Lista de Exercícios 03 - Lubrificação - Respondida - Marcos

PUC Minas TRIBOLOGIA Lista de Exercícios 03 - Lubrificação Prof. Wedlerley M. Miranda 1) Liste as 4 principais funções dos lubrificantes. 2) Apresente brevemente os regimes de lubrificação hidrodinâmica, elasto-hidrodinâmica e limítrofe, e esboce um gráfico do coeficiente de atrito em cada regime, conforme a literatura específica. 3) Qual é a diferença entre viscosidade dinâmica e cinemática. Apresente as unidades no Sistema Internacional e em outros sistemas, a relação entre elas e a conversão de unidades. 4) Cite 3 condições onde os óleos minerais não são adequados, sendo necessário utilizar óleos sintéticos. 5) Qual é a diferença de comportamento entre um óleo com alto índice de viscosidade (IV) e baixo IV? Ilustre com um gráfico. 6) Os óleos multiviscosos têm uma boa fluidez a baixas temperaturas, mas também possuem uma viscosidade adequada em altas temperaturas. Consulte a tabela de graus de viscosidade SAE para óleos de motores – SAE J300 dezembro 99 (Carreteiro e Belmiro, 2006) e responda: a. Qual é a viscosidade máxima a -20°C e mínima a 150°C do óleo 15W-40? b. Qual é a viscosidade máxima a -30°C e mínima a 150°C do óleo 5W-40? 7) Para quê são adicionados aditivos nos lubrificantes? 8) O que é uma graxa e quais são suas vantagens em relação aos óleos? 9) Quais são as desvantagens das graxas em relação aos óleos? 10) Pesquise e imprima fichas técnicas de 2 óleos lubrificantes automotivos recomendados para veículos de passeio de pequeno porte você conhece. Compare as viscosidades e algumas outras propriedades dos lubrificantes. Referência adicional: CARRETEIRO, Ronald P.; BELMIRO, Pedro Nelson A. Lubrificantes & lubrificação industrial. Rio de Janeiro: Interciência, IBP, 2006. Pontifícia Universidade Católica Engenharia Mecânica - Manhã Aluno: Marcos da Rocha Silva, 30 pontos Tribologia Prof. Wedlerley M. Miranda Lista de Exercícios 03 - Lubrificação 1. Os lubrificantes possuem várias funções em um sistema, nas quais 4 principais que se pode citar são: * Reduzir o atrito entre os componentes. * Dispersar o calor gerado pelo sistema (quando o lubrificante não é a graxa), reduzindo a temperatura. * Proteger a superfície do material, evitando que a oxidação ocorra nessa superfície. * Remoção de partículas e contaminantes, evitando a formação de borra, lacas e vernizes, através do movimento do fluído. * Diminuir as áreas das superfícies de contato, que inicia gerar uma redução da origem do desgaste. Outras funções do lubrificante que poderiam ser citadas são, nas suas diversas aplicações: * Transmissão de força, funcionando como meio hidráulico transmitindo força com um mínimo de perda (sistemas hidráulicos, por exemplo). * Amortecimento de choques, transferindo a energia mecânica para a energia fluida (como nos amortecedores dos automóveis) e amortecendo o choque dos dentes de engrenagens. * Vedação, impedindo a saída de lubrificantes e a entrada de partículas estranhas (função das graxas) e impedindo a entrada de outros fluídos ou gases (função dos óleos nos cilindros de motores ou compressores). 2. A lubrificação hidrodinâmica ocorre quando o filme de fluído se desenvolve entre as superfícies em virtude do próprio movimento relativo entre as superfícies. Nestas condições as superfícies estão separadas por um filme espesso. A carga normal é suportada por uma pressão interna gerada no filme fluido (líquido, graxa, ar ou gases). A viscosidade é o fator mais importante da lubrificação hidrodinâmica. Não há, teoricamente, desgaste, uma vez que as superfícies lubrificadas nunca entram em contato. Entretanto, na prática, nunca temos lubrificação totalmente hidrodinâmica. O coeficiente de atrito situa-se entre 0,001 e 0,03, dependendo da viscosidade, das superfícies em contato, da velocidade relativa, da área da superfície, da espessura do filme fluido, da forma geométrica das superfícies e da carga exercida sobre o filme fluido, que exige que as superfícies não sejam paralelas e a separação destas superfícies é função da viscosidade de. Figura 1: Bloco sustentado pela pressão hidrodinâmica do lubrificante. Figura 2: Lubrificação de um mancal. Lubrificação elasto-hidrodinâmica: Este regime de lubri- ficação ocorre usualmente em superfícies de contatos não- conformes, e é caracterizado por deformações elásticas sig- nificativas das superfícies. Tais deformações tendem a au- mentar localmente as espessuras do filme lubrificante, contribuindo desta forma para o não contato das asperezas. É importante destacar que no regime elasto-hidrodinâmico não existe nenhuma forma de contato de asperezas ou seja, as superfícies permanecem completamente separa das, assim como ocorre no regime hidrodinâmico. Neste sentido, o regime elasto-hidrodinâmico pode ser interpreta do como sendo um caso limite do regime hidrodinâmico. Figura 3: Contato entre uma esfera e um plano sob as condi ções de lubrificação elasto-hidrodinâmica. A distorção na es fera é mostrada de forma exagerada para um entendimento mais claro, sob uma carga normal (w) combinada com o movimento de deslizamento (U). Conforme Não-conforme Figura 4: Geometrica de contato conforme e não conforme. Fonte: adaptado de (ASM Handbook - Vol. 18, 1992). Lubrificação limítrofe é aquela na qual a película de óleo é tênue. De acordo com H. Block, podemos cla sificar os casos de lubrificação limítrofe em quatro ti pos: Tipo 1: Lubrificação limítrofe suave, ou de baixa pres são e baixa temperatura. Exemplo: mancais de bu cha sob velocidades pequenas. Tipo 2: Lubrificação limítrofe de temperatura eleva da. Exemplo: cilindros de máquinas a vapor super aquecido, motores de combustão interna para avio ões. Tipo 3: Lubrificação limítrofe de alta pressão. Exem plo: mancais de rolamento. Tipo 4: Lubrificação limítrofe extrema ou de elevada temperatura e alta pressão, comumente designado por EP (extrema pressão). O valor do coeficiente de atrito na lubrificação limítro fe é de dez a cem vezes maior que na hidrodinâmica, elevando-se a ordem de grandeza de 0,03 a 0,3. Asume grande importância uma característica denominada oleosi dade, responsável pelo fenômeno de dois óleos de mesma viscosidade apresentarem diferenças de comportamento no tocante a resistência da película lubrificante. Figura 5: O mecanismo de operação de uma lubrificação limite é. Grupos terminais polares nas cadeias de ligação de hi- drocarbonetos para a superfície, proporcionando camadas de moléculas lubrificantes que reduzem o contato direto entre as asperezas. Gráfico do coeficiente de atrito em cada regime de lubrificação: Legendas: 1 - Separação mínima entre a superfície. 2 - Deformação elástica. Média separação entre as superfícies. 3 - Grande separação entre as superfícies. 4 - Atrito começa a cair. Obs.: Na lubrificação limítrofe, pode chegar até encostar na superfície. 3. De acordo com a ASTM (American Society for Testing and Materials), temos as seguintes definicoes: * Viscosidade Absoluta (dinamica) de um liquido newtoniano e a forca tangencial sobre a area unitaria de um de dois planos paralelos separados de uma distancia unitaria que o espaco e preenchido com o liquido e um dos planos move-se em relacao ao outro com velocidade unitaria no seu proprio plano. A viscosidade dinamica, ou absoluta, e geralmente reportada pela unidade Poise (P) que tem as dimensoes gramas por centimetro por segundo ou centipoise (cP) que e igual a 0,01P. No sistema SI, utiliza-se o segundo - Pascal (Pa.s) que corresponde a 10P. 1N/m² = 1/10⁵P = 10 Poise = 1000 mili Pa.s * Viscosidade Cinematica de um liquido newtoniano e o quociente da viscosidade dinamica ou absoluta dividida pela densidade, M/p, ambos a mesma temperatura. A unidade da viscosidade cinematica, e mais utilizada, e o Stoke, que tem as dimensoes centimetros quadrados por segundo e e pratica comum na industria do petroleo exprimir a viscosidade cinematica em centiStokes (cSt). Um Stoke equivale a 100 cSt. No sistema SI temos o milimetro quadrado/segundo (mm²/s). 1mm²/s ≈ 1 cSt. 1m²/s = 1x10⁴cm²/s = 1x10⁴ Stokes = 1x10⁶ centiStokes 4. Em algumas condicoes, e mais adequado utilizar os oleos sinteticos do que os minerais, como: * Condicoes em que se tenha uma grande diferenca de temperatura. * Condicoes de inflamabilidade. * Condicoes em que se deseja obter menor atrito no funcionamento do sistema. 5. O indice de viscosidade (IV) de um oleo e um valor empirico que estabelece uma relacao entre a variacao que a viscosidade sofre com a alteracao da temperatura. A viscosidade de todos os oleos diminui com o aumento da temperatura, mas a dos oleos com alto IV nao varia tanto como a dos oleos que tem baixo IV, ou seja, um oleo que possui grande IV possui pequena variacao da viscosidade com a temperatura. A maioria dos lubrificantes comerciais possuem o IV ≈ 100. Grafico do indice de viscosidade - IV. 6.a) Oleo 15w-40 * Viscosidade maxima a -20°C = 1000 mPa.s. * Viscosidade minima a 150°C = 3,5 mPa.s. b) Oleo 5w-40 * Viscosidade maxima a -30°C = 6600 mPa.s. * Viscosidade minima a 150°C = 3,5 mPa.s. 7. A estabilidade de um lubrificante e afetada pelo ambinte no qual esta operando, ou seja, fatores externos que influenciam diretamente o desempenho do oleo tais como temperatura, promotores de oxidacao, contaminacao com a agua, fragmentos de combustivel e acidos corrosivos limitam a vida util do lubrificante. Algumas caracteristicas, como a volatilidade do oleo nas condicoes de operacao de{ podem exclusivamente da base lubrificante escolhida, e} nao podem ser modificadas com outras substancias, entre tanto, muitas outras propriedades sao melhoradas e ate introduzidas ou mesmo suprimidas a base escolhida atraves de aditivos. Os aditivos sao, portanto, compostos quimicos que, adicionados aos oleos basicos, reforcam algumas de suas qualidades ou lhes cedem novas ou eliminam propriedades indesejaveis. 8. A graxa é uma combinação de um fluido com um espessante, resultando em um produto homogêneo com qualidades lubrificantes, sua consistência pode variar desde o estado semi fluido até o sólido. A ASTM, nas suas definições, padrão (D-288-64), considera graxa lubrificante, um produto de sólido e semi fluido proveniente da dispersão de um agente espessador em um líquido lubrificante. Graxa = espessador + líquido lubrificante + aditivos. Dentre as vantagens do uso das graxas em relação aos óleos, pode-se citar: * Quando é conveniente formar uma cela protetora (vedação), evitando a entrada de contaminantes, como é, por exemplo, o caso de rolamentos. * Não escorra facilmente como óleos, sendo emprega dos nos pontos em que os óleos não seriam eficientes, em virtude de sua tendencia natural a escorrer, por mais vis coças que sejam. Com isso, a graxa pode ser utilizada em sistemas abertos, como a transmissão de um portão elétrico por engrenagem e cremalheira. * A graxa reduz a vibração do sistema. * Deixa uma camada de lubrificante para sistemas que tem a partida a frio. * Possui o mínimo de vazamento. * Permite a operação do sistema em várias posições. * Requer aplicações menos frequentes. * Baixo consumo. * Resiste à ação de remoção proveniente da força centrífuga.