Material 01 - Tribologia

5/28/2018 Material 01 - Tribologia

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Motores de Combusto Interna1

TRIBOLOGIA

Mdulo: Motores de Combusto Interna

Professor: Andr Ferrarese

Durao: 2 aulas

Avaliao: 1 prova em sala de aula

E-mail de Contato: [email protected]


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TRIBOLOGIA

Bibliografia

Captulo 18 Tribologia


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TRIBOLOGIABibliografia1. Hutchings, I.M, Tribology Friction and Wear of Engineering Materials, 1992

2. Ludema, K.C, Friction, Wear, Lubrication a Textbook in Tribology, 1996

3. Taylor C.M., Automobile engine tribology design considerations for efficiency and durability,Wear, Vol.221, p. 1 8, 1998.

4. Andersson, B.S. Vehicle Tribology, 17th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Elsevier TribologySeries 18, p. 503-506, 1991.

5. MASSEY, I.D, MACQUARRIE, N.A, EASTHAM, D.R, Crankshaft Bearing Materials: Developmentfor Highly Loaded Applications, Industrial Lubrication and Tribology, November/December, p. 4 11, 1990.

6. FARIAS, M.C.M. Desgaste por deslizamento de aos inoxidveis austenticos. 1999. 111p.Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica, Universidade de So Paulo. So Paulo

7. COLLINS, J.A. Failure of Materials in Mechanical Design. Cap. 17, p.583-605, John Wiley and

Sons, 1993

8. PETERSON, M.B. Design Considerations for Effective Wear Control. In: Wear Control Handbook.ASME, New York, p.413-457, 1980

9. TOMANIK, E. Modelamento de desgaste por deslizamento em anis de pisto de motores decombusto interna. 2000. 198p. Tese (Doutorado) Escola Politcnica, Universidade de So

Paulo. So Paulo


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TRIBOLOGIA

Bibliografia10. PETERSON, M.B. Design Considerations for Effective Wear Control. In: Wear Control Handbook.

ASME, New York, p.413-457, 1980

11. WILLIAMS, J.A.. Engineering Tribology. Oxford, Cap.5, p.166-199, 1994

12. MENG, H.C.; LUDEMA, K.C. Wear models and predictive equations: their form and content. Wear.n.181-183, p.443-457,1995

13. Taylor C.M., Automobile engine tribology design considerations for efficiency and durability,Wear, Vol.221, p. 1 8, 1998.

14. Priest, M and Taylor C.M., Automobile engine tribology approaching the surface, Wear, Vol.241,p. 193 203, 2000.

15. MAHLE GmBH, Recommendation for the specification of cast iron cylinder bore surfaces,TechnicalPublication, 2000.

16. Tomanik, E., Modelling of the Aperity Contact Area on Actual 3D Surfaces, SAE 2005-01-1864,2005.

17. Tomanik, E. and Ferrarese, A., Low Friction Ring Pack for Gasoline Engines, ASME ICEF Fall2006, ICEF2006-1566,2006.

18. UEHARA, S Influncia do Acabamento Superficial no Desempenho de Bronzinas, Dissertaode Mestrado POLI, 2005


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1. IntroduoPara entendermos os mecanismos de atrito e desgaste, necessrio analisar otribossistema, que formado pelo corpo, o contracorpo, elemento interfacial e o

meio.

Um mtodo utilizado para reduzir o atrito e o desgaste, lubrificar as superfciesem contato e/ou otimizar a rugosidade das mesmas.

Tribossistema Desgaste por Deslizamento (Ludema, 1992)


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EXEMPLO DE DESGASTE


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EXEMPLO DE ATRITO


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EXEMPLO DE ATRITO

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

t (h)

FrictionCoef

PH

SH

Plateau Honing

Slide Honing

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

t (h)

FrictionCoef

PH

SH

Plateau Honing

Slide Honing

Total Wear

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Plateau Honing Slide Honing

Liner Finishing

W

ear(microns)

RingWear

LinerW

ear

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4


W

ear(microns)

RingWear

LinerW

ear

Total Wear

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4


Liner Finishing

W

ear(microns)

RingWear

LinerW

ear

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4


W

ear(microns)

RingWear

LinerW

ear

-Liner with smoother finishing (slide honing) presented lower friction coefficient-Ring and liner tested with the slide honing presented lower total wear

Tomanik, 2005


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LUBRIFICAO

Na geometria conforme, mancais de deslizamento (por exemplo), as superfcies soseparadas por um filme de leo ou gs, gerado hidrodinamicamente pelo movimentoentre os corpos, ou hidrostaticamente por uma pressurizao externa do lubrificante. Aperformance do sistema pode ser avaliada pela espessura do filme.

Lubrificao de sistemas em contato no-conforme (poucos casos), filme de leo finos,

da mesma ordem de grandeza que a rugosidade. Sua performance fortemente afetadopela deformao elstica das superfcies em contato.

Lubrificao Limite Lubrificao Mista Lubrificao Hidrodinmica


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PR-AVALIAO 30 MINUTOS

Aps assistir ao filme indique:1. Defina contato macroscpico conforme e no conforme.2. O que rea de contato nominal? Compare com a rea real de contato.

3. O desgaste da camisa de um motor de combusto interna acentuado noponto morto superior do pisto e muito menor no meio do curso do pisto.Como explicar isso?

4. Explique o princpio da lubrificao limite.


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2. Anlise de Superfcies

Devido existncia de interao entre assuperfcies que, necessariamente ocorreem um processo de desgaste, cabe umaabordagem geral sobre a natureza e atopografia das superfcies.

Sabe-se que as superfcies reais, no soexatamente como as ideais, existem errosde forma, ondulaes e a rugosidade, quepode ser decorrente de um acabamentosuperficial ou ate mesmo pela estruturacristalina dos materiais. A figura apresenta

exemplos de topografias de superfciesretificada, jateada e torneada, cada umadelas apresenta caractersticas diferentesnas direes x, y e z. Exemplos de topografias (a) superfcie

retificada, (b) superfcie jateada, (c) superfcie

torneada (Hutchings)


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Normalmente trabalha-se com avaliaode superfcies bidimensionais,considerando a mais importante para osentido de movimento do sistema. A figuramostra como a forma geral de um perfilde rugosidade obtido por rugosmetro em

relao superfcie real. Nota-se que aescala de amplicao vertical maior quea escala de ampliao na horizontal, oque muitas vezes pode ocasionar umainterpretao errnea dos dados.

(a) Perfil de uma superfcie real mesmaampliao nos eixos X e Y (b) Mesmasuperfcie com magnificaes diferentes em Xe Y, (c) Diferena entre escalas de X e Y de

50X (Hutchings)


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Existem diversos parmetros de rugosidade, que so obtidos atravs de anlises sobre operfil obtido aps filtragem. Deve-se tomar cuidado com a escolha dos parmetros, poissomente alguns deles no descrevem perfeitamente a topografia da superfcie.

Os parmetros mais comuns em uso so:

- Ra: rugosidade mdia, valor mdio aritmtico de todos os desvios do perfil de rugosidade

da linha mdia, dentro do comprimento de medio. Embora muito utilizado, no permitediferenciar duas superfcies com mesmo valor.

2.1 Parmetros de rugosidade


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2. Anlise de Superfcies2.1 Parmetros de rugosidade (cont.)

Famlia Rk (parmetros obtidos atravs da curva de Abbott (frao de contato)Rpk valor da rugosidade mdia dos picos que esto acima da rea de contato mnima doperfil, excludos eventuais picos exagerados

Rk valor da rugosidade do ncleo do perfil (excludos os picos mais altos e vales maisprofundos)

Rvk valor da rugosidade mdia dos vales que esto abaixo da rea de contato do perfil,excludos eventuais vales mais profundos

Mr1 parmetro que determina a frao de

contato mnima no ncleo do perfil de rugosidadeMr2 parmetro que determina a maior frao decontato no ncleo do perfil de rugosidade


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2. Anlise de Superfcies2.1 Parmetros de rugosidade (cont.)

Source: MAHLE Recommendation for the

specification of cast iron cylinder bore surfaces,

Technical Information, 2!

Standard"honin# $lateau"honin# %rush"honin# &luid"'et"honin# Slide"honin# Spiral"Slide"honin#

DIN 4776 roughness values of the investigated cylinder honing variants

Laser"honin#

Bearing RatioRpk

Rk

Rvk


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2. Anlise de Superfcies2.3 Deformao de Aspereza nica

Modelagem da asperezaconsiderando que seja esfrica eperfeitamente lisa, em contato comuma superfcie plana.

W

2a

Deformao elstica considerando asperezade raio r sob ao de uma carga normal W.

Raio de contato a.

r

3/1

4

3

=

E

wra

( ) ( )2

22

1

21 111

EEE

+

=

3

2

2 83.0

E

wra

Onde:

rea deContato:

A w2/3

P = w/A => P w1/3


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2. Anlise de Superfcies2.4 Deformao de Mltiplas Asperezas

Superfcies reais no apresentam asperezas uniformes com raios e alturas constantes. Portanto,considera-se uma distribuio estatstica de asperezas na superfcie.

Com o acrscimo de carga numa superfcie real, mais asperezas vo entrar em contato esuportar juntamente o carregamento.

Uma das teorias estatsticas do contato rugoso entre duas superfcies foi criada por Greenwoodand Williamson em 1966 e utilizada at hoje em dia.

O modelo de G-W assume que todas as asperezas em contato sofrero apenas deformaoelstica, e carregamento calculado pela equao de Hertz.

Plano de referncia na

superficie rugosa

Superfcie Plana

dzd: distncia entre o plano e asuperfcie

z: altura da aspereza em relao alinha de referncia


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Plano de referncia na

superficie rugosa

Superfcie Planadzd: distncia entre o plano e asuperfcie

z: altura da aspereza em relao alinha de referncia

2/32/1 )(34 dzErw = Carga Normal aplicada de acordocom a teoria de Hertz

A altura das asperezas determinada estatisticamente

atravs da funo de distribuio de asperezas: (z)A probabilidade de uma aspereza contactar a superfciedo plano oposto a probabilidade da altura da mesma sermaior que a distncia que separa os planos (z>d)

dzzdzprobd

)()(

=>


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Se existirem N asperezas na superfcie, ento o nmerode contatos esperados n, ser dado por:

E o carregamento total (W) suportado por estas asperezas ser:

dzzNnd

)(

=

=d

dzzdzNErW )()(3

4 2/32/1


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2. Anlise de Superfcies2.5 Exemplo de rea de contato

Nowadays 3D evaluation of surfaces isbeing used to perform more detailedevaluation:

- Calculate the volume of retained oil atthe surface

- Predict the contact area

ASME ICES 2005 - 1080

AC/A0= 41.5%

AC/A0= 2.8%

Hm= 0.5 mOil volume

(below mean surface)

11.5 x104 m3

3.2 x104 m3


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3. Desgaste

O desgaste pode ter muitas formas, dependendo da topografia das superfcies, condies docontato e do meio (tribossistema), mas basicamente pode-se dividir em dois tipos principais:mecnico e qumico.

O desgaste mecnico envolve processos que podem estar associados com atrito, abraso,eroso e fadiga.

O desgaste qumico est relacionado com reaes que as superfcies podem estar sujeitas,dependendo do meio em que esto inseridas (Scott, 1991). A Fig.4.1 mostra de formaesquemtica a estrutura das camadas presentes nas superfcies.

3.1 Definio

Figura 4.1: Aspecto geral dasmulticamadas de superfciesslidas, oriundas de produtos dereao, lquidos e, ou gasesadsorvidos (Vatavuk)


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3. Desgaste3.1 Definio

A Tabela 4.1apresenta algunsexemplos deprocessos dedesgaste, levando em

considerao o tipode interao,elemento interfacial emovimento relativoentre os corpos do

tribossistema (Farias).


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3. Desgaste3.2.2 Desgaste Abrasivo

No desgaste abrasivo o material removido da superfcie do corpo porpartculas duras ou algumas vezes porprotuberncias duras na superfcie docontra-corpo.

O desgaste abrasivo pode ser classificadocomo abraso a dois corpos ou abraso atrs corpos.O processo de eroso tambm pode serclassificado como uma abraso, mas umadistino deve ser feita, na eroso aspartculas so carregadas por um fluido eatingem a superfcie.

Mecanismo de Desgaste Abrasivo


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3. Desgaste3.2.3 Fadiga de Contato

(t1) - formao de trincas (t1),

(t2) propagao das trincas,(t3) destacamento de material (t3).

Mecanismo de Desgaste por Fadiga Superficial (Bayer, 1997).


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3. Desgaste3.2.4 Desgaste Adesivo

- carga normal aplicadaestaticamente

- presso normal elevada- deformao plstica dasaperezas

- adeso entre asperezas

- cisalhamento das regiesmicrosoldadas

maior ocorrncia no desgaste no lubrificado, as duas superfcies esto mais expostas


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3. Desgaste3.3 Classificao do Desgaste

O desgaste pode ser denominado como severo ou moderado, baseado na taxa dedesgaste. A taxa de desgaste, pode ser avaliada de diversa maneiras (Ruff):variao de massavariao de volumevariao dimensional da regio desgastada

A classificao baseada somente no valor da taxa de desgaste no suficiente paraclassificar o desgaste, o aumento na severidade do carregamento (atravs do aumentoda carga normal, aumento da velocidade ou temperatura do sistema) tambm pode afetaro desgaste do tribossistema (Williams).

A Tabela 4.3 apresenta algumas distines que podem ser feitas entre desgaste severo emoderado.


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3. Desgaste3.4 Variveis que influenciam o desgaste

3.4.1 TempoO efeito do tempo na taxa dedesgaste mostrado na figura.Inicialmente, existe um perodo deamaciamento (run-in ou break-in),neste perodo existe maiorinterao entre as asperezas dassuperfcies, o que explica a maiortaxa de desgaste.

Efeito do tempo na variao da taxa de desgaste (Peterson).

A rea nominal de contato aumenta e se no ocorrer um aumento no carregamento, ataxa de desgaste torna-se constante.

Depois de trabalhar por um determinado perodo, pode ocorrer uma variao na taxa dodesgaste, devido a uma modificao no tribossistema.


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3.4.2 CarregamentoCom o aumento da carga, espera-se que ocorra um aumento nataxa de desgaste, pois maior tenso ser aplicada sob asasperezas que esto em contato, mas este aumento de cargatambm pode gerar um aumento de temperatura o que pode

ocasionar uma modificao na taxa de desgaste.3.4.3 Velocidade

Com o aumento da velocidade a taxa de desgasteaumenta, at que ocorra uma transio drstica,modificao do mecanismo de desgaste. Esta transiogeralmente ocorre devido ao aumento de temperatura,este fato pode ser notado nos mapas de desgaste, pois oeixo das abscissas geralmente a velocidadenormalizada


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3.4.4 TemperaturaO efeito de aumento detemperatura extremamenteimportante no tribossistema. Oaumento de temperatura podeocasionar em modificaes daspropriedades do material, podefavorecer o mecanismo deoxidao e tambm ocasionarmodificao da viscosidade do

lubrificante.


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3.4.5 LubrificanteAs possveis variaes que apresena de lubrificante podetrazer ao tribossistema serocontempladas no proximo capitulo(Regimes de Lubrificao).O efeito de aumentar a espessurado filme lubrificante podeocasionar os mesmos efeitos queuma diminuio do carregamento.

Mas a modificao depropriedades do lubrificante com oaumento da temperatura, porexemplo, devem ser levados emconsiderao quando for realizada

a seleo do lubrificante.


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3. Desgaste3.5 Modelos de Desgaste

Estas equaes foram comuns nos anos 1970-1980, alm da regio de contato entreas superfcies, em muitas das equaes considera-se tambm uma propriedade domaterial, normalmente o mdulo de elasticidade E ou a dureza H. A Equao deArchard um exemplo.

3.5.2 Equaes Baseadas no Mecanismo de Contato

H

WKQ=

Q: volume desgastado do material mais mole,por unidade de distncia percorrida

K: coeficiente adimensional de desgaste [0...1]

W: carga normal [N]

H: dureza do corpo mais mole [N.m-2]


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3. Desgaste3.5.2 Equaes Baseadas no Mecanismo de Contato

Valores tpicos de coeficiente de desgaste devrios materiais em desgaste ensaio pino

contra disco x ao ferramenta sem presena delubrificante (Willians apud Hirst)

Material K

ao carbono 7.10-3

bronze / 6.10-4

PTFE 2,5.10-5

cobre-berlio 3,7.10-5

ao ferramenta endurecido 1,3.10-4

ao inoxidvel ferrtico 1,7.10-5

polietileno 1,3.10-7

PMMA 7.10-6


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3. Desgaste3.6 Ensaios de Desgaste

Arranjos simtricos

Arranjos assimtricos

Geometrias empregadas em ensaios dedesgaste por deslizamento (Hutchings)


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3. Desgaste3.6 Ensaios de Desgaste

Em arranjos assimtricos, pode-se ter um contato conforme ou no-confome, deacordo com os esquemas apresentados na figura abaixo.

Geometria de contato (a) conforme e(b) no-conforme (Hutchings)


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4. Atrito4.1 Coeficiente de Atrito Esttico x Dinmico

O mtodo de determinao do coeficiente de atrito esttico mais comum o do planoinclinado. No necessrio conhecer a massa do objeto que se deseja medir ocoeficiente de atrito, apensas que a superfcie do bloco esteja paralela ao plano deelevao. O coeficiente de atrito esttico determinado pela tangente do ngulo .

tan=s


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4. Atrito4.2 Fundamentos do atrito por deslizamento

Do ponto de vista da energia, o atrito um processo onde a energia cintica convertidaem outras formas de energia. Usualmente a maior parte da energia mecnica perdidadurante o atrito, convertida em calor.

Da energia mecnica dissipada durante o movimento relativo entre duas superfcies,estima-se que esta possa ser dividida nas seguintes componentes:

- calor, causando aumento de temperatura nos corpos em contato

- energia acstica, produzindo efeitos audveis

- energia eltrica, responsvel pela gerao de carga eletrosttica

- energia mecnica, causando desgaste nos corpos


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Atrito em Metais

O estudo do coeficiente de atrito dosmateriais metlicos merece uma atenoespecial, pois a maioria das aplicaestribolgicas, seja equipamentos ou em

componentes mecnicos, ainda ocorremprincipalmente entre metais.

Na maioria destas aplicaes, so utilizados leos, graxas ou lubrificantesslidos como agentes protetivos e/ou de lubrificao, entretanto algumas vezes impraticvel ou impossvel a introduo de qualquer tipo de lubrificante entre assuperfcies metlicas.

No se pode estudar o comportamento sob atrito de superfcies metlicas semlevar em considerao a presena de filmes, de diversas naturezas na superfciedestes metais.

Aspecto geral das multicamadas de superfciesslidas oriundas de produtos de reao, lquidos

e,ou gases adsorvidos (Vatavuk)


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Atrito em Metais

Quando as condies de contatoso cada vez mais severas, como nafigura abaixo, onde cobre desliza sobrecobre ao ar, poder ocorrer o

rompimento gradativo desta camadade xido e com o contato metal-metalmaiores sero os valores decoeficiente de atrito. Desta forma, tem-se que para baixas cargas, quase no

h contato metlico, pois o filme dexido separa as superfcies. Variao do coeficiente de atrito com a carga normalpara o deslizamento do cobre sobre cobre ao ar, sem

lubrificao

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Carga Aplicada (cont)

Efeito da presso de contato no coeficiente de atrito

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Atrito em materiais cermicos

Variao do coeficiente de atrito com a carga normal para um cone de diamantede 60 sobre a face de um monocristal de carboneto de silcio (0001)

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Atrito em Slidos com Estrutura Lamelar

Vrios materiais com estrutura lamelarapresentam baixos valores de coeficiente de atritosob certas condies e so de grande interessecomo lubrificantes slidos. Dentre estes materiais

pode-se citar: o grafite e o bissulfeto de molibdnio(MoS2).

Nestes materiais, as ligaes entre os tomosdas camadas da estrutura so covalentes e fortes,enquanto que as ligaes entre as camadas so

consideravelmente fracas.Estes materiais so fortemente anisotrpicos em

suas propriedades fsicas e mecnicas,apresentando menor resistncia ao cisalhamento noplano basal do que em outras direes.

Estrutura atmica do grafite

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um nmero emprico que expressa a taxa de variao da viscosidade com a variao datemperatura. Quanto mais alto o IV de um leo lubrificante, menor a variao de suaviscosidade ao se variaar a temperatura. De um modo geral, os leos parafnicos possuemum IV maior que os naftnicos.

5.2 Propriedades dos leos Lubrificantes

5.2.2 ndice de Viscosidade (IV)

5.2.3 Ponto de Fluidez

a menor temperatura em que um leo flui livremente, sob condies preestabelecidas deensaio. Esta caracterstica pe bastante varivel, e depende de diversos fatores como:origem do leo cru, tipo de leo e processo de fabricao.

5.2.4 Ponto de Fulgor a menor temperatura na qual um leo desprende vapores que, em presena do ar,provocam um lampejo ao aproximar-se de uma pequena chama da superfcies do leo.Esteensaio permite estabelecer a mxima temperatura de utilizao de um produto, evitandoriscos de incndio e/ou exploso.

5. Lubrificantes

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Dentre vrios mtodos empregados para a determinao de cor, o mais usual o ASTM-1500.

A cor dos leos no tem relao direta com as caractersticas lubrificantes e nem com aviscosidade, um leo mais claro no necessariamente menos viscoso.

1) Identificao de vazamentos algumas vezes so adicionados corantes

2) Atrativo comercial. leos mais claros ou coloridos artificialmente podem dar uma idia deprodutos de maior qualidade

3) Facilitar a visualizao das peas (produtos para usinagem)

4) No interferir na cor do produto final.

5.2 Propriedades dos leos Lubrificantes

5.2.5 Cor

5. Lubrificantes

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Estabelecida pela Sociedade dos Engenheiros Automotivos dos Estados Unidos, classificaos leos lubrificantes pela sua viscosidade, que indicada por um nmero. Quanto maioreste nmero, mais viscoso o lubrificante e so divididos em trs categorias:

leos de Vero: SAE 20, 30, 40, 50, 60

leos de Inverno: SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W

leos multiviscosos (inverno e vero): SAE 20W-40, 20W-50, 15W-50

Obs.: a letra W vem do ingls winter que significa inverno.

5.3 Sistemas de Classificao de Viscosidade

5.3.1 Classificao SAE

5. Lubrificantes

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5. Lubrificantes

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O desenvolvimento dos aditivosmelhoradores do indice deviscosidade possibilitou afabricao dos leos de mltiplagraduao. Esses leos, tambm

chamados de multiviscosos oumultigraus, como o SAR 5W-30 eSAE 15W-40, so largamenteulitizados porque so fluidos obastante em baixas temperaturas,para permitir uma partida mais fcil

do motor, e suficientementeespessos a altas temperaturas,para terem um desempenhosatisfatrio.



5. Lubrificantes

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5. 4 Aditivos

Para conferir-lhes certas propriedades especiais ou melhorar alguma j existentes, porm

em grau insuficiente, especialmente quando o lubrificante submetido a condies severasde trabalho, so adicionados produtos qumicos aos leos lubrificantes, que so chamadosaditivos.

Os principais tipos de aditivos so: anti-oxidantes, anti-corrosivos, anti-ferrugem, anti-espumantes, detergente-dispersante, melhoradores do ndice de Viscosidade, agentes de

extrema presso, etc.

5. Lubrificantes

5.4.1 Anticorrosivos

Estes aditivos protegem as superfcies metlicas lubrificadas do ataque qumico pela guaou outros contaminantes.

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5. 4 Aditivos5. Lubrificantes

5.4.2 Antidesgaste

Estes aditivos formam um filme protetor nas superfcies metlicas, evitando o rompimentoda pelcula lubrifiance, quando o leo submetido a cargas elevadas. A formao destefilme ocorre a temperaturas pontuais de at 300C.

5.4.3 Antiespumantes

Tm a propriedade de fazer com que esta espuma formada na circulao normal do leo sedesfaa o mais rpido possvel.

5.4.4 Antioxidantes

Tm a propriedade de aumentar a resistncia a oxidao do leo. Retardam a reao com ooxigncio presente no ar, evitando a formao de cidos e borras e, consequentemente,prolongando a vida til do leo. Evitando a oxidao, minimizam o aumento da viscosidadee o espessamento do leo.

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5.4.5 Detergentes

Tm a propriedade de manter limpas as partes do motor. Tambm tm basicidde paraneutralizar os cidos formados durante a combusto.

5.4.6 Dispersantes

Tm a propriedade de impedir a formao de depsitos de produtos de combusto (fuligem)e oxidao (borra) nas superfcies metlicas de um motor, mantendo estes produtosindesejveis em suspenso de modo que sejam facilmente retidos nos filtros ou removidosquando da troca do leo.

5.4.7 Extrema Presso

Estes aditivos reagem com o metal das superfcies sob presso superficial muito elevada,formando um composto qumico que reduz o atrito entre as peas. Minimizam o contatodireto entre as partes, evitando o rompimento da pelcula lubrificante, quando o leo submetido a cargaas elevadas.

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5.4.8 Melhoradores do ndice de Viscosidade

Tm a funo de reduzir a tendncia dos leos lubrificantes variarem a sua viscosidadecom a variao da temperatura.

5.4.9 Rebaixadores do Ponto de Fluidez

Melhoram a fluidez dos leos quando submetidos a baixas temperaturas, evitando aformao de cristais que restringem o fluxo dos mesmos.

5.4.10 Modificadores de Atrito

Os aditivos modificadores de atrito reduzem a energia necessria para deslizar partesmveis entre si, formando uma pelcula que se rompe com o movimento, mas que se

recompe automaticamente. So empregados em leos de motores (para aumento desua eficincia), em sistemas de freio mido, direes hidrulicas, transmissesautomticas. Podem ser substncias orgnicas 9teflon), inorgnicas (grafite, bissulfeto demolibdnio) ou organometlicas (a base de molibdnio ou boro).

TRIBOLOGIA


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TRIBOLOGIA

Na geometria conforme, mancais de deslizamento (por exemplo), as superfcies soseparadas por um filme de leo ou gs, gerado hidrodinamicamente pelo movimentoentre os corpos, ou hidrostaticamente por uma pressurizao externa do lubrificante. Aperformance do sistema pode ser avaliada pela espessura do filme.

Lubrificao de sistemas em contato no-conforme (poucos casos), filme de leo finos,da mesma ordem de grandeza que a rugosidade. Sua performance fortemente afetadopela deformao elstica das superfcies em contato.

5. Lubrificao

Lubrificao Limite Lubrificao Mista Lubrificao Hidrodinmica

TRIBOLOGIA


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TRIBOLOGIA5. Lubrificao5. 1 Tipos de Lubrificao

Os modos de lubrificao podem ser definidos atravs da curva de Stribeck, a variao do

coeficiente de atrito em funo do parmetro de filme t (espessura do filme de leo /rugosidade combinada).

comb

R

ht=

Onde:h: espessura do filme de leoRcomb: rugosidade combinada

2

2

2

1 qqcomb RRR +=

Curva de Stribeck

Coeficiente de atrito x parmetro de filme (Tomanik)

TRIBOLOGIA


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TRIBOLOGIA5. Lubrificao5. 1 Tipos de Lubrificao

De acordo com Rosenberg (1982),

um problema primrio noentendimento do atrito em motor a grande variao na magnitudedas foras de atrito observadas.Isto ocorre devido variao do

coeficiente de atrito entre 0,2 paralubrificao limite e 0,01 paracomponentes que trabalham emcondio de regime hidrodinmicode lubrificao.

A figura ilustra o diagrama deStribeck, que mostra a variao docoeficiente de atrito em funo dascondies de operao dosistema.

Regime de Lubrificao para componentes de

motor (Rosenberg, 1982).Onde:

: viscosidade absolutaU: velocidadeP: carga unitria

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TRIBOLOGIA6. Materiais Empregados nos Motores

Camisas

Pistes

Anis

Bronzinas

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TRIBOLOGIA

Pistes

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PISTON FUNCTIONS

RECEIVE THERMAL ENERGY

FROM COMBUSTION

TRANSFORM PRESSURE

RECEIVED ON MECHANICAL LOAD

CHANGE HEAT WITH THE

SYSTEM

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TRIBOLOGIA6. Materiais Empregados nos MotoresPistes

Atualmente as ligas mais usadas para pistes so as ligas de Al-Si. Devido ssuas boas caractersticas mecnicas e resistncia ao desgaste.

Uma conciliao das caractersticas com propriedades mecnicas superiores obtida pelo forjamento das ligas.

Quando a resistncia em altas temperaturas requisito imprescindvel, utiliza-seliga Al-Cu.

Os fatores mais importantes na escolha de uma liga para pisto so:

Coeficiente de dilatao

Resistncia ao desgaste

Peso especfico

Resistncia mecnica (especialmente quente)

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O OG

Camisas

TRIBOLOGIA


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Bloco de MotorType Structure Processing Characteristcs

Monolithic (linerless) (1) cast iron integrated type

Monolithic block with sand casting.Laser or induction hardenind issometimes used on the bore surface togive durability

Low Cost but heavy

Heterogeneous (dry liner)(2) Cast iron block

enclosing cast iron liner

High-P cast iron liner is slip fitted in hte

block

Hard liner gives durability

Heterogeneous (cast in liner)(3) Al block enclosing castiron liner

Liner is enclosed in the block by casting-in with high pressure die casting

Better cooling performancethan type (1)

Heterogeneous (cast in liner)(4) Al block enclosing PM-aluminum liner

PM aluminum liner is enclosed in blockby casting-in with high pressure diecasting

Better cooling performancethan type (3)

Heterogeneous (dry liner)

(5) Al block enclosing cast

iron or hyper-eutetic Al-Siliner with press-fitt ing

Liner is inserted in block by press-f it orshrunk-in Accurate roundness at elevatedtemperatures

Quase-monolitic (linerless)(6) Al block with plated boresurface

Monolithic block having a coated bore byporous-Cr or Ni-SiC plating.

High cooling performance. Borepitch can be shortened in multi-bore engines

Quase-monolitic (linerless)(7) Al block with metal-

sprayed bore surface

Wire explosion or plasma spraying (steel

based alloy) on the Al bore wall

Cooling performance is the

same as (6)

Monolitic (linerless)(8) Hyper-eutetic Al-Siblock without coating

Low pressure die casting using A390alloy. The bore surface is either etchedor mechanically polished to expose Si

The wear resistant coating isnecessary on the piston side

Quase-monolitic (linerless)(9) Fiber or particlereinforced Al alloycomposite

Preform of fibers (Saphire+carbon) or Siparticle is cast into aluminum bysqueeze die casting

The rigidity of the cylinder boreincreases

Yamagata, 2005

TRIBOLOGIA


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Development of Liner Materials

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Bronzinas

TRIBOLOGIA


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6. Materiais Empregados nos MotoresBronzina e suas Funes

Elemento de mquina projetado para suportarcargas perpendiculares ao eixo de rotao

(mancal hidrodinmico) Proteger e prolongar a vida dos elementos

mveis de maior responsabilidade e custo,como o virabrequim e o alojamento. Abronzina sofre danos que iriam alcanaroutras peas.

Superfcie que pode sofrer deformaes,absorver partculas

TRIBOLOGIA


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6. Materiais Empregados nos Motores

Compatibilidade: habilidade de duas superfciesestarem em contato sem falha do sistema.

Conformabilidade: habilidade de compensardesalinhamentos.

Embutibilidade: capacidade de absorverpartculas slidas.

Capacidade de carga: resistncia aocarregamento mecnico, mxima presso que omaterial pode operar sem que ocorra atritoexcessivo ou engripamento (dano catastrfico pordesgaste).

Resistncia a fadiga: capacidade do material

resistir ao carregamento cclico.

Resistncia a corroso: resistncia aos cidosorgnicos e minerais, do leo lubrificante e deresduos de combusto.

Liga

Partculasembutidas

=Bronzinadaojetadarea

Pistodorea

Combustodeesso

acdeCapacidadePr

Pr

arg

rea Projetada da Bronzina = Largura x Dimetro

Propriedades das Bronzinas

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6. MateriaisLubrificao Bronzinas - lubrificao hidrodinmica.

Existe contato metal-metal at que haja

formao do filme de leo.

Caso exista alguma partcula entre o eixo e abronzina o filme de leo pode ser quebrado.

Lubrificante tambm pode dissipar o calorgerado pelo atrito, diminuindo assim aschances de aumento de temperatura.

CoeficienteAtrito Total

ContatoRugoso

ContatoHidrodinmico

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6. Materiais Empregados nos MotoresBimetallic bearing - schematic

lining material(running surface)

intermediate layer(bonding)

steel back

(stiffness)

TRIBOLOGIA


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6. Materiais Empregados nos MotoresTrimetallic (Galvanic and Sputter) bearing - schematic

lining material(emergency run)

steel back(stiffness)

overlay(running surface)

Ni layer(anti-diffusion barrier)

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SPUTTERED BEARING THRESHOLD

L(A)*

ARR

+I,-

*A$A*IT+

L(A)*

ARR

+I,-

*A$A*IT+

L(A)*

ARR

+I,-

*A$A*IT+

L(A)*

ARR

+I,-

*A$A*IT+

NEW GENERATION OF ENGINE REQUIREMENTS

BIMETALLIC BEARING THRESHOLD

TRIMETALLIC BEARING THRESHOLD

TRIMETALLICBEARINGSBIMETALLIC

BEARINGS

NEW

CONCEPTS

UnderDevelopment

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Anis

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Functions

1. Seal the combustion chamber.

2. Control the oil consumption andthe cylinders lubrication.

3. Transmit the combustion heat to

the cylinder wall.

Ring is a elastic circular element with high expansion force.

Piston rings are metallic parts which, when installed in engine cylinders, becamecircular and auto-expansive, giving a mobile sealing between the combustion

chamber and the engine carter.Combustion

Pressure

Lubricant Oil

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6. Materiais Empregados nos MotoresBase Material Classificao ISO

TRIBOLOGIA


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Principais Funes:

Melhorar a resistncia ao desgaste e ao engripamento (scuffing)

Melhorar a estabilidade trmica e a perda de fora tangencial

Tipos: Cromao

Molibdnio

Nitretao

Thermal Spray HVOF

Physical Vapor Deposition (PVD)

Coberturas e Tratamentos Superficiais

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6. Materiais Empregados nos MotoresComparativo Resistncia ao Engripamento

Yamagata, 2005

TRIBOLOGIA


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Motores de Combusto Interna73 MAHLE

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Source Volkswagen AG Dr. W. Steiger

16.8 km/L (2015 Japan)

5 L/100km

4 L/100km

6 L/100km

6.7 L/100km

120 g/km (2012 Europe)

95 g/km (2020 Europe)

35 mpg (2020 USA)

European Community(Jan. 2007)

European Community(Jan. 2007)

Council for TransportPolicy (Feb. 2007)

Senate Bill(June 2007)

Fuel Consumptionequivalence

(for SI engine)

Main Driver : Reduce CO2 Emission (g/km)

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Engine Type Forecasts per Regions

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E

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G

I

N

E

S

H

Y

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RI

D

NAFTA W. EUROPE JAPAN

SI

SI

SI

HSD

HSD

HSD

Conventional Conventional Conventional

HybridHybrid Hybrid

Source Global Insight Tiax , 2006

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SI

SI

SI

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HSD

HSD


HybridHybrid Hybrid

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N

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SI

SI

SI

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HSD

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HybridHybrid Hybrid

Source Global Insight Tiax , 2006

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Reduced Mechanical Friction Losses

Freier, 2000

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0

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4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

Benchmarking SI Bore Finishing

MAHLE

Rpk

Rk

RvkBearing Ratio

Rpk

Rk

RvkBearing Ratio

Rpk

Rk

Rvk

BearingRatio

30%LOC

Roughnes

s(microns)

47%LOC Laser texturing at

TDC

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VAMOS

AVALIAO???

Documents

Material 01 - Tribologia