Ensaio Formação de Pitting

1FZG-LASC

Nome : Fbio KodaOrientador: Dr. Carlos Henrique da Silva

ENSAIO DE FADIGA DE CONTATO EM ENGRENAGENS (FZG)

21. INTRODUO2. REVISO BIBRIOGRFICA (Movimentos das engrenagens e PHC)3. EQUIPAMENTO FZG 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC5. RESULTADOS 6. CONCLUSO 7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

SUMRIO


3Os ensaios tribolgicos de campo:se caracterizam por apresentar variveis do sistema pouco controladas, elevado custo (interrupo de processo produtivo), representam exatamente o sistema estudado.

Os ensaios de laboratrio: excelente controle de variveis, dificuldade na transferncia de resultados, principalmente devido s simplificaes inerentes aos ensaios de desgaste acelerados de bancada.

INTRODUO


4O modelamento matemtico:

Dificuldades na transferncia dos resultados, A inevitvel escolha das condies de contorno e a complexidade da modelagem dos fenmenos que ocorrem nas superfcies dos materiais durante movimentos relativos, so as desvantagens desta tcnica.(HUTCHINGS,1992)

Os FFNAs:Resistncia quanto utilizao de engrenagens de FFNA So materiais de grande interesse (cerca de 10% em relao ao ao)

Apresentam elevada absoro de vibraes Uma resistncia ao desgaste muito elevada em condies de funcionamento desfavorveis, como falhas momentnea do sistema de lubrificao (HARDING, 1986).

INTRODUO


5INTRODUO


Figura 1: Relao entre Custo e Limite de Escoamento

(CARMO,2000)Figura 2- Comparao esquemtica de custo entre

peas sem ser fundidas efundidas (http://www.ductile.org.didata/index.htm -

Ductile Iron Data for designengineers)

6REVISO BIBLIOGRFICA


inverso da direo de deslizamento relativa direo de rolamento das engrenagens

movidas para motoras.

Atrito

Dire

o d

e ro

lam

ento

Atrito

Dire

o d

e ro

lam

ento

Atrito

Dire

o d

e ro

lam

ento

Atr

ito

Direo d

e r

ola

mento

Atr

itoD

ireo d

e r

ola

mento

Atrito

Dire

o d

e rola

mento

A direo de rolamento da raiz para o topo na engrenagem motora e do

topo para raiz na engrenagem movida .A direo de deslizamento na motora sempre da linha primitiva para fora

Entretanto, na raiz da engrenagem movida, a direo de deslizamento oposta de rolamento, enquanto para o topo ela a mesma. a velocidade

de deslizamento da raiz e do topo para dentro (inwards) da linha primitiva

A situao onde a velocidade de deslizamento oposta de rolamento conhecida como ao de aproximao,

= as direes de rolamento e

deslizamento conhecida como ao de pausa

Figura 3: Rolamento e deslizamento no contato de dentes de engrenagens. (WRIGTH, 2001)

7REVISO BIBLIOGRFICA


A ao de aproximao algumas vezes considerada ser mais danosa do que a ao de pausa e consequentemente, modificaes para perfis de engrenagens tem sido tentada em ordem de aumentar a proporo do ciclo de engrenamento (meshing) o qual sujeito a ao de pausa.

Se a ao de aproximao mais danosa, deveria esperar a encontrar um grande desgaste na regio da raiz das engrenagens motoras do que o topo.

No contato de rolamento puro, os campos de tenses sub superficiais so criados ao redor do ponto de contato. No caso do contato no conforme forma-se uma linha de contato, como so encontradas nas engrenagens engrenadas estas tenses podem ser aproximadas usando o modelo do contato por cilindros [1] primeiramente proposto por HERTZ.

8 PHCA teoria de Hertz, para a determinao de tenses que ocorrem em superfciesem contato, se baseia nas seguintes condies:

Os materiais em contato so homogneos e as tenses no excedem a de escoamento

As tenses de contato so causadas por uma fora a qual normal ao plano de contato o que efetivamente significa que no h foras atuando entre os slidos (cilindros).

A rea de contato muito pequena comparada com a rea de contato entre os slidos (cilindros).

Os slidos em contato esto em repouso e equilbrio.

O efeito da rugosidade superficial desconsiderado.

Como no caso da engrenagem podemos considerar que o contato se d por dois cilindros na regio do dimetro primitivo aonde haver somente rolamento daremos enfoque somente o contato entre dois cilindros paralelos.

REVISO BIBLIOGRFICA


9Segundo Stachowiak e Bachelor (2000) as tenses no contato entre os flancos de engrenagens podem ser calculadas:

Mediante uma simplificao quando sua geometria. As tenses desenvolvidas no contato entre dois cilindros so equivalentes quelas obtidas com engrenagens.

REVISO BIBLIOGRFICA


Figura 4 Contato entre dois cilindros paralelos. atrito (STACHOWIAK e BATCHELOR,2000)

10

A Tabela 1 apresenta um resumo das equaes

REVISO BIBLIOGRFICA


Tabela 1 Formulrio para determinao das tenses de contato segundo Hertz (Stachowiak e Batchelor,2000).

11

REVISO BIBLIOGRFICA


Geralmente, h dois tipos de fadiga de contato superficial: pitting : Pitting aparece como crateras rasas em superfcies de contato. A profundidade mxima de um pit aproximadamente a espessura da camada encruada (10 mm). spalling: spalling aparece como cavidades mais profundas (tipicamente 20-100 mm) das superfcies em contato com uma profundidade de 0.25 a 0.35 da meia largura de contato (denotada geralmente como "c" na literatura da mecnica da fratura).

A Figura 5 ilustra os fenmenos de pitting e spalling

12

REVISO BIBLIOGRFICA


Figura 5 Ilustrao esquemtica do fenmeno de pitting e spalling (DING,2003).

13

FOTOS DA MQUINAEQUIPAMENTO FZG

Figura 6 FZG Figura 7 FZG


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FOTOS DA MQUINAEQUIPAMENTO FZG



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CARACTERIZAO DOS CORPOS-DE-PROVA Propriedades mecnicas, dureza e parmetros de fabricao

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC

Tabela 02- Parmetros e resultados das medies de dureza


Tabela 03- Propriedades mecnicas dos materiais ensaiados (Matweb, 2008)

Dureza

Propriedades Mecnicas

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TRATAMENTO TRMICO DOS CORPOS-DE-PROVA PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC


MATERIAL

Ferro fundido nodular no estado

bruto de fundio

AUSTENITIZAO

Temperatura = 890C

Tempo = 2 horas

AUSTMPERA

Temperatura = 270C

Tempo = 2 horas

Meio = banho de sais

RESFRIAMENTO

Ao ar

MATERIAL FINAL

Ferro Fundido Nodular

austemperado (FNA) com matriz

baintica

MATERIAL

Ao AISI 8620 estado bruto de

fornecimento

CEMENTAO

Austenitizao = 880C

Tempo = 16 horas

Tmpera

Temperatura do leo = 130C

Tempo = 5 minutos

MATERIAL FINAL

Ao 8620 cementado e

temperado

(a)

(b)

Figura 10 (a) Tratamento Trmico para FNA, (b) Tratamento Trmico para o ao AISI 8620.

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CARACTERIZAO DOS CORPOS-DE-PROVA Propriedades mecanicas, dureza e parametros de fabricao


Tabela 4 Parmetros de fabricao das engrenagens


Parmetros de fabricao

Engrenagens tipo C14

Figura 11- Engrenagem tipo C14

Figura 12- Sobreposio para verificao

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CARACTERIZAO DOS CORPOS-DE-PROVA A Figura 13 mostra um desenho esquemtico detalhado do equipamento FZG-

LASCA

A Figura 14 apresenta um esquema de nomenclatura dos corpos-de-prova.


Figura 13 - Desenho esquemtico da mquina FZG-LASC.



19

ENSAIOS

A Figura 15 mostra os ensaios realizados

A Tabela 5 e 6 as condies dos ensaios

Obs velocidade das coroas 967 rpm.



FFNA

E

N

S

A

I

O

S

Pitting 6 hrs

Pitting 10 hrs

AO

Pitting 6 hrs

Pitting 14 hrs

Pitting 28 hrs

Pitting 56 hrs

Pitting 84 hrs

AO FFNA Running-in 2 hrs

Figura 15: Etapas do ensaio

Tabela 5: Parmetros para o amaciamento

Tabela 6: Condies de Ensaio

20




21

ACABAMENTO SUPERFCIAL

Os dados de rugosidade foram coletados seguindo as direes mostradas na Figura 18 tanto para as medies no Surtronic 25 e no Form Taly Surf Series 2.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL FZG-LASC PARA RUGOSIDADE



22

ACABAMENTO SUPERFCIALTabela 7 para as medies no Surtronic 25 e Tabela 2 para o Form Taly Surf Series

2.


Tabela 7 - Parmetros de medies (Surtronic 25).


23

ANLISE DE IMAGEM

As imagens do flanco dos dentes dos pinhes foram obtidas aps no estado de fornecimento e aps cada etapa de ensaio:

A partir do incio da ocorrncia dos danos nos flancos, foi medido o percentual da rea danificada levando em considerao a rea ativa de todos os dentes.

Os dados da somatria da quantidade de danos em relao rea ativa total esto apresentados na Tabela 8.



Tabela 8 - Percentual de rea danificada em relao a somatria de todas as reas ativas dos flancos

24

ANLISE DE IMAGEM

RESULTADOS

A Tabela 9 mostra a evoluo dos danos no dente B de FFNA e no dente C de ao AISI 8620.


Tabela 9- Quantificao da rea danificada em relao a somatria de todas as reas ativas do flanco.

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RUGOSIDADERESULTADOS


Rvk and Rz depois do estagio de running-in para ADI indicando a presena de vales profundos (micro ou pittings).Os parmetros de rugosidade aps running-in s aumentaram para FFNA.Depois de 6 horas de pitting os parmetros tendem a aumentar devido a presena de alguns danosContinuando os experimentos, os parmetros aumentam significativamente devido a gradual evoluo dos danos (fig. 9 c e d)

Figura 19 Rugosidade em cada etapa dos ensaios: (a) fornecimento, (b) running-in, (c) 6 horas do ensaio de pitting para FNA e ao, (d) 10 horas da etapa de pitting para

o FNA e 14 horas para o ao.

26

PHC

RESULTADOS


Tabela 10 - Resultados das tenses de Hertz para o contato entre engrenagens de FFNA e ao AISI 8620.

27

RESULTADOS


Figura 20 - Trincas subsuperficiais na regio de pitting, em engrenagens de FNA (a, b) e de ao 8620 cementado (c, d)

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CONCLUSO O equipamento de ensaio de engrenagem FZG-LASC proporciona o dano desejado,

com formao de pitting em ensaios de at 14 h.

A avaliao do dano por medidas de rugosidade se mostrou adequada, porm a anlise de imagem possui algumas vantagens como quantificao da rea danificada. Os parmetros Rz e Rvk de rugosidade tendem a diminuir sua magnitude, porm quando a ocorrncia de um dano seus valores aumentam evidenciando que um dano est prestes a aparecer ou que ele j esta aparente e os valores aumentam abruptamente.

A quantificao da ocorrncia de pitting por anlise de imagem da superfcie do dente, mostrou bons resultados, e foi ento empregada para comparar a resistncia ao desgaste dos materiais das engrenagens.

Comprovou-se que as engrenagens cementadas de ao 8620, apresentaram maiorresistncia a pitting que as engrenagens de Ferro Nodular Austemperado (classe 4 ASTM).


29

CONCLUSO Exames em sees ortogonais superfcie de desgaste mostraram que, no FNA,

forma-se um grande nmero de trincas subsuperficiais, e que as trincas originam-se na matriz junto a ndulos, e crescem conectando ndulos, resultando em grande remoo de material. J na engrenagem de ao 8620 cementado, as trincas nucleiam-se junto superfcie, e seu crescimento restringe-se camada cementada, resultando no destacamento de pequenas pores de material.

O de atrito que no considerada pelo equacionamento de Hertz para o clculo das tenses de contato. HAMILTON e GOODMAN (1966) mostraram que com a presena de atrito no contato no-conforme, a posio da tenso cisalhante mxima se aproxima da superfcie com o aumento do coeficiente de atrito.

Estes resultados so importantes no sentido de abrir a possibilidade de buscar melhorias no desempenho dos FNAs, seja por alteraes na composio qumica, ou por outras rotas de tratamentos trmicos, podendo assim melhorar a sua competitividade.


30

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS Hutchings, I.M., 1992, Tribology: friction and wear of engineering materials, Edward

Arnold, Great Britain. Harding, R.A,1986, The use of austempered ductile iron for gears, Proceedings of the

2nd World Gear Congress, Paris. CARMO Denilson J. Situao e Perspectiva do ADI no Brasil, Trabalho Apresentado

no 55o Congresso da ABM, Julho de 2000. DING, Yan; RIEGER, Neville F. Spalling formation mechanism for gears, Wear Vol. 254, pp 1307-1317, 2003. Ductile Iron Data for design engineerss. Disponivel em:

- Acesso em:12 abril de 2007. Hamilton G.M. and Goodman L.E, 1966. The stress field created by a circular sliding

contact. J. Appl. Mech. 88, 371-376. WRIGHT, N.A; KUKUREKA, S.N. Wear testing and measurement techniques for

polymer composite gears. Wear, Vol 51, p.1567-1578, 2001. STACHOWIAK, G. W. BATCHELOR A. W., Engineering Tribology, 2nd

ed.(Butterworth-Heinemann, Boston, 2000) Material Property Data. Disponvel em: - Acesso em: 15

fevereiro de 2008.


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