Introdução

A falha por fadiga em componente automotivo é comum na indústria e está presente também no nosso dia a dia. O automóvel talvez seja a máquina mais utilizada pelo homem nos tempos atuais e possui diversos componentes mecânicos, em sua maioria metálicos, que estão sujeitos a falhas por fadiga.

Em geral, as falhas por fadiga são comuns em componentes mecânicos que são submetidos a cargas cíclicas, principalmente nos elementos mecânicos em que existe reversão de esforços.

Neste contexto, será apresentada a análise de falha do terminal de direção de uma caminhonete Mitsubishi L200.

O Componente

Primeiramente, o sistema de direção do automóvel é composto por diversos componentes, e tem a função de alterar a trajetória do veículo mediante um comando do motorista no volante. Além disso, para exercer tal função na maior parte dos veículos o ser humano não possui força suficiente, de modo que seria muito cansativo girar o volante em determinadas circunstâncias ou exigiria um número elevado de voltas no volante, o que também é desconfortável. Assim, os sistemas de direção possuem assistência, que pode ser hidráulica, elétrica ou uma combinação de ambos.

Figura 1 – Componentes do sistema de direção, com destaque para o terminal de direção.

Nesse caso, o sistema de direção possui assistência hidráulica, com a função de multiplicar a força exercida no volante, de modo que seja capaz de esterçar as rodas nas condições de uso do veículo.

Além disso, o terminal de direção possui a função de transmitir a força da caixa de direção para a manga de eixo, possuindo uma extremidade articulada de modo a permitir a transmissão da força com o funcionamento da suspensão.

A Falha

O componente estrutural apresentou falha quando o veículo executava uma curva para a direita em um trevo em baixa velocidade, aproximadamente 30km/h. Assim, a fratura ocorreu quando o componente estava submetido a uma carga relativamente baixa em relação a carga limite para a qual foi dimensionado em projeto. De fato, essa condição é uma característica das falhas por fadiga. Como consequência, o veículo teve as suas condições de dirigibilidade totalmente comprometidas e teve que ser rebocado.

Figura 2 – Falha do terminal de direção durante curva em baixa velocidade.

Figura 3 – Terminal de direção utilizado no veículo – a coifa de borracha que retém a graxa utilizada para lubrificação da esfera teve um papel determinante na falha.

Posteriormente, a partir da observação da superfície de fratura do componente, nota-se a presença de duas regiões escuras e lisas dispostas de forma simétrica e no centro uma região porosa e branca típica de ruptura final. A região escura situada nas bordas corresponde a seção onde houve o desenvolvimento de duas trincas de fadiga, que cresceram de forma simétrica em direção ao centro da peça.

Figura 4 – Superfície de fratura do terminal que apresentou a falha por fadiga.

Por meio da observação da superfície de fratura, foi possível estimar que a falha final ocorreu em uma área equivalente a 43% da seção transversal da peça, de modo que, no momento da falha, 57% da área já se encontrava comprometida pelas duas trincas de fadiga.

Ademais, cabe notar que as duas trincas cresceram de forma simétrica em direção ao centro da peça, uma vez que é razoável supor que um veículo em uso urbano ou mesmo em estradas, não executa mais curvas para a esquerda ou para a direita.

Figura 5 – Padrões identificados na superfície de fratura da peça.

Conclusão

Em síntese, a falha do componente se deu por fadiga por meio da nucleação de duas trincas que se desenvolveram com o uso normal do veículo em utilização majoritariamente urbana.

Além disso, um fator adicional foi fundamental para a nucleação das trincas por fadiga no terminal. Posteriormente à falha, foi notado que a coifa possuía um rasgo, o que resultou na expulsão de toda a graxa que envolvia a esfera. Dessa forma, o terminal de direção passou a funcionar com mais atrito, de modo que a carga necessária para vencer o atrito na esfera elevou os esforços atuantes na peça. Além disso, a falta de graxa permitiu o contato direto de metal com metal entre o terminal e a sua sede, o que favoreceu a nucleação das trincas justamente nesta região de contato.

Portanto, os componentes e peças são testados por fadiga pelas montadoras em sua condição original, ou seja, com graxa, de modo que a falta de graxa no terminal foi o fator que desencadeou a redução na vida útil do componente.

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FAQ
1. O que caracteriza uma falha por fadiga em metais?

A falha por fadiga é o colapso progressivo e localizado de um material sujeito a tensões flutuantes ou repetitivas. Diferente de uma falha por sobrecarga estática (que deforma visivelmente a peça antes de quebrar), a fadiga ocorre sem aviso prévio visível a olho nu na estrutura macroscópica externa, fraturando o componente repentinamente mesmo sob cargas operacionais normais e consideradas seguras em projeto.

2. Como identificar a zona de fadiga e a zona de ruptura final na superfície de uma peça fraturada?

Ao analisar a superfície de fratura (fratografia), a zona de fadiga geralmente apresenta um aspecto liso, polido e escurecido, frequentemente marcado por linhas concêntricas conhecidas como “marcas de praia” (beach marks), que mostram o avanço paulatino da trinca. Já a zona de ruptura final possui aspecto rugoso, granular e brilhante (poroso), indicando o momento em que a área restante da seção transversal não suportou mais a carga aplicada e rompeu-se instantaneamente por sobrecarga.

3. Como a falta de lubrificação (graxa) acelerou a falha do terminal de direção?

A graxa atua reduzindo o atrito na articulação esférica do terminal. Com o rasgo na coifa protetora e a perda do lubrificante, o atrito metal-metal aumentou drasticamente, exigindo muito mais força do sistema de direção para rotacionar a esfera. Esse esforço excedente concentrou-se exatamente na região do pescoço do pino (sede), agindo como o ponto de nucleação ideal para o início das microtrincas sob flexão reversa.

4. Por que as trincas por fadiga propagaram-se de forma simétrica neste componente?

A simetria no crescimento das trincas a partir de lados opostos indica que o componente foi submetido a um esforço de flexão reversa pura e simétrica. Na dinâmica de um veículo urbano ou de estrada, as forças laterais aplicadas ao virar o volante para a esquerda e para a direita tendem a se equilibrar estatisticamente ao longo do tempo, gerando ciclos de tração e compressão alternados idênticos em ambos os lados do terminal.

5. Como as indústrias e gestores de frota podem prevenir falhas por fadiga em componentes críticos?

A prevenção eficiente envolve três pilares: manutenção preditiva com foco em vedações e lubrificação (como a inspeção frequente de coifas de borracha), ensaios não destrutivos (como partículas magnéticas ou líquido penetrante para detectar trincas submilimétricas antes que atinjam o tamanho crítico) e, na fase de projeto ou modificação de frotas, a análise estrutural via Método dos Elementos Finitos (MEF) para mapear e eliminar pontos de concentração de tensão.