Lista de Exercícios 03 - Lubrificação - Respondida - Marcos

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS TRIBOLOGIA Lista de Exercícios 03 - Lubrificação PUC Minas Prof. Wederley M. Miranda Nome do Aluno(a) 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 da posse pública que você conhece. Compare as viscosidades e alguma outra propriedade 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 3,0 pontos Tribologia Prof.: Wederley M. Miranda Lista de Exercícios 03 - Lubrificação 1. Dos lubrificantes possuem várias funções em um sistema, nas quais 4 principais que se pode citar são: * Reduzir o atrito entre os componentes. * Disipar o calor gerado pelo sistema (quando o lubrificante não é a graxa), reduzindo a temperatura. * Proteger a superfície do material, evitanto que a oxidação ocorra nessa superfície. * Remoção de particulas e contaminantes, evitando a formação de borras, lacas e vernizes, através do movimento do fluido. * Diminur as áreas das superfícies de contato, o que vai 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 hidraulico * Amortecimento de choques, transferindo a energia mecânica para a energia fluída (como nos amortecedores dos automóveis) e amortecendo o choque dos dentes da engrenagens. * Vedação, impedindo a saida de lubricantes e a entrada de particulas estranhas (função das graxas), e impedindo a entrada de outros fluidos ou gases (função dos óleos nos cilíndros de motores ou compressores). 2. A lubrificação hidrodinâmica ocorre quando o filme de fluído se desenvolve entre as superfícies em virtude do proprio 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 (fluido, gracs, 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 a 0,03, dependendo da viscosidade, das superfícies em contato, da velocidade relativa, da área, das propriedades, da espessura do filme fluído, da forma geométrica das superfícies e da carga exercida sobre o filme fluído, que exige que as superfícies não sejam paralelas, e a separação dessas superfícies é função da viscosidade de. Figura 1: Bloco sustentado pela pressão hidrodinâmica do lubrificante. Distribuição de pressão Figura 2: Lubrificação de um mancal. Lubrificação elasto-hidrodinâmica - Este regime de lubrificação ocorre usualmente em superfícies de contatos não-conformes, e é caracterizado por deformações elásticas significativas das superfícies. Tais deformações tendem a aumentar 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 separadas assim como ocorre no regime hidrodinâmico. Neste sentido, o regime elasto-hidrodinâmico pode ser interpretado como sendo um caso limite do regime hidrodinâmico. Figura 3: Contato entre uma esfera e um plano sob as condições de lubrificação elasto-hidrodinâmica. A distorção na esfera (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: Geometrias 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 classificar os casos de lubrificação limítrofe em quatro tipos: - Tipo 1: Lubrificação limítrofe suave, ou de baixa pressão e baixa temperatura. Exemplo: mancais de bucha sob velocidades pequenas. - Tipo 2: Lubrificação limítrofe de temperatura elevada. Exemplo: cilindros de máquinas a vapor superaquecido, motores de combustão interna para aviões. - Tipo 3: Lubrificação limítrofe de alta pressão. Exemplos: 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 limítrofe é de dez a cem vezes maior que na hidrodinâmica, elevando-se à ordem de grandeza de 0,03 a 0,1. Assume grande importância uma característica denominada obsiidade, responsável pelo fenômeno de dois óleos de mesma viscosidade apresentarem diferenças de comportamento no tocante à resistência da película lubrificante. Figura 5: O mecanismo de operação de uma lubrificação limítrofe. Grupos terminais polares nas cadeias de ligação de hidrocarbonetos para a superfície, proporcionando camadas de moléculas lubrificantes que reduzem o contato direto entre as asperesas. Gráfico do coeficiente de atrito em cada regime de lubrificação: 1. Lubrificação limítrofe 2. Lubrificação elasto-hidrodinâmica 3. Lubrificação hidrodinâmica (Filme completo) 4. Coeficiente de atrito Legenda: 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 a encostar na superfície. 3. De acordo com a ASTM (American Society for Testing and Materials), temos as seguintes definições: - Viscosidade Absoluta (dinâmica) de um líquido newtoniano é a força tangencial sobre a área unitária de um de dois planos paralelos separados de uma distância unitária cujo espaço é preenchido com o líquido e um dos planos move-se em relação ao outro com velocidade unitária no seu próprio plano. A viscosidade dinâmica, ou absoluta, é geralmente reportada pela unidade Poise (P) que tem as dimensões gramas por centimetro por segundo ou centipoise (cP) que é igual a 0,01P. No sistema SI, utiliza-se o segundo Pascal (Pa·s) que corresponde a 10P. cP=10^-3 Pa.s. - Viscosidade Cinermática de um líquido newtoniano é o quociente da viscosidade dinâmica ou absoluta dividida pela densidade, μ/ρ, ambos à mesma temperatura. A unidade da viscosidade cinemática, v, mais utilizada, é o stoke, que tem as dimensões centimetros quadrados por segundo. É prática comum na indústria do petróleo exprimir a viscosidade cinemática em centistokes (cSt). Um stoke equivale a 100 cSt. No sistema SI temos o milimetro quadrado/segundo (mm^2/s), 1 mm^2/s = 1 cSt. 1 N s/m² = 10 poise = 1000 mili Pa.s 1 m²/s = 1×10^4 cm²/s = 1×10^4 stokes = 1×10^6 centistokes 4. Em algumas condições, é mais adequado utilizar os óleos sintéticos do que os minerais, como: - Condições em que se tenha uma grande diferença de temperatura. - Condições de inflamabilidade. - Condições em que se deseja obter menor atrito no funcionamento do sistema. 5. O índice de viscosidade (IV) de um óleo é um valor empírico que estabelece uma relação entre a variação que a viscosidade sofre com a alteração da temperatura. A viscosidade de todos os óleos diminui com o aumento da temperatura, mas a dos óleos com alto IV não varia tanto como a dos óleos que têm baixo IV, ou seja, um óleo que possui grande IV possui pequena variação da viscosidade com a temperatura. A maioria dos lubrificantes comerciais possuem o IV ≈ 100. Gráfico do índice de viscosidade - IV. (Velocidade cinemática) Temperatura - A variação da viscosidade cinemática com a temperatura para dois óleos minerais. O óleo A tem um alto índice de viscosidade que é maior que o do óleo B. 6.a) Óleo 15W-40 - Viscosidade máxima a -20°C = 1000 mPa.s - Viscosidade mínima a 150°C = 3,5 mPa.s b) Óleo 5W-40 - Viscosidade máxima a -20°C = 6600 mPa.s - Viscosidade mínima a 150°C = 3,5 mPa.s 7. A estabilidade de um lubrificante é afetada pelo ambiente no qual está operando, ou seja, fatores externos que influenciam diretamente o desempenho do óleo tais como temperatura, promotores de oxidação, contaminação com a água, fragmentos de combustível e ácidos corrosivos limitam a vida útil do lubrificante. Algumas características como a volatilidade do óleo e nas condições de operação dependem exclusivamente da base lubrificante escolhida, e não podem ser modificadas com outras substâncias. Portanto, muitas outras propriedades são melhoradas e até introduzidas ou mesmo suprimidas à base escolhida através de aditivos. Os aditivos são, portanto, compostos químicos que, adicionados aos óleos básicos, reforçam algumas de suas qualidades ou lhes cedem novas ou eliminam propriedades indesejáveis. 8. A graxa é uma combinação de um fluido com um es- peciante, resultando em um produto homogêneo com qua- lidades lubrificantes, sua consistência pode variar desde o estado semi fluido até o sólido. A ASTM, nas suas definições - padrão (D - 288-61), considera graxa lubrificante, um produto de sólido e semi- fluido proveniente da dispersão de uma agente engrossa- dor em um líquido lubrificante. Graxa = engrossador + 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 ex., o caso de rolamentos. * Não escorre facilmente como o óleo, sendo emprega- do nos pontos em que os óleos não sejam eficazes, em virtude da sua tendência natural a escorrer, por mais vis- cosos que sejam. Com isso, a graxa pode ser utilizada em sistemas abertos, como a transmissão de um portão elé- trico por engrenagem e cremalheira. * A graxa reduz a vibração do sistema. * Deixa uma camada de lubrificante para sistemas que tem a partida a frio. * Produz 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.