O anel é um elemento circular elástico com elevada força de expansão e finalidade de promover a vedação dos gases da câmara de combustão, fazer o controle do filme de óleo lubrificante na parede do cilindro e servir como elemento de transmissão de calor do pistão para o cilindro.
O projeto dos anéis de pistão deve atender as seguintes exigências: - melhor vedação;
- redução do consumo de óleo; - maior resistência ao desgaste;
- redução do tempo de assentamento (amaciamento do motor); - redução de atrito.
Mais recentemente, com as legislações sobre emissões de poluentes, surgiram novos desafios em relação à performance e à durabilidade dos anéis, os quais vêm sendo superados através do aprimoramento tecnológico dos processos de fabricação e o desenvolvimento de novas alternativas de material base, coberturas e perfis dos anéis.
Os anéis fabricados em ferro fundido possuem propriedades mecânicas melhoradas devido aos elementos de liga acrescentados em sua composição, que lhes conferem elevada resistência ao desgaste e à fadiga, assim como excelentes condições de trabalho, mesmo em situações severas como temperaturas elevadas e pouca lubrificação. Por exemplo, o motor monocilíndrico, marca Tramontini, modelo
69 TR 22, com injeção direta por bomba mecânica, potência nominal de 22 cv a 1800 rpm, resfriado a água com partida elétrica, usa ferro fundido lamelar (é um ferro fundido cinzento – caracterizado por apresentar como elementos de liga fundamentais o carbono e o silício e estrutura com uma parcela relativamente grande do carbono no estado livre (grafita lamelar)), com revestimento de cromo em seus anéis (PORTE, 2011).
Os anéis fabricados em aço têm como principal característica seu alto módulo de elasticidade. Isso permite projetar anéis com alturas reduzidas, sem risco de quebra quando forem montados no canalete do pistão ou em funcionamento dentro do motor.
Pode-se classificar os materiais utilizados em 3 grandes grupos: - Ferro Fundido Cinzento;
- Ferro Fundido Nodular, caracterizado por apresentar, devido a um tratamento realizado ainda no estado líquido, carbono livre na forma de grafita esferoidal, o que confere ao material característica de boa ductilidade, donde a denominação frequente de ferro fundido dúctil.
- Aço.
Com o objetivo de minimizar os desgastes e aumentar a vida útil dos anéis, utilizam-se na face de trabalho coberturas/revestimentos com materiais mais duros e resistentes que o material dos anéis. Dentre os materiais mais usados para revestimentos dos anéis, podemos citar o cromo, o molibdênio e o enchimento de ferrox (mistura de óxido de ferro e silicato de sódio). Nos seguintes processos: cromo, cromo channel, cromo multilayer, cromo cerâmico, PVD (Physical Vapor Deposition), HVOF (High Velocity Oxigen Fuel). No tratamento superficial encontramos fosfatização, ferroxidação e estanhagem.
O cilindro tem diferenciado desgaste para distintas partes do seu diâmetro, sendo maior no ponto morto superior (PMS) no contato com o primeiro segmento (Barber & Ludema in PEREZ & MORENO, 2013), uma vez que a região sofre com as condições tribológicas mais graves, repercutindo tais situações no primeiro anel do segmento.
70 Os anéis podem ser divididos em: anel de compressão, anel raspador ou napier e anel de óleo.
Anéis de pistão, especialmente os do primeiro canal, estão sujeitos a condições tribológicas complexas e graves (PÉREZ & MORENO, 2013):
- As velocidades médias de até 20 m/s. Como o movimento é alternativo, a velocidade é variável, sendo zero nos pontos de reversão e máxima aproximadamente a meio caminho ou trajetória.
- Pressões de até 20 MPa (200 bar) na pressão dos gases de combustão em alguns motores diesel de última geração. Esta pressão varia durante os quatro tempos do motor.
- A parede do cilindro é geralmente de ferro fundido, com um acabamento de superfície típico polido (brunido).
- A rugosidade da superfície Rz é aproximadamente = 6 µm (cerca de 1,0 Ra) quando nova.
- A temperatura na parede do cilindro é de cerca de 100°C, enquanto que o primeiro segmento é da ordem de 250°C.
- Por conseguinte, a película de óleo lubrificante é na ordem de poucos mícrons no meio do curso e de apenas décimos de micrômetros, nos pontos de inversão, que é a mesma ordem que a altura das asperezas e, portanto, o regime de lubrificação de limite.
- O primeiro segmento, para motores a diesel, é de aço ou ferro fundido nodular, com um revestimento antidesgaste. Este revestimento é geralmente molibdênio, mais especificamente uma mistura de molibdênio, níquel e cromo aplicada por plasma ou é eletroliticamente depositado cromo duro.
71 desgaste por deslizamento, podendo ser considerado de moderado a severo (GARCIA, 2003; FAZAL et al., 2011b).
Os desgastes verificados em anéis de segmentos são descritos como: adesivo, adesão durante o assentamento, seguido de abrasão e corrosão durante o uso e micro-polimentos (PÉREZ & MORENO, 2013). Desgaste por deslizamento é o termo proposto pelos autores Pérez e Moreno (2013) para representar o desgaste que o anel de segmento sofre. O desgaste adesivo é associado à transformação de material entre o segmento e o cilindro. O desgaste mais severo é denominado de engripamento ou “scuffing”. Quando ocorre um desgaste suave, a superfície desgastada geralmente apresenta um aspecto polido. Se o desgaste for severo, produz partículas maiores e a superfície tem um aspecto rugoso.
É importante destacar que no estudo realizado por Felter (2007) sobre a lubrificação de anéis, utilizando simulação numérica, os resultados mostraram que, na verdade, o grau de lubrificação para um anel do pistão pode variar de totalmente inundado para uma condição de privação total desta, o que acarreta uma grande dependência da lubricidade do combustível, bem como uma acentuada exigência do anel.
Para Pérez & Moreno (2013), a pressão dos gases de combustão pode chegar a 200 bares e grande parte dessa pressão é transferida aos anéis de segmentos, sendo o primeiro o mais exigido, quer pela pressão da combustão, quer pela temperatura e, por vezes, por não receber a lubrificação de forma adequada, devido à atual legislação sobre emissões, dependendo da lubricidade do combustível para seu funcionamento. Para estes autores, o desgaste corrosivo é dominante quando o motor opera muito frio ou muito quente.
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