Material 01 - Tribologia
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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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Motores de Combusto Interna3
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
EXEMPLO DE DESGASTE
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TRIBOLOGIA
EXEMPLO DE ATRITO
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TRIBOLOGIA
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
Plateau Honing Slide Honing
W
ear(microns)
RingWear
LinerW
ear
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
Plateau Honing Slide Honing
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
2. Anlise de Superfcies
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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TRIBOLOGIA
2. Anlise de Superfcies
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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2. Anlise de Superfcies2.4 Deformao de Mltiplas Asperezas
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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2. Anlise de Superfcies2.4 Deformao de Mltiplas Asperezas
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
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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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
3. Desgaste3.4 Variveis que influenciam o desgaste
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. Desgaste3.4 Variveis que influenciam o desgaste
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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TRIBOLOGIA
3. Desgaste3.4 Variveis que influenciam o desgaste
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
4. Atrito4.3 Fundamentos do atrito por deslizamento
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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TRIBOLOGIA
4. Atrito4.4 Fundamentos do atrito por deslizamento
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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4. Atrito4.4 Fundamentos do atrito por deslizamento
Carga Aplicada (cont)
Efeito da presso de contato no coeficiente de atrito
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4. Atrito4.4 Fundamentos do atrito por deslizamento
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)
TRIBOLOGIA
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4. Atrito4.4 Fundamentos do atrito por deslizamento
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
TRIBOLOGIA
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TRIBOLOGIA
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
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna43
TRIBOLOGIA
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
TRIBOLOGIA
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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
5.3 Sistemas de Classificao de Viscosidade
5.3.1 Classificao SAE
5. Lubrificantes
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TRIBOLOGIA
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.
5.3 Sistemas de Classificao de Viscosidade
5.3.1 Classificao SAE
5. Lubrificantes
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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
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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TRIBOLOGIA
5. 4 Aditivos5. Lubrificantes
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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TRIBOLOGIA
5. 4 Aditivos5. Lubrificantes
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).
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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
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Motores de Combusto Interna52
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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Motores de Combusto Interna53
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
TRIBOLOGIA
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TRIBOLOGIA6. Materiais Empregados nos Motores
Camisas
Pistes
Anis
Bronzinas
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TRIBOLOGIA
Pistes
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna56
TRIBOLOGIA
PISTON FUNCTIONS
RECEIVE THERMAL ENERGY
FROM COMBUSTION
TRANSFORM PRESSURE
RECEIVED ON MECHANICAL LOAD
CHANGE HEAT WITH THE
SYSTEM
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna57
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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Motores de Combusto Interna58
O OG
Camisas
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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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Motores de Combusto Interna60
Development of Liner Materials
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna61
Bronzinas
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna62
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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Motores de Combusto Interna63
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
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna64
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
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna65
6. Materiais Empregados nos MotoresBimetallic bearing - schematic
lining material(running surface)
intermediate layer(bonding)
steel back
(stiffness)
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna66
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)
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna67
6. Materiais Empregados nos Motores
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
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna68
Anis
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna69
6. Materiais Empregados nos Motores
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
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna70
6. Materiais Empregados nos MotoresBase Material Classificao ISO
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna71
6. Materiais Empregados nos Motores
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
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna72
6. Materiais Empregados nos MotoresComparativo Resistncia ao Engripamento
Yamagata, 2005
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna73 MAHLE
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna74 MAHLE
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)
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna75 MAHLE
Engine Type Forecasts per Regions
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2006 2010 2015 2020 2025
E
N
G
I
N
E
S
H
Y
B
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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I
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RI
D
NAFTA W. EUROPE JAPAN
SI
SI
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HSD
HSD
Conventional Conventional Conventional
HybridHybrid Hybrid
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E
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I
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B
RI
D
NAFTA W. EUROPE JAPAN
SI
SI
SI
HSD
HSD
HSD
Conventional Conventional Conventional
HybridHybrid Hybrid
Source Global Insight Tiax , 2006
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna76 MAHLE
Reduced Mechanical Friction Losses
Freier, 2000
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna77
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
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
TRIBOLOGIA
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Motores de Combusto Interna78 MAHLE
VAMOS
AVALIAO???