Quais peças de automóveis são feitas por fundição? Guia completo

A fundição é um dos processos de fabricação mais utilizados na indústria automotiva – mais de 70% de todos os componentes metálicos de um veículo de passageiros típico são produzidos através de alguma forma de fundição. Blocos de motor, cabeçotes de cilindro, carcaças de transmissão, pinças de freio, caixas de diferenciais, juntas de direção, coletores de admissão e cubos de roda estão entre as peças fundidas mais críticas nos automóveis modernos. Esses componentes compartilham um requisito comum: geometria interna complexa, alta integridade estrutural e produção em massa econômica – todos atributos que a fundição oferece melhor do que a maioria dos processos concorrentes.

Componentes do motor feitos por fundição

O motor é o sistema que mais exige fundição em qualquer veículo. Seus componentes operam sob extremo estresse térmico e mecânico, exigindo materiais e geometrias que somente a fundição pode produzir de forma confiável em escala.

Bloco do motor

O bloco do motor é a maior e mais complexa peça fundida de um veículo. Ele contém os furos dos cilindros, as passagens de refrigeração, as galerias de óleo e as selas dos rolamentos principais – todos formados em uma única peça fundida. Tradicionalmente produzido a partir de ferro fundido cinza usando fundição em areia, os blocos de motores modernos usam cada vez mais liga de alumínio (A380, A319 ou A356) fundido sob pressão ou em molde semipermanente para reduzir o peso. Um típico bloco de motor V8 de alumínio pesa aproximadamente 50–60 libras , em comparação com 80–100 libras para um bloco de ferro fundido equivalente — uma redução de peso que melhora diretamente a economia de combustível.

Cabeça de cilindro

As cabeças dos cilindros são quase universalmente fundidas em liga de alumínio hoje, substituindo as cabeças de ferro fundido dominantes antes da década de 1990. A peça contém portas de admissão e escape, câmaras de combustão, camisas de refrigeração e inserções de sede de válvula – geometrias internas alcançáveis ​​somente através de fundição em areia ou fundição de espuma perdida com núcleos de areia precisos. Cabeçotes de cilindro de alumínio reduzem a massa térmica não suspensa, melhorando o tempo de aquecimento e permitindo taxas de compressão mais altas em motores de alto desempenho.

Virabrequim

Embora os virabrequins de alto desempenho sejam forjados, a maioria dos virabrequins de automóveis de passageiros são fundidos — principalmente a partir de ferro fundido nodular (dúctil) utilizando areia verde ou processos de moldagem em casca. Os virabrequins fundidos são adequados para a maioria das aplicações de motores de produção e são significativamente mais baratos que os forjados. Um virabrequim típico de ferro fundido dúctil de 4 cilindros custa 30–50% menos para produzir do que um equivalente em aço forjado, tornando-o a escolha padrão para veículos econômicos e de médio porte.

Coletor de admissão

Os coletores de admissão foram historicamente fundidos em alumínio usando molde permanente ou fundição sob pressão. Hoje, muitos são moldados por injeção a partir de compósitos de náilon para maior economia de peso, mas os coletores de admissão fundidos em alumínio continuam comuns em caminhões e aplicações de desempenho onde a resistência térmica e a estabilidade dimensional são prioridades.

Coletor de escapamento

Os coletores de escapamento devem suportar temperaturas contínuas que excedam 900°C (1.650°F) e ciclagem térmica rápida. O ferro fundido - especialmente os graus de molibdênio com alto teor de silício (SiMo) - é o material dominante, produzido via verde fundição em areia . Algumas aplicações de alto desempenho usam aço inoxidável fundido ou ferro fundido resistente ao Ni para resistência superior à oxidação.

Cárter de óleo e tampa de distribuição

Os cárteres de óleo do motor em caminhões maiores e veículos de alto desempenho costumam ser fundidos em alumínio, proporcionando rigidez e a capacidade de integrar defletores e bandejas de proteção contra vento. As tampas de distribuição são normalmente fundidas em alumínio que vedam a frente do bloco do motor e alojam a vedação do virabrequim.

Peças fundidas de transmissão e transmissão

Carcaça e caixa de transmissão

As caixas de transmissão automática e manual estão entre as peças fundidas mais complexas em um veículo. Eles devem localizar com precisão os furos dos rolamentos, os túneis do eixo e as faces de montagem do corpo da válvula com tolerâncias de ±0,05 mm ou mais apertado . A fundição sob pressão de alumínio é o processo dominante, com caixas de transmissão típicas para automóveis de passageiros pesando 10–18kg . A fundição sob pressão (HPDC) permite tempos de ciclo inferiores a 2 minutos por peça, essencial para produção de alto volume.

Caixa Diferencial e Transportadora

A caixa do diferencial (caixa da engrenagem helicoidal) e o suporte são fundidos em ferro nodular ou, em aplicações de veículos mais leves, em liga de alumínio. Essas peças devem acomodar cargas de torque significativas e forças de reação das engrenagens, mantendo ao mesmo tempo uma geometria precisa do assento do rolamento. As caixas diferenciais de ferro nodular em caminhões com tração traseira são rotineiramente fundidas em areia e classificadas para capacidades de torque superiores a 500 Nm .

Alojamento da caixa de transferência

Os veículos com tração nas quatro rodas e nas quatro rodas exigem uma caixa de transferência para dividir o torque entre os eixos dianteiro e traseiro. As caixas da caixa de transferência são fundidas em liga de alumínio, integrando flanges de montagem, ressaltos de rolamento e túneis do eixo de saída em uma única peça – consolidando o que de outra forma exigiria vários componentes usinados e soldados.

Componentes fundidos do sistema de freio

Pinça de freio

As pinças de freio são fundidas em ferro fundido cinzento ou liga de alumínio (fundido sob pressão A380). As pinças de ferro fundido são padrão na maioria dos veículos de produção devido ao seu baixo custo e excelente resistência ao desgaste. Pinças de alumínio — usadas em veículos de alto desempenho e de luxo — oferecem 40–50% de redução de peso em relação aos equivalentes de ferro, reduzindo o peso não suspenso e melhorando a sensação de frenagem. O furo interno do pistão e as passagens de fluido são formados durante a fundição e acabados por usinagem com tolerâncias de furo de ±0,013mm .

Tambor de freio

Os tambores de freio para sistemas de freio a tambor traseiro são fundidos em ferro cinzento (ASTM A159 Grau G3000 ou G3500), escolhidos por suas excelentes propriedades de amortecimento que reduzem o ruído do freio e sua capacidade de distribuir o calor friccional pela parede do tambor. Um tambor de freio traseiro típico para um caminhão leve pesa 7–12kg e é produzido por fundição horizontal em areia verde.

Rotor de freio (disco)

Os rotores dos freios são quase exclusivamente fundidos em ferro fundido cinzento, com a geometria interna das palhetas (para rotores ventilados) formada por núcleos de areia durante a fundição. A microestrutura de grafite do ferro cinzento proporciona excelente condutividade térmica e amortecimento friccional. Alguns rotores de desempenho usam compostos de carbono-cerâmica ou variantes de ferro fundido perfurado/ranhurado, mas o material de base permanece fundido em praticamente todos os casos.

Corpo do cilindro mestre

O corpo do cilindro mestre do freio, que converte a força do pedal em pressão hidráulica, é fundido em alumínio. O furo, a saliência de montagem do reservatório e as passagens das portas são todos formados na peça fundida e depois usinados com acabamento para tolerâncias de precisão hidráulica.

Peças fundidas de suspensão e direção

Junta de direção

A junta de direção (suporte do fuso) conecta o cubo da roda à suspensão e ao sistema de direção. Ele deve suportar cargas multieixos complexas decorrentes de frenagens, curvas e impactos na estrada. Tradicionalmente lançado de ferro dúctil , os nós dos dedos modernos usam cada vez mais molde permanente de alumínio ou fundição sob pressão de baixa pressão para uma redução de peso de até 40% . Marcas de luxo como BMW e Audi usam juntas de alumínio desde o início dos anos 2000; a adoção convencional acelerou ao longo da década de 2010.

Braços de controle e ossos da sorte

Os braços de controle superior e inferior em veículos de alto desempenho e de luxo são fundidos em liga de alumínio usando fundição por gravidade ou fundição por compressão. A fundição por compressão produz propriedades mecânicas próximas do nível de forjamento, aplicando pressão durante a solidificação, eliminando a porosidade – fundamental para os componentes de segurança da suspensão. Os veículos econômicos normalmente usam braços de controle de aço estampado; o alumínio fundido é premium.

Carcaça da engrenagem de direção

As carcaças da cremalheira e do pinhão da direção hidráulica são fundidas em alumínio, integrando o furo da cremalheira, os pontos de montagem da extremidade do tirante e as provisões de montagem do motor hidráulico ou elétrico. O furo deve ser usinado com tolerâncias estreitas após a fundição para garantir um deslocamento suave da cremalheira.

Cubo da roda e suporte de rolamento

Os cubos das rodas – que carregam o rolamento, o rotor e a roda – são fundidos em ferro nodular na maioria dos veículos de produção, proporcionando a resistência necessária para lidar com cargas radiais e axiais das rodas. Alguns veículos de alto desempenho usam cubos de alumínio forjado ou fundido para reduzir o peso não suspenso.

Componentes Estruturais e Corporais Fundidos

Nós estruturais de alumínio e torres de choque

Uma tendência crescente na arquitetura de veículos modernos é o uso de grandes peças fundidas de alumínio como nós estruturais que substituem vários componentes de aço estampados e soldados. A abordagem "Gigacasting" da Tesla, introduzida com o Modelo Y em 2020, usa uma única peça fundida traseira que substituiu 70 peças estampadas individuais e eliminado ao longo 700 soldas . A peça fundida resultante pesa aproximadamente 66kg e reduz o custo de fabricação da parte inferior traseira em um valor estimado 40% . Outras montadoras, incluindo Volvo, Toyota e General Motors, anunciaram estratégias semelhantes de megafundição.

Subquadro e berço

Os chassis auxiliares dianteiros e traseiros em veículos de luxo e de desempenho às vezes são fundidos em alumínio em vez de fabricados em tubos de aço. Os chassis auxiliares de alumínio fundido permitem uma geometria interna complexa que otimiza a relação rigidez/peso e podem integrar ressaltos de montagem do motor, pontos de captação da suspensão e suportes da cremalheira da direção em uma única peça.

Processoos de fundição usados na fabricação automotiva

Diferentes processos de fundição são selecionados com base na complexidade da peça, nas propriedades mecânicas necessárias, no volume de produção e no material. A indústria automotiva utiliza vários métodos de fundição distintos:

Materiais Utilizados em Fundições Automotivas

A escolha do material de fundição determina o peso, a resistência, a resistência térmica e o custo da peça. A indústria automotiva utiliza quatro materiais de fundição primários:

• Ferro fundido cinza — mais amplamente utilizado para rotores de freio, tambores, coletores de escapamento; excelente amortecimento e usinabilidade; densidade ~7,2 g/cm³
• Ferro nodular (dúctil) — usado para virabrequins, caixas de diferenciais, juntas de direção; resistência à tração até 800MPa ; superior ao ferro cinzento em resistência ao impacto
• Ligas de alumínio (A380, A319, A356, A357) — dominante em blocos de motores, cabeçotes, caixas de transmissão, nós estruturais; densidade ~2,7 g/cm³ vs. 7,8 g/cm³ para aço — permitindo 65% de economia de peso sobre peças de ferro equivalentes
• Ligas de magnésio (AZ91D, AM60B) — utilizado para estruturas de painéis de instrumentos, caixas de transferência, tampas de válvulas; 33% mais leve que o alumínio ; custo-prêmio limita a adoção generalizada
• Ligas de zinco (série Zamak) — para peças pequenas e de precisão: maçanetas de portas, caixas de fechaduras, corpos de carburadores; capacidade de detalhes extremamente finos em fundição sob pressão

Referência completa: principais peças fundidas automotivas por sistema

Por que a fundição domina a fabricação de peças automotivas

A fundição persiste como o processo dominante para componentes metálicos automotivos porque satisfaz de forma única vários requisitos de engenharia simultâneos:

• Geometria interna complexa — passagens de refrigeração, galerias de óleo e estruturas ocas impossíveis de serem alcançadas com forjamento ou usinagem a partir de material sólido
• Consolidação de peças — uma única peça fundida pode substituir conjuntos de 10 a 70 peças individuais estampadas e soldadas, reduzindo peso, custo e tempo de montagem
• Eficiência material — a fundição quase perfeita reduz a remoção de material de usinagem para 5–20% do volume da peça versus até 80% para alguns componentes usinados a partir do tarugo
• Economia de alto volume — custos de ferramentas de fundição sob pressão de US$ 200.000 a US$ 2.000.000 por ferramenta são amortizados em centenas de milhares de peças, trazendo o custo por peça abaixo de qualquer processo concorrente em volume
• Flexibilidade na escolha do material — a mesma intenção de projeto pode ser executada em ferro, alumínio, magnésio ou zinco, alterando a liga e o processo, permitindo a otimização da plataforma em todos os segmentos de veículos

A mudança da indústria em direção aos veículos elétricos está acelerando a inovação na fundição, em vez de diminuí-la. Gabinetes de baterias EV, carcaças de motores e gabinetes de inversores agora são produzidos como grandes peças fundidas de alumínio, aplicando os mesmos princípios que governaram a fundição de motores por mais de um século à nova arquitetura de transporte eletrificado.