caro. Mantendo a viscosidade do núcleo, menos dureza suficiente para operação confiável do mancal do munhão pode ser obtida pela têmpera de HDTV como Leu de carbono médio e ferro fundido cinzento.
Chaves de virabrequins de aço de médio porte na produção em larga escala e em massa são feitas forjando moldes fechados em martelos ou prensas, enquanto o processo de fabricação de tarugos passa por várias operações. Após o forjamento preliminar e final do virabrequim nas matrizes, o rufo é aparado na prensa de borda e endireitado a quente no carimbo sob o martelo.
Devido aos elevados requisitos de resistência mecânica do eixo, a localização das fibras do material ao receber a peça de trabalho é de grande importância para evitar o corte durante a usinagem subsequente. Para isso, são utilizadas vedações com correntes de curvatura especiais. Após a estampagem antes da usinagem, os blanks do eixo são tratados termicamente (normalizando) e então descalcificados por decapagem ou jateamento.
Grandes virabrequins, como virabrequins de barco, bem como virabrequins de motor de cárter de túnel, são dobráveis e aparafusados. Os virabrequins podem ser instalados não apenas em rolamentos deslizantes, mas também em rolos (biela e principal), esfera (principal em motores de baixa potência). Nesses casos, as demandas mais altas são colocadas tanto na precisão de fabricação quanto na dureza. Esses eixos são sempre feitos de aço.
virabrequins de ferro fundido
Os virabrequins fundidos são normalmente feitos de ferro dúctil modificado com magnésio. Comparados aos eixos "estampados" obtidos por fundição de precisão (em moldes de carcaça), os eixos apresentam várias vantagens, incluindo uma alta taxa de utilização de metal e bom amortecimento de vibrações de torção, o que muitas vezes permite abandonar o amortecedor externo na ponta da frente eixo. Nos tarugos fundidos, várias cavidades internas também podem ser obtidas durante o lingotamento.
A tolerância para usinagem dos pescoços de eixos de ferro fundido não é superior a 2,5 mm por lado com desvios de acordo com as classes de precisão 5-7. Menor oscilação de estoque e menor desequilíbrio inicial afetam favoravelmente a operação da ferramenta e "equipamento", especialmente na produção automatizada.
Tipos de virabrequins
O virabrequim pode ser de dois tipos:
- Compostas/separáveis, essas árvores são separáveis, no sentido de que o pino que abriga a cabeça da barra de conexão pode deslizar, de modo a acomodar a barra de conexão com a cabeça em uma peça e seu suporte, para melhorar a confiabilidade do meio e reduzir a dispersão por atrito, porém, esse tipo de construção é muito difícil de ser alcançado, dados os inúmeros fatores que devem ser respeitados para não cair em vibrações; por isso seu uso em veículos civis geralmente é acompanhado pelo motor com dois cilindros no máximo.
- Monolíticas, essas árvores estão entre as mais utilizadas, pois permitem uma menor atenção ao todo e podem ter um peso menor que os modelos separáveis pelo fato de serem compostas por um único elemento.
Além disso, dependendo das características do motor, pode ser simples, quando se utiliza um único eixo de motor para o motor, múltiplos, quando há necessidade de mais eixos, também podem ser necessários mais eixos por cilindro do motor, como em no caso dos motores, virabrequins ou DUAs de pistão opostos, onde possuem dois eixos girados em direções opostas pelo pistão para minimizar as forças laterais sobre o pistão.