AVALIAÇÃO DO PERÍODO DE AMACIAMENTO DE CILINDROS DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA EM ENSAIO DE BANCADA DINAMOMÉTRICA POR MEIO
DA RUGOSIDADE DE SUPERFÍCIE
Raimundo Ferreira Matos Jr.
Av. Renault, 1300 - raimundo.f.mattos@renault.com
Renault do Brasil SA Giuseppe Pintaude
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
RESUMO
Este trabalho visa avaliar parâmetros de rugosidade que melhor indiquem a condição inicial do cilindro de motores a combustão interna resultante do processo de brunimento com o emprego da usinagem clássica seguida de um acabamento de platô, bem como a evolução do desgaste do cilindro no inicio de seu funcionamento. Os perfis de rugosidade foram coletados após o processo de usinagem e ao termino de duas condições de ensaio. O equipamento utilizado para coleta dos dados é um rugosímetro com apalpador de diamante de raio de ponta 2 µm. Os resultados obtidos são analisados mediante um programa dedicado para análise de perfis de rugosidade - TALY PROFILE, versão 3.1.10, sendo indicado quais parâmetros expressam de forma mais significativa as mudanças existentes de uma etapa para outra no ciclo de ensaio considerado.
1. INTRODUÇÃO
O conjunto “pistão, anel e cilindro” é considerado o mais importante sistema tribológico em um motor de combustão interna. O acabamento da superfície do cilindro é o mais importante fator que afeta o atrito, desgaste e lubrificação das superfícies deslizantes contidas no cilindro. [1]
A maior parte das perdas por atrito (em torno de 40%) é originada pelo contato entre o anel e o cilindro, sendo que uma pequena fração é representada pelo contato saia do pistão e cilindro. [2]
A durabilidade de um sistema mecânico depende fortemente da espessura mínima de filme de óleo lubrificante que separa as superfícies móveis. A maioria dos componentes mecânicos móveis são de alguma forma lubrificados, pouco ou nenhum desgaste ocorre se a espessura do filme lubrificante é grande o bastante para separar completamente as duas superfícies em movimento. Essa condição, entretanto, nem sempre é possível: máquinas são ligadas e desligadas, restrições de tamanho, acessibilidade e/ou de consumo de lubrificante impedem o fornecimento ideal de lubrificante a regiões de contato. Em alguns sistemas o contato entre as asperezas pouco freqüente e suave é até desejável para promover um amaciamento das superfícies. [3]
A superfície do cilindro e uma superfície de múltiplos processos. A primeira etapa consiste de um brunimento que garanta a cilindricidade correta e produza grandes vales na superfície (acima de 10µm de profundidade). A segunda etapa, por sua vez, consiste de um acabamento fino, também chamado de brunimento de platô, e gera uma superfície relativamente lisa para os platôs. [4].
A estrutura microgeométrica da superfície do cilindro e o principal fator que afeta as propriedades no período inicial da vida do motor. Os defeitos geométricos da superfície são a rugosidade, ondulação e o erro de forma. A ondulação e o erro de forma são intrínsecos a função normal da superfície e todas as precauções para minimiza-los devem ser tomadas. Na ausência de ondulação e erro de forma, somente a rugosidade tem influencia no período de amaciamento.
A redução da rugosidade proporciona aumento da resistência ao desgaste. Todavia, as melhoras nos processos de fabricação do motor, levam a maior tendência ao engripamento da superfície lisa do cilindro. Somente superfícies rugosas têm capacidade de suportar grandes carregamentos. Contudo, o aumento da rugosidade da
superfície do cilindro e prejudicial, proporcionando o aumento do consumo de óleo e o desgaste excessivo do anel. [5]
O presente artigo descreve a condição de acabamento da superfície do cilindro com base nas interpretações dos perfis obtidos por meio de um rugosimetro e aplicação e comparação de parâmetros de rugosidade, com o objetivo de definir a diferença entre a superfície após processo de fabricação e superfície que sofreu um processo de amaciamento, ou seja, desgaste inicial da superfície quando do componente em utilização normal.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O componente avaliado foi um bloco do motor de ferro fundido cinzento de grafita lamelar GL04, com valor de dureza média de 255 HB, produzido pela Fundição Tupy S/A. A Tabela 1 apresenta a composição química média.
Tabela 1 - Composição química do ferro fundido lamelar GL04 (% em massa)
C Si Mn S P Cr Sn Cu Ni Mo
GL04 3,1 1,9 0,5 < < 0,25 < < < < 3,5 2,4 0,9 0,15 0,12 0,35 0,15 0,6 0,2 0,1
O Bloco do motor sofreu processo de usinagem de brunimento, composto de etapa de desgaste com maior remoção de material dado por uma maior granulométrica da ferramenta de corte e uma segunda etapa de acabamento também conhecida como brunimento de Platô (Figura 1), que apresenta pequena remoção de material e característica de remover os maiores picos do perfil. O resultado final da superfície após o processo de usinagem é considerado a condição inicial do perfil de rugosidade, ou seja, superfície zero hora.
Figura 1 – Formação do Brunimento de platô, a (esquerda) operação de desbaste e a (direita) operação de acabamento.
A segunda e terceira condição da superfície do cilindro, ou seja, a condição de superfície amaciada e superfície em condição de trabalho normal foram obtidas através
da realização de dois ciclos de ensaio em banco motor do Fabricante AVL modelo AFA160 com capacidade para 160KW de potência e torque máximo de 380Nm. O motor e acoplado ao dinamômetro, responsável por impor uma determinada resistência ao motor a combustão interna. O primeiro ensaio simula a fase inicial de desgaste da superfície com duração de aproximadamente 12 horas. O clico inicia em rotação de marcha lenta chegando até a rotação de potência do motor e aceleração de 100%. O funcionamento do motor e identificado como estável, ou seja, cada ponto de funcionamento possui duração de 30 minutos e os parâmetros do motor são controlados pelo sistema de automação evitando variações de temperatura do líquido refrigerante, rotação do motor, carga entre outros.
O segundo ensaio consiste em manter o motor em rotação de potencia máxima e 100% de aceleração em um intervalo de 50 horas.
As amostras de perfis de rugosidade foram coletadas na região que apresenta maior desgaste, que é identificada como a região de apoio para descida do conjunto pistão e anéis na fase de expansão da mistura combustível. Durante esta fase, a pressão sobre o pistão atinge o valor máximo de aproximadamente 70bar, e é reduzida à medida que o volume da câmara de combustão aumenta.
Foram realizadas 5 medições de rugosidade em cada cilindro considerando um motor de 4 cilindros totalizando 20 medições para cada fase de análise. Os perfis de rugosidade dos cilindros foram adquiridos utilizando um rugosímetro modelo Perthometer Concept PGK do fabricante Mahr com apalpadro MFW – 250. O perfil obtido em cada medição, foi analisado mediante a utilização de um software específico para perfis de rugosidade (TALY PROFILE®, versão 3.1.10)
O sistema tribológico está representado na Figura 2 e descreve a interação entre o cilindro do motor a combustão interna e o conjunto pistão e anéis, o movimento do e alternado e a carga sobre a superfície do cilindro e legada diretamente a pressão de combustão e a decomposição dos esforços entre carga aplicada sobre a superfície e carga sobre a biela.
Figura 2 - Descrição do Sistema tribológico.
Nos cilindros os perfis de rugosidade foram determinados no sentido axial, conforme ilustrado na Figura 3. Para cada cilindro os valores médios correspondem a cinco medidas de rugosidade.
Sentido de medição da rugosidade
figura 3 - Sentido de medição da rugosidade nos cilindros
Foi utilizado um comprimento amostral de 4 mm. A rotina de tratamento do perfil bruto incluiu a remoção do erro de forma da superfície e a aplicação de um filtro gaussiano com cut-off de 0,8 mm para a remoção da ondulação do perfil de rugosidade. Com esta rotina, foram determinados os parâmetros Ra (rugosidade média
aritmética), Rq (rugosidade média quadrática), Rt (Rugosidade total do perfil de rugosidade) Rp (altura média de picos) e Rpc (densidade de picos). Além disso, a curva de Abott-Firestone e os parâmetros Rk, Rvk e Rpk também foram determinados, utilizando-se como referência a norma ISO 13565-2 / DIN 4776.
O parâmetro Rpk indica o valor da rugosidade média dos picos que estão acima da área de contato mínima do perfil. São esses picos que serão desgastados nos períodos iniciais de funcionamento do motor (período de running ou amaciamento). O parâmetro Rk indica a rugosidade média do núcleo do perfil. Este parâmetro indica a região (critério) de funcionamento do motor. O parâmetro Rvk indica o valor da rugosidade média dos vales abaixo da área de contato mínima do perfil. Este parâmetro indica a região de retenção de óleo do perfil.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A superfície do cilindro é considerada como o material de menor dureza do sistema tribológico, contudo devido a sua grande área em relação à área do anel apresenta pouco desgaste mesmo após algumas horas de ensaio. A aplicação de superfícies platafórmicas, ou seja, brunimento de platô e a definição dos parâmetros mais adequados para descrevê-las no uso em cilindro de motores a combustão interna foram estudadas por Pawlus.[1] Para tal análise são definidos os parâmetros:
• Coeficiente de vazio [Rp/Rk]. Pode ser presumido que o valor de desgaste linear do cilindro pode ser proporcional ao coeficiente de vazio.
• Profundidade central normalizada [Rk/Rt]
• Parâmetro de altura [Rtm]
Tomanik afirma que a caracterização da superfície do cilindro de motores a gasolina em seu grande volume possui valores de Rq igual a 0,7 e Rpk igual a 0,3 aproximadamente. As superfícies possuem também a característica de apresentarem grandes vales o que representa o valor do parâmetro Rsk negativo. Na medida em que o desgaste aumenta e a quantidade de picos diminui a superfície concentra cada vez mais a área de contato na região superior do perfil resultando em um valor de Rsk de aproximadamente – 7,29 após 62horas de ensaio. Da mesma forma o parâmetro Rku é influenciado pela evolução do desgaste reduzindo a dispersão da área de contato e aumentando seu valor da ordem de 11 para 58. As alterações da concentração da dispersão da área de contato e o deslocamento para a superfície podem ser
identificados através do valor de Rk (Tabela 02) ou pela inclinação da curva de Abbott Fireston (Figura 05) ou então diretamente pelo histograma da área do perfil.
3.1 Região de análise da topografia de superfície do brunimento:
A região selecionada para a extração do perfil de rugosidade conforme citado anteriormente está localizada na região de maior pressão do conjunto pistão e anéis sendo identificada conforme representação da Figura 04.
Figura 4 - Representação da região de medição
3.2 Análise da curva Abbott Fireston.
Pawlus [1] afirma que a ação de alisamento da superfície e mais significativa que a ação de criação de novas inrregularidades. Portanto a densidade de picos da superfície diminui com o aumento do desgate da superfície. A Figura05 representa a evolução dos perfis de rugosidade para cada condição de análise com a representação da curva de Abbott Firestone.
A (Figura 05 a) representa a superfície inicial após processo de usinagem. A (Figura 05 b) corresponde a ciclo de ensaio de 12 horas visando atingir a condição de amaciamento descrita no texto. A (Figura 05 c) representa a condição da superfície amaciada somados 50 horas de ensaio.
É possível identificar o desgaste da fase conhecida como Rpk, responsável por dimensionar a região dita como fase de inicial da vida do motor e a alteração da distribuição da área do perfil com a redução do parâmetro Rk. Apenas o critério Rvk,
responsável por manter a lubrificação do perfil não sofreu alteração demonstrando o baixo desgaste da superfície.
Figura 5 - Curvas de Abbot Firestone a) Condição da superfície usinada (zero hora) b) Condição de superfície após 12 horas de ciclo c) Condição da superfície com 62 horas de ciclo
A Tabela 2 representa a condição de cada superfície considerando 20 medições para cada caracterização e um exemplo de perfil de rugosidade que se assemelha aos valores médios de cada condição de ensaio. O parâmetro mais importante e associado diretamente ao desgaste da superfície e o coeficiente de vazio Rp/Rk, o qual a partir dos dados indicados na Tabela 2 revela a evolução do desgaste. Contudo o coeficiente apresenta redução importante entre a fase de amaciamento e a fase após amaciamento descrevendo que a condição considerada como fase de amaciamento não apresenta realmente um perfil estável, ou seja, superfície que pode sofrer modificações importantes em seu perfil de rugosidade.
Superfície usinada Superfície amaciada 12h Superfície após + 50h Média Desvio Padrão Mediana Exepl Média Desvio Padrão Mediana Exepl Média Desvio Padrão Mediana Exepl Ra 0,55 0,072 0,571 0,54 0,494 0,053 0,5 0,497 0,227 0,087 0,241 0,333 Rq 0,79 0,100 0,788 0,77 0,711 0,064 0,704 0,72 0,413 0,116 0,372 0,578 Rp 1,37 0,135 1,33 1,31 0,709 0,084 0,717 0,689 0,423 0,105 0,402 0,608 Rt 11,3 7,987 7,89 7,65 7,634 1,660 7,65 7,55 7,67 3,297 7,84 8,54 Rsk -4,86 5,157 -2,8 -2,32 3,078- 1,001 -2,82 -2,99 -13,3 11,289 -7,46 -7,29 Rku 60 96,158 15,3 11,10 17,47 11,083 13,45 14,9 231,2 296,015 59,9 58,5 RPc 9,9 1,663 10,4 10,20 4,456 1,464 5,13 3,88 0,506 0,404 0,329 1,05 Rvo - - - 9,54 e-6 - - - 4,94 e-7 - - - 3,41 e-6 Rk 1,16 0,213 1,095 1,09 0,566 0,069 0,565 0,533 0,421 0,080 0,435 0,442 Rpk 0,38 0,038 0,381 0,34 0,162 0,016 0,163 0,159 0,115 0,025 0,122 0,114 Rvk 1,94 0,287 1,85 1,88 1,95 0,236 1,91 2,07 1,158 0,478 0,904 1,84 Rk/Rt 0,1 0,139 0,074 0,074 0,055 0,055 Rp/Rt 0,12 0,169 0,093 0,094 0,055 0,051 4. CONCLUSÕES
1- A caracterização da superfície zero hora apresenta valores coerentes em comparação ao grande volume de motores europeus produzidos e caracterizados na literatura Tomanik [6]
2- É possível evidenciar a evolução da fase de amaciamento através do cálculo do coeficiente de vazio Pawlus [1], porem devido a valores de desgaste muito pequenos alguns parâmetros não apresentam estabilidade na evolução da fase. 3- Não foi possível evidenciar evolução entre as fases de análise da superfície para o parâmetro de seguimento da altura do perfil indicado na literatura Rtm. 4- É possível utilizar os parâmetros Rsk e Rku conforme descrito no texto para seguir a evolução do desgaste de superfícies brunidas.
5. AGRADECIMENTOS
6. REFERÊNCIA
[1] Pawel Pawlus, 1997, “Change of cylinder surface topography in initial stage of
engine life”, Wear, Vol. 209, pp. 69-83.
[2] Simon C. Tung , Michael L. McMillan. Automotive tribology overview of current
advances and challenges for the future, Tribology International 37 (2004) 517–536
[3] TOMANIK, Eduardo. Cálculo de situações críticas de lubrificação em superfícies deslizantes. In: DESAFIOS, EXPECTATIVAS E EXPERIÊNCIAS NA PRODUÇÃO E
UTILIZAÇÃO DE LUBRIFICANTES: UMA ABORDAGEM COOPERATIVA, I Worshop,
2000, São Paulo. Anais. São Paulo: Escola Politécnica da USP, 2000.
[4] Etiene Decencière, Dominique Jeulin, 2001, “Morphological Decomposition of the
Surface Topography of an Internal Combustion Engine Cylinder to Characterize Wear”, Wear, Vol. 249, pp. 482-488.
[5] Pawel Pawlus 1994, “A study on the functional properties o honed cylinder
surface during running-in”, Wear, Vol 176, pp. 247-254.
[6] Tomanik Eduardo, 2000, “Modelamento do Desgaste por Deslizamento de
Motores a Combustão Interna” Tese apresentada a Escola Politécnica da
universidade de São Paulo para obtenção de título de Doutor em Engenharia Mecânica.
ANALYZE OF THE RUNNING-IN PERIOD IN THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN DYNAMOMETRIC TEST BENCH WITH SURFACE ROUGHNESS.
Raimundo Ferreira Matos Jr. Giuseppe Pintaude
ABSTRACT
This paper aims to evaluate roughness parameters that express the condition of the running-in period, relative to the wear of cylinder of an internal combustion engine. The cylinder material is a gray cast iron with plateau honing. The roughness profiles were collected after the honing process and final of the two condition ef the experiment. The equipment for roughness analysis has a profile stylus with radius of 2 µm. The obtained results were analyzed in dedicated software - TALY PROFILE, 3.1.10 version, and it was indicated the roughness parameters that express significantly the changes in a studied cycle.
