Lubrificação de filme completo

A lubrificação de filme completo descreve uma situação na qual as superfícies do contato estão completamente separadas por um filme lubrificante, eliminando qualquer contato e pode ser hidrostática, hidrodinâmica ou elastohidrodinâmica.

2.5.1.1.1 Lubrificação Hidrostática

A lubrificação hidrostática é obtida pela introdução do lubrificante líquido ou gasoso na área de suporte de carga a uma pressão alta o suficiente para separar as superfícies com um filme relativamente espesso de lubrificante. Assim, diferentemente da lubrificação hidrodinâmica, esse tipo de lubrificação não requer o movimento relativo de uma superfície em relação à outra (SHIGLEY, 1984).

2.5.1.1.2 Lubrificação Hidrodinâmica

Na lubrificação hidrodinâmica as superfícies de contato encontram-se separadas por um filme relativamente espesso de lubrificante a fim de prevenir o contato metal-metal. Tal lubrificação não depende da introdução de lubrificante pressurizado, mas requer um suprimento constante de lubrificante. A pressão de filme é criada pela superfície em movimento puxando o lubrificante para a zona em forma de cunha a uma velocidade suficientemente alta para criar a pressão necessária para separar as superfícies contra a carga atuante no contato (SHIGLEY, 1984).

Para que ocorra lubrificação puramente hidrodinâmica, as superfícies opostas devem ser conformes, isto é, estas devem ser geometricamente semelhantes, de forma que serão separadas somente por um pequeno espaço o qual será preenchido pelo lubrificante (HUTCHINGS, 1992).

As variáveis e parâmetros envolvidos na lubrificação hidrodinâmica podem ser expressas matematicamente através da equação de Reynolds, a qual é derivada das equações de equilíbrio e movimento fluido de Navier-Stokes, assumindo um escoamento laminar, uma espessura de filme pequena comparada com as outras dimensões e assumindo que as forças principais são devidas à viscosidade do lubrificante (HUTCHINGS, 1992).

Existem duas condições necessárias para a ocorrência de filmes hidrodinâmicos: i/ as superfícies em contato devem apresentar movimento relativo, com velocidade suficiente para que o filme lubrificante possa se estabelecer; ii/ as superfícies devem apresentar inclinação entre si para que as pressões formadas possam garantir a separação das superfícies. Porém, existem exceções onde mesmo em superfícies paralelas (mancal em degrau de Rayleigh), filmes hidrodinâmicos podem ser formados (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2005). A quantidade de ângulo necessária para criar uma força de sustentação é surpreendentemente pequena. Um intervalo típico de entrada h_max pode ser de 25

m

µ e o intervalo de saída hmin, 12,5 mµ . A inclinação é, então, cerca de 26 segundos de um arco. Isso é equivalente a cerca de 3 cm de elevação sobre um campo de futebol de 275 m (NORTON, 2004).

Figura 31 – Formação de filme hidrodinâmico. Fonte: STACHOWIAK, BATCHELOR, 2005.

Supõe-se que a superfície inferior da Figura 31, coberta de lubrificante, se mova com velocidade U e que a superfície superior seja inclinada em relação à superfície inferior. Conforme a superfície inferior se movimenta, o lubrificante é arrastado para o interior da cunha e um campo de pressão é formado. Para que a vazão de entrada possa ser igual à vazão de saída, na entrada da cunha, o aumento de pressão restringe o fluxo de entrada de lubrificante e, na saída da cunha, a queda de pressão aumenta o fluxo de saída do lubrificante. Dessa forma, o gradiente de pressão formado leva ao perfil de velocidade apresentado na Figura 31. A pressão gerada separa as superfícies e é suficientemente capaz de suportar certos níveis de carga (STACHOWIAK e BATCHELOR, 2005).

Rayleigh desenvolveu uma maneira para que filmes de lubrificante pudessem ser formados mesmo entre placas paralelas, para tal, superfícies com degrau, conforme apresentado na Figura 32, foram utilizadas.

Figura 32 – Mancal em degrau desenvolvido por Reyleigh. Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2005.

As condições de entrada e de saída são definidas pelas espessuras de filme

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h e h , respectivamente. Nesse contato, as superfícies estão paralelas à superfície ₀ em movimento.

Baseado no mancal de placas inclinadas e no mancal em degrau de Rayleigh, outras geometrias podem ser desenvolvidas para garantir o filme hidrodinâmico na superfície em contato. Como exemplo, tem-se o mancal com cunha cônica e o mancal de cunha parabólica, onde o último é comumente encontrado no contato entre anéis e camisa em motores de combustão interna.

Figura 33 – Mancal de cunha cônica. Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2005.

Conforme mencionado anteriormente, é esperado que o contato entre os anéis e a camisa de motores de combustão interna apresente um regime de lubrificação hidrodinâmico. Nos anéis de pistão, o comprimento circunferencial é muito maior do que qualquer outra dimensão, assim o modelo de mancal infinito de cunha parabólica pode ser aplicado para determinação dos parâmetros envolvidos nesse contato.

O mancal em cunha parabólica é apresentado na Figura 34.

Figura 34 – Mancal em cunha parabólica. Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2005.

A Figura 35 apresenta a aplicação do mancal parabólico em anéis de pistão e também um esboço da distribuição de pressão nessa aplicação.

Figura 35 – Mancal parabólico em aplicações de anéis de pistão. Fonte: STACHOWIAK e BATCHELOR, 2005.

2.5.1.1.3 Lubrificação Elastohidrodinâmica (EHD)

Quando as superfícies dos contatos são não-conformes, como ocorre entre os dentes de engrenagem ou cames, é mais difícil a formação de um filme completo de lubrificante, pois as superfícies não-conformes tendem a expulsar o fluido ao invés de mantê-lo no contato. Nessas situações, em baixas velocidades, os contatos estarão em condição de contorno e podem resultar altas taxas de desgaste. No entanto, devido a deformações elásticas como consequência das altas pressões nos pontos de contato (pressões de Hertz), pode haver o surgimento de áreas muito pequenas de contato com tamanho suficiente para a formação de um filme hidrodinâmico completo se a velocidade relativa de escorregamento for suficientemente alta. Essa condição é denominada lubrificação elastohidrodinâmica (EHD) e recebe esse nome porque depende das deflexões elásticas das superfícies e pelo fato de que pressões muito elevadas (100 a 500 kpsi) dentro da zona de contato aumentam muito a viscosidade do fluido (NORTON, 2004).

É importante destacar que no regime elastohidrodinâmico não existe nenhuma forma de contato de asperezas, ou seja, as superfícies permanecem completamente separadas, assim como o que ocorre no regime hidrodinâmico. Neste sentido, o regime elastohidrodinâmico pode ser interpretado como sendo um caso limite do regime hidrodinâmico (PROFITO, 2010).

Conforme mencionado, o contato entre pistões e camisa é do tipo conforme, sendo assim, o regime de lubrificação esperado é o hidrodinâmico. Porém, em algumas situações de contato entre anéis e camisa, a condição elastohidrodinâmica pode ser encontrada. Nessa condição as deformações elásticas são pequenas e podem ser desconsideradas, mas as pressões do filme de óleo são suficientemente altas para elevar consideravelmente a viscosidade do lubrificante no contato.