No âmbito da Agenda Mobilizadora AM2R, a Miranda & Irmão e o INEGI validaram uma liga de alumínio de alta resistência como alternativa aos eixos convencionalmente produzidos em ligas metálicas de elevada densidade. A caracterização química, microestrutural e mecânica confirmou a conformidade do material com a norma de referência. A análise da resistência específica evidenciou uma vantagem clara face às soluções de maior densidade, traduzida numa redução significativa de peso do componente. A validação numérica do conjunto, confirmou um comportamento puramente elástico sob a carga mais exigente prevista, sustentando a viabilidade técnica de eixos mais leves e duráveis para a nova geração de bicicletas.
A eletrificação e a procura por bicicletas cada vez mais leves e eficientes têm intensificado os requisitos de desempenho, durabilidade e sustentabilidade impostos aos componentes de transmissão. O conjunto pedaleiro, composto por crencos, eixo e roda pedaleira, está sujeito a carregamentos cíclicos elevados e a combinações complexas de esforços mecânicos, sendo o eixo o elemento central responsável por transmitir os esforços dos crencos para o movimento central da bicicleta, figura 1.
Figura 1: O conjunto crenco-eixo é um dos elementos mais críticos do pedaleiro, sujeito a cargas cíclicas elevadas em cada pedalada.
Atualmente, os eixos são produzidos, na sua maioria, em ligas metálicas de elevada densidade por maquinação CNC, com tratamentos termoquímicos de endurecimento superficial. Embora garantam propriedades mecânicas adequadas, estas soluções apresentam limitações em produtividade, peso e adaptação à mobilidade elétrica, onde o acréscimo de massa do motor e da bateria torna imperativa a redução de peso dos componentes estruturais. As ligas metálicas de baixa densidade e alta resistência, endurecíveis por tratamento térmico T6 que envolve as etapas de solubilização, têmpera e envelhecimento artificial, com precipitação controlada de fases que conferem um aumento de dureza e resistência mecânica, assumem-se como alternativa viável, combinando resistência mecânica elevada, boa ductilidade e excelente maquinabilidade com densidade significativamente inferior [1].
Foi este o desafio que a Miranda & Irmão e o INEGI decidiram enfrentar em conjunto, no âmbito do PPS26 do WP4 da Agenda Mobilizadora para a Inovação Empresarial do Setor das Duas Rodas (AM2R), financiada pelo PRR. O objetivo passou por selecionar e validar experimentalmente uma liga metálica de baixa densidade e alta resistência como substituto dos eixos convencionalmente produzidos em ligas de elevada densidade, estabelecendo relações entre material, microestrutura e comportamento mecânico que suportem a decisão de engenharia e demonstrando conformidade com os requisitos de segurança da norma ISO 4210-8 [2], que especifica os métodos de ensaio para sistemas de pedais e transmissão, incluindo ensaios de fadiga do conjunto crenco-eixo sob cargas que simulam a ‘posição de ataque’, com o ciclista em pé sobre os pedais em descida.
O trabalho ganha ainda mais relevância num país que se afirma como referência europeia na produção de bicicletas - Portugal liderou a produção de bicicletas na União Europeia em 2023, com cerca de 1,8 milhões de unidades produzidas, num universo de 9,7 milhões fabricadas em toda a EU [3].
Para chegar a uma decisão fundamentada, a equipa não se limitou a testar o novo material. Comparou-o com quatro soluções já usadas atualmente na produção de eixos, três ligas de elevada densidade e uma de densidade intermédia. de forma a construir um retrato completo do que já existe no mercado antes de validar a alternativa proposta, designada ao longo do estudo por material E (M-E).
A cada um dos materiais foi aplicado o mesmo protocolo de caracterização, com quatro etapas complementares. Na composição química, recorreu-se a espectrometria de emissão ótica de faísca (OES). Na dureza, mediram-se perfis de microdureza na escala Vickers (HV0,05) da superfície até ao núcleo, de forma a identificar eventuais tratamentos termoquímicos superficiais, já a dureza da matéria-prima M-E foi caracterizada utilizando a escala Brinell (HB10).
Na microestrutura, as amostras foram preparadas metalograficamente e observadas ao microscópio ótico, nas direções longitudinal e transversal ao processamento. Por fim, os ensaios de tração uniaxial seguiram a norma ASTM E8/E8M: o M-E foi ensaiado em sete provetes de geometria normalizada, com medição do alongamento por vídeo-extensometria, figura 2. Ao material de densidade intermédia foram ainda realizados ensaios de fadiga de alto ciclo e o conjunto crenco-eixo com o M-E foi submetido a simulação numérica de elementos finitos.
A comparação dos resultados obtidos após análise da composição química com os intervalos definidos na norma de referência aplicável confirma que a composição química do M-E cumpre integralmente os limites especificados em todos os elementos de liga analisados, com teores característicos dos elementos que conferem a esta família alta resistência mecânica. Os materiais de referência de elevada densidade e o material de densidade intermédia apresentaram, cada um, composições consistentes com as respetivas categorias normativas.
Nos perfis de microdureza, os materiais de elevada densidade mostraram comportamentos bem distintos entre si. Um deles evidenciou um gradiente superficial pronunciado, com dureza na região central da ordem de 450 HV e um pico muito superior junto à superfície (≈ 720 HV), indicativo de tratamento termoquímico de endurecimento superficial com camada de espessura estimada em ≈ 0,5 mm. O outro apresentou dureza praticamente constante ao longo de toda a secção transversal (≈ 300 - 340 HV), confirmando a ausência de tratamento superficial. Já o M-E apresenta dureza homogénea de 167 ± 3 HB que é consistente com a literatura para esta categoria de liga após o tratamento térmico de referência, tipicamente na gama 150 - 175 HB e que confirma a correta execução desse tratamento.
A observação ao microscópio ótico, figura 3, complementa esta leitura. Na direção longitudinal, paralela ao sentido de processamento por extrusão, o M-E revela grãos alongados e partículas precipitadas alinhadas. Na direção transversal, essas mesmas partículas surgem com morfologia mais irregular, tendendo a globulizar-se. Estes precipitados são fases intermetálicas típicas desta família de ligas, formadas durante a solidificação, que contribuem diretamente para o endurecimento por precipitação e para a resistência mecânica final do material.
Sete provetes de M-E foram sujeitos a ensaios de tração uniaxial segundo a norma ASTM E8/E8M, com elevada repetibilidade entre resultados, o coeficiente de variação manteve-se sempre abaixo de 2% em todas as propriedades medidas. A tensão de cedência (Rp0,2), a tensão de rotura (Rm) e a extensão total (At) obtidas superam todas o mínimo exigido pela norma de referência da liga, confirmando que a matéria-prima cumpre integralmente os requisitos funcionais do novo eixo.
Como os valores absolutos de engenharia (em MPa e %) constituem informação proprietária sob acordo de confidencialidade (NDA), os resultados são aqui reportados através de um índice relativo: cada valor medido foi dividido pelo respetivo mínimo normativo aplicável, de forma que o índice 1,00 corresponda exatamente ao limiar mínimo exigido pela norma de referência. Um índice de 1,05, por exemplo, significa que a propriedade medida excede em 5% o mínimo normativo, sem que o valor absoluto de engenharia seja divulgado. Aplicando esta normalização, o M-E obteve um índice médio de 1,05 ± 0,01 para a tensão de cedência, 1,02 ± 0,01 para a tensão de rotura e 1,14 ± 0,00 para a extensão total, todos acima da unidade e, portanto, em conformidade folgada com a norma aplicável, com dispersão experimental muito reduzida entre os sete provetes ensaiados.
O mesmo princípio de indexação foi usado para comparar a resistência mecânica dos cinco materiais entre si, desta vez normalizando cada valor face ao material de referência de maior resistência absoluta (índice 1,00). Nessa escala relativa, o M-E regista um índice de resistência mecânica de 0,52, ou seja, inferior, como seria de esperar, ao dos materiais de elevada densidade (0,68 a 1,00) e ao do material de densidade intermédia (0,84). Mas essa leitura muda por completo quando se pondera a resistência pela densidade relativa de cada material, isto é, quando se calcula a resistência específica. Nessa métrica, o M-E iguala o material de referência de densidade intermédia e supera claramente os três materiais de elevada densidade, traduzindo-se numa redução de peso do componente entre 60% e 65% face à solução convencional que se traduz num ganho substancial, particularmente relevante nas bicicletas elétricas, onde cada grama poupado nos componentes estruturais compensa o peso acrescentado pelo motor e pela bateria.
Conhecidas as propriedades do material, faltava validar o comportamento do conjunto completo - crenco e eixo montados - nas condições reais de utilização previstas pela norma. Para isso, combinou-se ensaios experimentais de deformação, com aplicação de força vertical alternada segundo a ISO 4210-8:2014, com simulação numérica por elementos finitos, modelando os crencos como corpos rígidos e o eixo como corpo deformável, figura 4. O comportamento plástico do eixo foi descrito por uma lei de plasticidade isotrópica não linear do tipo Voce [4], calibrada diretamente com os dados experimentais obtidos nos ensaios de tração do M-E.
A análise da distribuição de tensões equivalentes de von Mises mostra que a tensão máxima se localiza na zona de transição geométrica entre o veio e o ajuste do crenco ativo, situando-se significativamente abaixo do limite de saturação do material. Mais relevante ainda, o campo de deformações plásticas apresentou valor nulo em todos os componentes, ou seja, a deformação total resume-se integralmente à parcela elástica, sem qualquer parcela plástica residual. Isto significa que, sob a carga normativa, o eixo recupera integralmente a sua geometria a cada ciclo de pedalada, cumprindo com margem de segurança os requisitos de rigidez e de resistência à fadiga definidos pela norma.
Um componente que trabalha em regime plástico acumula dano a cada ciclo de carga, mesmo que a rotura só surja muito mais tarde, sendo este um dos mecanismos que está por trás da generalidade das falhas por fadiga em componentes de bicicleta. Confirmar que a deformação plástica se mantém em zero, ciclo após ciclo, é a garantia de que o eixo em M-E vai cumprir com o seu ciclo de vida útil.
Em geral, os resultados desenham um retrato coerente e favorável para o novo material. A composição química cumpre a norma de referência, a microestrutura corresponde ao esperado para o processo de extrusão, a dureza é homogénea e as propriedades mecânicas superam os mínimos exigidos com folga suficiente para garantir robustez ao processo produtivo. A simulação numérica do conjunto crenco-eixo fecha o ciclo de validação, confirmando que a peça se comporta em regime puramente elástico sob a carga mais exigente prevista na norma ISO 4210-8:2014.
Para a Miranda & Irmão, este trabalho traduz-se numa base técnica sólida para avançar com a produção de eixos mais leves sem abdicar de segurança ou de durabilidade, posicionando a indústria portuguesa de duas rodas na vanguarda da mobilidade elétrica e do desporto de alto desempenho.
Agradecimentos
Os autores agradecem o financiamento do Projeto AM2R - Agenda Mobilizadora para a Inovação Empresarial do Setor das Duas Rodas (02/C05-i01.01/2022.PC644866475-00000012), cofinanciado pelo Plano de Recuperação e Resiliência (PRR), através da NextGenerationEU.
Referências
06/07/2026
29/06/2026
www.intermetal.pt
InterMETAL - Informação profissional para a indústria metalomecânica portuguesa
