UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS DE CURITIBA
DEPARTAMENTO DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA E DE MATERIAIS - PPGEM
RAIMUNDO FERREIRA MATOS JUNIOR
ANÁLISE TOPOGRÁFICA DA SUPERFÍCIE DE
CILINDRO DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA
CURITIBA FEVEREIRO - 2009
ANÁLISE TOPOGRÁFICA DA SUPERFÍCIE DE
CILINDRO DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA
Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia,
do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica e de Materiais, Área de Concentração em Engenharia de materiais, do Departamento de Pesquisa e Pós-Graduação, do Campus de Curitiba, da UTFPR.
Orientador: Prof. Giuseppe Pintaúde, Dr.
CURITIBA FEVEREIRO - 2009
RAIMUNDO FERREIRA MATOS JUNIOR
ANÁLISE TOPOGRÁFICA DA SUPERFÍCIE DE
CILINDRO DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA
Esta Dissertação foi julgada para a obtenção do título de mestre em engenharia, área de concentração em engenharia de materiais, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais.
_________________________________ Prof. Giuseppe Pintaúde, Dr. Eng.
Coordenador de Curso
Banca Examinadora
______________________________ ______________________________
Prof. Giuseppe Pintaúde, Dr. Eng. Prof. Carlos H. da Silva, Dr. Eng.
(UTFPR) (UTFPR)
______________________________ ______________________________
Prof. Livia Mari Assis, D.Sc. Prof. Márcia Marie Maru, Dr. Eng.
(UTFPR) (Inmetro)
A Deus.
Aos meus pais, Raimundo e Marlene, que me apoiaram em todas as etapas da vida e são meus exemplos de luta, por seus objetivos.
Ao meu amor, Priscila, que me faz completo a cada dia.
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Prof. Giuseppe Pintaúde pela orientação, em especial pela paciência e por acreditar em nossa parceria me encorajando a prosseguir.
Aos professores e amigos Julio Klein e Paulo Borges, pela convivência desde as primeiras aulas do curso de Tecnologia em Mecânica e pelo incentivo e a ajuda no desenvolvimento deste trabalho.
Ao professor Carlos Henrique, por acreditar em meu potencial e pelo incentivo. Agradeço ao amigo Cristiano Brunetti, por toda a disponibilidade e vontade em discutir os diferentes assuntos e principalmente pela convivência.
Aos amigos Mario Vitor e Euclides, pelo convívio e troca de conhecimento. Ao amigo Erlon Fogaça, pelos momentos de compreensão e motivação.
Aos Supervisores Dominique Farges, Luciano Faggion, por todo o incentivo e por acreditarem em meu potencial.
Ao amigo e colega Clovis Nakashima, por acreditar no meu futuro como profissional e pela compreensão e ajuda.
Ao amigo Gustavo Volci, por disponibilizar os recursos necessário para os ensaios e pelas discussões que contribuíram para este trabalho.
Ao amigo Fábio Kupchak, pela ajuda e disponibilidade em realizar os ensaios. Ao engenheiro Amy Marquezin, por permitir utilizar suas vagas de ensaio para realização deste trabalho.
Aos colegas Antônio Carlos e José Bernardes, pelas horas de trabalho sobre o motor.
Ao colega José Adão Reis, pela disponibilidade do laboratório de metrologia. Ao laboratório de materiais (DIMAT) – Renault, por permitir a utilização das instalações para a caracterização dos materiais.
“Aventure-se, pois da mais insignificante pista surgiu toda riqueza que o homem já conheceu" (MASEFIELD, John).
MATOS Jr., Raimundo Ferreira, Análise Topográfica da Superfície de Cilindros de Motores a Combustão Interna, 2008, Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 65p.
RESUMO
Em busca do desenvolvimento de seus produtos a indústria automobilística, em particular na produção de motores, procura constantemente desenvolver novos componentes para atender o avanço tecnológico. Para os motores a combustão interna de quatro tempos cerca de 10 a 15% da energia resultante da combustão é perdida na forma de atrito interno do motor. A maior parte das perdas por atrito (em torno de 40%) é originada pelo contato entre o anel e o cilindro.
O objetivo deste trabalho é a caracterização da superfície do cilindro, que será realizada em diferentes estágios da vida útil do motor. A primeira etapa de caracterização inicia com a condição da superfície do cilindro pós-processo de fabricação. As demais etapas são divididas em amaciamento equivalente a 12horas e estabilização com mais 50horas ambas em condição de rotação de potência máxima e aceleração 100%. Os perfis de rugosidade foram obtidos mediante utilização de um rugosimetro. Os perfis obtidos são analisados e processados com o auxílio de um software 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.
MATOS Jr., Raimundo Ferreira, Análise Topográfica da Superfície de Cilindros de Motores a Combustão Interna, 2008, Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 65p.
ABSTRACT
In research of development of its products in particular for engine production, the automobile industry constantly tries to develop new components to assist the technological progress. For the internal combustion engines, about 10% to 15% of the resultant combustion energy is lost in internal friction in the engine. Most of the losses by friction (around 40%) is originated by contact between ring and cylinder.
This work aims to characterize the surface of the cylinder and it will be carried throughout different periods of engine life. The first stage is the characterization of the cylinder after manufacture. The following stages are divided in running in (equivalent to 12 hours) and stabilization (50hours in maximum power rotation and Wide Open Throttle). The samples are measured with a roughness meter. The samples are analyzed and processed with a dedicated software for analysis of roughness profiles - TALY PROFILE, version 3.1.10, with the adequate parameters that are more significant to show the variation between the different stages of the considered test.
SUMÁRIO
RESUMO... vi
ABSTRACT ... vii
LISTA DE FIGURAS ... x
LISTA DE TABELAS ... xi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... xii
LISTA DE SÍMBOLOS...xiii 1 INTRODUÇÃO...1 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...3 2.1. Topografia da superfície...3 2.2. Avaliação da superfície ...6 2.2.1. Medição da rugosidade ...6
2.2.2. Definições para o entendimento da medição de rugosidade. ...7
2.2.3. Sistemas de medição da rugosidade ...8
2.3. Método de medição ...13
2.3.1 Inspeção visual inicial...13
2.3.2 Placa de comparação...13
2.3.3 Medições por contato ...14
2.3.4 Medições sem contato...15
2.4. Avaliação específica da superfície ...16
2.5. Brunimento ...21 2.5.1 Histórico do brunimento...21 2.5.2 Definições ...22 2.5.3 Superfície brunida ...23 2.5.4 Brunimento de platô ...24 3 MATERIAIS E MÉTODOS ...26 3.1. Caracterização do material ...26
3.2. Obtenção das superfícies analisadas ...31
3.3. Óleo lubrificante...33
3.4. Combustível para os ensaios em dinamômetro...34
3.5. Equipamento de ensaio...35
3.6. Método...36
3.7. Análise da superfície ...37
3.8. Interações da superfície em ensaio. ...40
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...42
4.2. Análise da curva de Abbott-Firestone e seus parâmetros associados ...48
4.3. Análises auxiliares do desgaste dos triboelementos ...51
5 CONCLUSÕES...55
6 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ...56
PRODUÇÃO CIENTÍFICA NO PERÍODO (Março 2006 – Março 2008)...57
REFERÊNCIAS...58
APÊNDICE A – Monitoramento do motor durante o ensaio ...61
ANEXO A – Relatório de análise do óleo lubrificante...63
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Representação da rugosidade e ondulação da superfície (ASM, 1994) 3
Figura 2.2 - Textura e integridade de superfície (Schimidt 1999). 4
Figura 2.3 - Representação do perfil de medição e subdivisões. 8
Figura 2.4 - Representação do cálculo da linha média (CNOMO, 2003). 9
Figura 2.5 - Indicação do valor Ra para perfis diferentes e representação do valor de
Ra no perfil de rugosidade (MUMMERY, 1992). 10
Figura 2.6 - Inclinação da curva de distribuição de amplitude (ASME 1995). 11
Figura 2.7 - Assimetria da curva de distribuição de amplitude (ASME 1995). 12
Figura 2.8 - Representação esquemática da aplicação do critério de contagem dos
picos no perfil de rugosidade (MAHR GMBH, 1995). 12
Figura 2.9 - Tipo de medição por comparação (Taylor Hobson, 2002) 14
Figura 2.10 - Representação esquemática da medição topográfica da superfície
utilizando a perfilometria de contato (HUTCHINGS, 1992). 14
Figura 2.11 - Descrição do processo de medição da rugosidade sem o contato direto
com a superfície (Taylor Hobson, 2002). 15
Figura 2.12 - Definição dos parâmetros Rk (Carvalho, 2007). 17
Figura 2.13 - Representação passo a passo do filtro de perfil para curva de
Abott-Firestone (CNOMO, 2003). 18
Figura 2.14 - Geração da curva de Abbott-Firestone (CARVALHO, 2007) 19
Figura 2.15 - Interpretação gráfica os parâmetros de rugosidade para cilindro de
motores a combustão interna (Pawlus, 1996). 20
Figura 2.16 Exemplo de ferramentas de geometria não-definida. 21
Figura 2.17 - Representação do brunimento (SCHIMIDT, 1999). 23
Figura 2.18 - Exemplo de imagem topográfica da superfície do cilindro (
Figura 2.19 - Perfil resultante do brunimento de desbaste e platô (SCHIMIDT, 1999). 25 Figura 3.1 - Regiões analisadas do bloco motor. Região 1=superfície brunida; Região 2= seção transversal: A = parede da galeria de água; B = núcleo; C =
superfície. 27
Figura 3.2 - Revelação da microestrutura com grafita lamelar. (a) Região central B citada na Figura 3.1 e (b) Região C face de contato. Ataque com Nital 3%. 28
Figura 3.3 - Regiões analisadas no anel (seção transversal). 29
Figura 3.4 - Camada nitretada sobre o anel do primeiro canalete de aço inoxidável. 30 Figura 3.5 - Microestrutura do material de base para os anéis em ferro fundido do
segundo canalete. 30
Figura 3.6 - Máquina operatriz do fabricante Gehring durante operação de
brunimento de um bloco motor e detalhes da ferramenta. 32
Figura 3.7 – Fluxograma com as etapas de realização do ensaio. 36
Figura 3.8 - Representação da região de medição da superfície do cilindro. 38
Figura 3.9 - Sentido de medição da rugosidade nos cilindros 38
Figura 3.10 - Ilustração com a apresentação dos equipamentos utilizados para a
obtenção dos perfis de rugosidade. 39
Figura 3.11 - Descrição do Sistema tribológico. 41
Figura 4.1 - Exemplo de perfil de rugosidade para superfície nova após processo de
brunimento. 43
Figura 4.2 - Exemplo de perfil de rugosidade da superfície após etapa de ensaio
correspondente a 12 horas de ciclo. 43
Figura 4.3 - Exemplos da representação da curva de Abott-Firestone sobre o histograma da porcentagem de área distribuída na altura do perfil, a) superfície nova, b) superfície com 12 horas de ensaio e c) superfície com 62 horas de
Figura 4.4 – Exemplos das curvas de Aboott-Firestone para diferentes perfis de rugosidade, a) curva para superfície brunida, b) curva para superfície com 12
horas de ensaio e c) curva para superfície com 62 horas de ensaio. 50
Figura 4.5 - Seção transversal do anel de ferro fundido cromado (segundo canalete),
revelada por microscopia eletrônica de varredura. 52
Figura 4.6 - Aspecto geral das superfícies ao termino dos ensaios 62 horas. 53
Figura 4.7 - Concentração de ferro (ppm) no lubrificante para cada etapa de análise
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição química do ferro fundido lamelar GL04 (% em massa) ...26 Tabela 2 – Identificação dos anéis utilizados em um motor de combustão interna e seus materiais e revestimentos...29 Tabela 3 – Características do lubrificante utilizado. ...34 Tabela 4 - Especificações do álcool etílico anidro combustível (AEAC) e álcool etílico hidratado combustível (AEHC) (ANP, 2006). ...35 Tabela 5 - Valores médios dos parâmetros de rugosidade da superfície do cilindro do motor estudado. ...42 Tabela 6 - Valores obtidos a partir da metodologia de cálculo de Abbott-Firestone para as três condições de superfície...48
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASM - American Society for Metals
ASME - American Society of Mechanical Engineering
CNOMO - Comitê de Normalização dos Meios de Produção
DIN - Deutsche Ingenieur Normen
ISO - Internacional Standard Organization
MCI - Motor de combustão interna
NOx - Oxido de nitrogênio
RBC - Rede Brasileira de Calibração
LISTA DE SÍMBOLOS
Cf - Critério de funcionamento [µm]
Cl - Critério de lubrificação [µm]
Cr - Critério de amaciamento [µm]
E - Módulo elástico combinado das superfícies [MPa]
H - Dureza da superfície
le - Comprimento de amostragem [mm]
lm - Comprimento total de avaliação [mm]
lt - Distância total percorrida pelo apalpador [mm]
lv - Comprimento de avanço inicial [mm]
Mr1 - Fração de contato mínimo [%] Mr2 - Fração de contato máximo [%]
r - Raio médio das asperezas
Ra - rugosidade média aritmética [µm]
Rk - Profundidade da rugosidade central [µm]
Rku - Medição da inclinação da curva de distribuição de amplitude Rpk - Altura de pico reduzida [µm]
Rpc - Quantidade de picos por mm [picos/mm]
Rq - Rugosidade média quadrática [µm]
Rsk - Simetria da distribuição de amplitude sobre a linha média do perfil Rt - Altura máxima entre picos e vales [µm]
Rvk - Profundidade de vales reduzida [µm] β
- Raio médio dos picos de asperezas η
η η
λc - Comprimento de amostragem [mm] σ
σ σ
σ - Desvio-padrão de altura das asperezas
σ∗ σ∗σ∗ σ∗
- Desvio-padrão da distribuição de alturas das asperezas
1 INTRODUÇÃO
Os motores a combustão interna MCI são amplamente aplicados e são considerado uma alternativa viável para os requisitos de versatilidade e custo, tornando-se facilmente encontrado em operação, isso indica que os MCI continuarão dominando o mercado de veículos (Tung e McMillan, 2004).
O conjunto “pistão, anel e cilindro” é considerado por Pawlus (1997) o mais importante sistema tribológico em um motor de combustão interna. Para o referido sistema o acabamento da superfície apresenta ligação direta com o atrito, desgaste e lubrificação.
Considerando a condição de acabamento da superfície, o desempenho dos motores apresenta uma estreita relação com a força de atrito entre o cilindro e os anéis do pistão. Acredita-se que o atrito pode ser reduzido significativamente com a otimização da topografia da superfície do cilindro. (Decencière e Jeulin, 2001).
Além da análise da topografia Tomanik (2005) estuda a relação do filme lubrificante retido sobre a superfície brunida e o desgaste, buscando melhoria na durabilidade dos motores e a redução do atrito.
O tribologista de motores busca obter a lubrificação efetiva de todos os componentes em movimento, a redução do atrito e do desgaste, com o menor impacto ao meio-ambiente. Esta questão é particularmente agravada pela variedade de condições de operação como velocidade, carga e temperatura do motor.
Investimentos na tribologia dos motores e o conhecimento do comportamento da superfície durante o período inicial de funcionamento propiciam os seguintes benefícios:
1 Redução no consumo de combustível;
2 Aumento da potência fornecida;
3 Redução no consumo de óleo;
4 Redução na emissão de gases poluentes;
6 Redução na necessidade de manutenção e longos intervalos de intervenção. Nesse contexto, o presente trabalho teve por objetivo:
• Caracterizar a superfície brunida do cilindro de um motor a combustão interna; • Comprar a evolução do desgaste da superfície em ensaio de bancada
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Topografia da superfície
De acordo com a ASM (1994), o termo textura refere-se aos picos e vales produzidos na superfície por um processo particular de fabricação. Por convenção, a textura compreende duas componentes: a rugosidade e a ondulação, conforme ilustrado na Figura 2.1.
Figura 2.1 - Representação da rugosidade e ondulação da superfície (ASM, 1994)
A superfície de uma peça pode ser dividida em duas camadas limites distintas, a externa e a interna, Figura 2.2 a camada limite interna da superfície é resultado da ação mecânica da usinagem e sua profundidade depende da severidade da usinagem a que foi submetida. Por sua vez, a camada limite externa encontra-se entre a atmosfera externa e a estrutura atômica do material. A integridade de superfície trata dos efeitos internos do material e também é descrita na Figura 2.2. Refere-se, por exemplo, às tensões residuais que podem ser avaliadas com a técnica de difração de raio-X. O estudo da microestrutura, por sua vez, pode ser analisado através de uma análise metalográfica (Schimidt 1999).
Figura 2.2 - Textura e integridade de superfície (Schimidt 1999).
Os componentes que operam em sistema lubrificados devem possuir, necessariamente, alguma especificação em seu projeto sobre valores dos parâmetros de rugosidade. Isto se deve à possibilidade de haver contato entre asperezas e também por causa da necessidade de ser criado espaço físico suficiente para que o filme de lubrificante possa se alojar de forma adequada entre as superfícies, ou seja, a tentativa de criar “reservatórios” adequados para os filmes (Neto, 1999).
Por mais perfeita que sejam as superfícies, elas apresentam particularidades que são uma herança do método empregado em sua obtenção, por exemplo: torneamento, fresamento, retificação, brunimento, lapidação, etc. As superfícies assim produzidas se apresentam como um conjunto de irregularidades, com espaçamento constante e que tendem a formar um padrão ou textura característica em sua extensão.
A rugosidade ou textura primária é formada por sulcos ou marcas deixadas pelo agente que atacou a superfície no processo de usinagem, (ferramenta, rebolo, partículas abrasivas, ação química, etc.) e se encontra superposta a um perfil de ondulação provocado por deficiência nos movimentos da máquina, deformação no tratamento térmico, tensões residuais de forjamento ou fundição etc (Abe, 2001).
Um sistema mecânico é normalmente composto por partes que trabalham em contato e sob um determinado carregamento. O resultado deste contato ao longo de um determinado período de tempo é o desgaste, caracterizado por uma remoção de material da superfície. Um modo particular de desgaste é aquele causado pela fadiga de contato, o qual ocorre em componentes submetidos a altas pressões cíclicas de carregamento, tais como engrenagens e rolamentos, sendo que esta é a principal causa de falhas nestes componentes (ASM, 1992).
A superfície do cilindro é uma superfície de múltiplos processos. Usualmente, o processo de fabricação do cilindro é caracterizado por três etapas, furação do cilindro, brunimento de base, que origina os sulcos de armazenamento de óleo, e o brunimento de platô, reduzindo os picos das asperezas (Pawlus 1997).
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 devido a: máquinas são ligadas e desligadas, restrições de tamanho, acessibilidade e/ou de consumo de lubrificante impedem o fornecimento ideal de lubrificante às regiões de contato. Em alguns sistemas, o contato entre as asperezas pouco freqüente e suave é até desejável para promover um amaciamento, ou seja, fase de desgaste gerada a partir do movimento relativo entre superfícies resultando na conformação gradual com melhoria de desempenho. (Tomanik 2000).
O acabamento da superfície do cilindro é o principal fator que afeta as propriedades no período inicial da vida do motor. Na ausência de ondulação e erro de forma, somente a rugosidade tem influência no período de amaciamento.
A redução da rugosidade, ou seja, criação de superfícies cada vez mais lisas proporciona aumento da resistência ao desgaste. Entretanto, superfícies com menor rugosidade apresentam dificuldade na retenção do filme de óleo, originando o contato mecânico entre as superfícies ocasionando o desgaste adesivo também conhecido como engripamento. Somente superfícies rugosas têm capacidade de suportar grandes carregamentos. Contudo, o aumento da rugosidade da superfície
do cilindro é prejudicial, proporcionando o aumento do consumo de óleo e o desgaste excessivo do anel (Pawlus 1994).
2.2. Avaliação da superfície
2.2.1. Medição da rugosidade
Rugosidade é o conjunto de irregularidades, isto é, pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam uma superfície. A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento dos componentes mecânicos.
A rugosidade influi na:
- qualidade de deslizamento; - resistência ao desgaste;
- possibilidade de ajuste do acoplamento forçado;
- resistência oferecida pela superfície ao escoamento de fluidos e lubrificantes; - qualidade de aderência que a estrutura oferece às camadas protetoras; - resistência à corrosão e à fadiga;
- vedação; - aparência.
A grandeza, a orientação e o grau de irregularidade da rugosidade podem indicar suas causas que, entre outras, são:
- imperfeições nos mecanismos das máquinas-ferramenta; - vibrações no sistema peça-ferramenta;
- desgaste das ferramentas;
2.2.2. Definições para o entendimento da medição de rugosidade.
Superfície real: é à parte de um corpo que o separa do meio em que se encontra (DIN 4762, ISO 4287/1).
Processo de apalpação por corte: é um processo de medição onde a configuração da superfície é captada em duas dimensões. Uma unidade de avanço movimenta um apalpador de medição com uma velocidade horizontal constante por sobre a superfície.
Perfil efetivo: é a porção do perfil, apalpada durante o processo de medição de uma superfície. O perfil efetivo contém os principais desvios, que são classificados em forma, ondulação e rugosidade (DIN 4760).
Comprimento de amostragem (λc ou CUT-OFF) determina o filtro a ser utilizado. Ondas inferiores ao comprimento de amostragem λc são atribuídos ao perfil de rugosidade R. Ondas superiores ao comprimento de amostragem λc são atribuídos ao perfil de ondulação W.
Toma-se o perfil efetivo de uma superfície num comprimento “lm”, comprimento total de avaliação. Chama-se o comprimento “le” de comprimento de amostragem (NBR 6405/1988).
O comprimento de amostragem nos aparelhos eletrônicos, chamado de cut-off “le”, não deve ser confundido com a distância total “lt” percorrida pelo apalpador sobre a superfície.
É recomendado pela norma ISO 4287 que os rugosímetros devam medir cinco comprimentos de amostragem e devem indicar o valor médio. A Figura 2.3 apresenta os elementos de um perfil de rugosidade, utilizados para obter o valor de um parâmetro, e estes são detalhadas a seguir.
Figura 2.3 - Representação do perfil de medição e subdivisões.
Comprimento de medição unitário “le” é 1/5 do comprimento de medição “lm” e conforme norma DIN 4768, é igual ao comprimento de amostragem λc (CUT OFF).
O comprimento de medição unitário é a referência para a avaliação da rugosidade.
Comprimento de medição “lm” é a porção do perfil apalpado que é avaliado pelo processador.
Comprimento de avanço inicial “lv” serve para o acionamento dos filtros. Comprimento de avanço final serve para desativar os filtros.
Comprimento de apalpação “lt” é a distância total percorrida pelo apalpador durante o processo de medição. Ele é a soma do comprimento de avanço inicial “lv”, comprimento de medição unitário “lm” e o comprimento de avanço final “lm”.
2.2.3. Sistemas de medição da rugosidade
São usados dois sistemas básicos de medida: o da linha média M e o da envolvente E. O sistema da linha média é o mais utilizado. Alguns países adotam ambos os sistemas. No Brasil - pelas Normas ABNT, NBR 6405/1988 e NBR 8404/1984 - é adotado o sistema M.
No sistema da linha média, ou sistema M, todas as grandezas da medição da rugosidade são definidas a partir do seguinte conceito de linha média:
Linha média é a linha paralela à direção geral do perfil, no comprimento da amostragem, de tal modo que a soma das áreas superiores, compreendidas entre ela e o perfil efetivo, sejam iguais à soma das áreas inferiores, no comprimento da amostragem (le “cut-off”), conforme representado na Figura 2.4.
Figura 2.4 - Representação do cálculo da linha média (CNOMO, 2003).
A1 e A2 áreas acima da linha média = A3 área abaixo da linha média. A1+A2=A3
Rugosidade Média (Ra) média aritmética dos desvios das alturas do perfil.
A Figura 2.5 representa a parcela do perfil que corresponda ao parâmetro de rugosidade Ra, bem como a dificuldade em interpretar seu valor, considerando que para superfícies diferentes o parâmetro apresenta o mesmo valor.
∫
=
L ay
x
dx
L
R
0)
(
1
Lm Equação 5 Equação 6Figura 2.5 - Indicação do valor Ra para perfis diferentes e representação do valor de Ra no perfil de rugosidade (MUMMERY, 1992).
Rugosidade (Rq) r.m.s. (root mean square) parâmetro de rugosidade média quadrática.
∫
=
L qy
x
dx
L
R
0 2 2)
(
1
Equação 7Parâmetro Rsk (Skewness), indica a simetria da distribuição de amplitude sobre a linha média do perfil. O valor negativo de skewness representa uma condição de superfície tipicamente com grandes vales similar a superfície brunida. A Figura 2.6 representa a interpretação do parâmetro de rugosidade skewness.
Rsk = 0 perfil Gaussiano.
Figura 2.6 - Inclinação da curva de distribuição de amplitude (ASME 1995).
Parâmetro Rku, Curtose (Kurtosis). É a medição da inclinação da curva de distribuição de amplitude. A inclinação da curva de distribuição de amplitude é descrita na Figura 2.7 com a representação da inclinação dos picos e vales do perfil. Distribuição Normal (Rku=3).
Perfil
média
Figura 2.7 - Assimetria da curva de distribuição de amplitude (ASME 1995).
O parâmetro de rugosidade Pc e HSC pode também ser identificado como RPc é definido como a quantidade de picos por mm, que ultrapassa um limite inferior, igualmente pré-selecionado. A aplicação do parâmetro RPc é representada na Figura 2.8.
Figura 2.8 - Representação esquemática da aplicação do critério de contagem dos picos no perfil de rugosidade (MAHR GMBH, 1995).
O parâmetro RVO é a “área” dos vales calculada a partir da obtenção dos parâmetros “RK” conforme norma (DIN 4776 e ISO 13565-2).
2.3. Método de medição
Para avaliar a condição da superfície tanto após o processo de fabricação quanto durante seu desgaste, podemos considerar a existência dos seguintes métodos:
2.3.1 Inspeção visual inicial
O método de inspeção visual é normalmente realizado a olho nu ou com auxilio de uma lupa observando a direção das linhas sobre a superfície, marcas do processo anterior e defeitos e crateras.
2.3.2 Placa de comparação
Análise da superfície realizada por comparação entre uma placa com superfícies de rugosidade controlada frente à superfície do componente em estudo. Figura 2.9
Figura 2.9 - Tipo de medição por comparação (Taylor Hobson, 2002)
2.3.3 Medições por contato
Um dos métodos mais empregados na industria para a medição topográfica da superfície é a perfilometria de contato, ilustrada na Figura 2.10 O rugosímetro é um aparelho eletrônico para verificação de superfície de peças e ferramentas. Destina-se à análiDestina-se dos problemas relacionados a superfícies, pode Destina-ser na versão portátil ou então estruturas mais complexas que necessitam de uma instalação apropriada.
Figura 2.10 - Representação esquemática da medição topográfica da superfície utilizando a perfilometria de contato (HUTCHINGS, 1992).
2.3.4 Medições sem contato
A medição sem contato e normalmente aplicada na medição de discos de memória de computador e substrato de semicondutores. Também pode ser aplicado a medições de superfícies macias a exemplo do cobre, que é facilmente danificado pelo apalpador de diamante. Se comparado a medição de rugosidade convencional, apresenta um raio de medição ou “ponta” de 0,2µm frente aos 2µm do apalpador. A Figura 2.11 representa em sistema de medição sem contato.
Figura 2.11 - Descrição do processo de medição da rugosidade sem o contato direto com a superfície (Taylor Hobson, 2002).
2.4. Avaliação específica da superfície
A superfície oriunda do processo de brunimento possui características de suportar cargas e boa capacidade de reter filmes lubrificantes sobre a superfície. A maioria dos parâmetros tem o objetivo de caracterizar superfícies originadas de processo de fabricação simples. Devido ao fato do brunimento apresentar sua origem de múltiplos processos e conferir a superfície características especificas, são criados parâmetros capazes de avaliar a superfície (Pawlus 1997).
A avaliação do brunimento de cilindro de motores a combustão interna é descrita pela CNOMO (Comitê de normalização dos meios de produção, 1998), descrevendo parâmetros para aprovação do processo produtivo.
A avaliação da superfície pode ser baseada na norma ISO 4287 que apresenta a metodologia de análise conhecida como taxa do material relativa (Rmr), que determina a taxa de material a partir de um nível de corte O primeiro critério é conhecido como fase de “Amaciamento” (Cr): Representa a faixa de variação do valor das alturas das asperezas compreendida entre 1% a 45% da área total de contado da superfície brunida. Indica a região que será desgastada na fase de amaciamento do motor. O valor máximo para este critério pode variar em função do acabamento final do processo de brunimento eliminando os picos mais altos, ou seja, usinagem de acabamento responsável por criar uma superfície que apresente menor quantidade de picos.
O segundo critério é a porção do perfil de rugosidade que representa a fase logo após amaciamento, identificada como fase de funcionamento (Cf). É representada pela região que corresponde à variação de área da superfície entre 15% a 75% da área total de contato. Região responsável pelo funcionamento da superfície em condições normais de trabalho, ou seja, queda na taxa de desgaste, mantendo a característica do perfil durante a vida útil do motor.
Terceiro e último critério identificado como porção responsável pelo armazenamento de óleo na superfície (Cl). Região que compreende valores para área total de contato da ordem de 45% a 99%. Responsável pela quantidade de óleo que pode ser retido entre as asperezas.
Para um perfil R de rugosidade, a curva de Abbott-Firestone é definida especificamente segundo três parâmetros Rpk, Rk e Rvk e duas fronteiras chamadas de Mr1 e Mr2 (DIN 4776 e ISO 13565-2). Esta curva é uma importante ferramenta para a caracterização da superfície, apresenta ampla aplicação na caracterização das superfícies definidas em normas internacionais (Schmähling e Hamprecht, 2007).
Destinados a medir a condição da superfície de materiais porosos ou presença de platô e de vales, estes parâmetros caracterizam a curva de distribuição da área total de contato com a aplicação do duplo filtro gaussiano, ferramenta esta que possibilita a obtenção dos parâmetros de rugosidade sem a tendência característica de superfícies de grandes vales. A definição dos parâmetros e a distribuição da área total de contato são representadas na Figura 2.12
Figura 2.12 - Definição dos parâmetros Rk (Carvalho, 2007).
Usualmente a determinação da linha média pela aplicação do filtro “gaussiano” (ISO 11562) não considera a existência de grandes vales no perfil que por sua vez possuem a tendência de modificar a linha média e por isso é necessária a criação de artifícios para evitar medições incoerentes. O método definido na norma ISO 13565-2 permite determinar uma linha média menos afetada pelos vales apresentados pelo perfil e é identificado como duplo filtro gaussiano.
O duplo filtro gaussiano aplicado para obtenção da curva de Abbott-Firestone é representado na Figura 2.13, e descrito em etapas à seguir:
Passo 2 - retirar do perfil inicial as partes situadas abaixo da linha média. Retiramos assim os vales mais profundos.
Passo 3 - calcular a nova linha média sobre o perfil obtido em 2.
Passo 4 – apresentar o perfil de rugosidade a partir da aplicação do filtro gaussiano em duas etapas conforme os passos anteriores para a determinação da curva de Abbott-Fireston.
Figura 2.13 - Representação passo a passo do filtro de perfil para curva de Abott-Firestone (CNOMO, 2003).
O parâmetro Rk e definido como sendo a parcela central da banda de rugosidade. Para a determinação deste parâmetro e traçada uma secante de menor inclinação possível sobre a curva de Abbott-Firestone, cuja componente horizontal corresponde a 40%, conforme representado na Figura 2.14 (DIN 4776, ISO 13565-2 e CNOMO, 2003)
Figura 2.14 - Geração da curva de Abbott-Firestone (CARVALHO, 2007)
O parâmetro Rk representa a diferença de altura entre a intersecção desta reta com o eixo de 100% e o eixo de 0% e os pontos Mr1 e Mr2 (%) correspondem à intersecção entre o perfil de referência e as retas paralelas ao eixo de % definindo o parâmetro Rk.
Os parâmetros Rpk e Rvk são definidos pela altura do triângulo retângulo da superfície equivalente as zonas de picos (base 0% a Mr1) e aos vales (base Mr2 a 100%)
Rk é o valor da rugosidade do núcleo do perfil
Rpk é o valor da rugosidade média dos picos que estão acima da área de contato mínima do perfil; excluídos eventuais picos exagerados.
Rvk é o valor da rugosidade média dos vales que estão abaixo da área de contato do perfil; excluídos eventuais vales excessivamente profundos.
Mr1 : Fração de contato mínimo : taxa, em porcentagem, que determina a fração de contato mínima no núcleo do perfil de rugosidade.
Mr2 : Fração de contato máximo : taxa, em porcentagem, que determina a maior fração de contato no núcleo do perfil de rugosidade.
A avaliação de superfícies características de um processo de brunimento e a definição dos parâmetros mais adequados para descrevê-las no uso em cilindro de motores a combustão interna foi estudada por PAWLUS (1994; 1997) e pode ser demonstrado na Figura 2.15. Para tal análise são definidos os parâmetros:
• Rp/Rt é o coeficiente de vazio, considerado o parâmetro mais importante. Pode ser presumido que o valor de desgaste do cilindro é proporcional a variação do coeficiente de vazio durante a utilização do motor.
Rp é a distância do pico mais elevado até a linha média do perfil. Rt é a distância entre o pico mais elevado e o vale mais profundo. • Rk/Rt profundidade central normalizada
• Rtm parâmetro de altura
• Vo capacidade de armazenamento de óleo
Figura 2.15 - Interpretação gráfica os parâmetros de rugosidade para cilindro de motores a combustão interna (Pawlus, 1996).
2.5. Brunimento
Os processos de usinagem apresentam inúmeros métodos para obtenção de componentes mecânicos. Dependendo de sua aplicação os componentes mecânicos requerem características especificas ou maior precisão na obtenção de sua forma. Dentre os processos de acabamento que utilizam ferramentas de gume de geometria não-definida, destaca-se o brunimento por apresentar elevada precisão dimensional e de forma, além de conferir a superfície características específicas. A Figura 2.16 apresenta alguns modelos de ferramentas de geometria não-definida.
Figura 2.16 Exemplo de ferramentas de geometria não-definida.
2.5.1 Histórico do brunimento
Uma das primeiras notícias sobre o emprego do processo de brunimento foi em 1910, na Alemanha. Nesta ocasião, a ferramenta de brunir era constituída de um cilindro de madeira bipartido, no qual encontravam-se dispostas pedras abrasivas.
Em 1921, uma fabrica em Detroit registrou a primeira patente do processo, que se distinguia pelo uso de uma ferramenta expansível em um elemento cardânico de transmissão de força.
Em 1935, a Chrysler detectou falha, em seus mancais, causadas por impacto e vibrações resultante de acabamento insuficiente nas pistas de rolamentos resultando no desenvolvimento do brunimento de curso curto (“superfinishing”).
Na década de 60, teve início a utilização das ferramentas de diamante. A longa vida das ferramentas associada às altas taxas de remoção proporcionou o crescimento da produtividade, permanecendo a qualidade das peças constante ao longo de todo o processo de brunimento.
Atualmente pode-se observar um crescente desenvolvimento, com a aplicação de mais de uma etapa no processo de obtenção de superfícies brunidas Pawlus (1996). Um maior domínio na produção de abrasivos, principalmente diamante e CBN também contribuíram para a evolução e obtenção de superfícies com melhor acabamento.
As novas características construtivas das ferramentas têm permitido a obtenção de peças de elevada precisão, o que reflete sensivelmente na produção.
Em conjunto, a automatização da máquina de brunir tem levado a uma alta eficiência destes sistemas produtivos, possibilitando a correção de erros de forma, redução de custos, alta eficiência, mas principalmente grande flexibilidade da produção.
2.5.2 Definições
O brunimento é um processo mecânico de usinagem por abrasão, empregado no acabamento de peças. Durante o processo, os grãos ativos do brunidor entram em contato com a superfície da peça. Esta gira lentamente e o brunidor desloca-se ao longo da geratriz da superfície de revolução com movimentos alternativos de pouca amplitude e freqüência relativamente elevada.
Na maioria dos casos, o brunimento é feito com uma ferramenta especial de retificação, constituída de segmentos de material abrasivo, montados em grupo.
A Figura 2.17 ilustra a ação da ferramenta de brunimento, ou seja, o brunidor sobre a superfície que será trabalhada. Ao girar, o brunidor faz um movimento vertical oscilante de subida e descida. Apresenta diferenças em relação ao processo de retificação, especificamente a velocidade, a superfície de contato da ferramenta rugosa, o movimento alternado e maiores pressões de trabalho. No brunimento a velocidade de rotação da ferramenta é inferior a retificação e o trabalho é feito com
pressões mais elevadas da ordem de 3 a 8 kgf/cm2, ou seja, de 0,3 a 0,8 MPa.
Figura 2.17 - Representação do brunimento (SCHIMIDT, 1999).
O processo é usado para melhorar as características superficiais, conferir precisões geométricas as peças obtidas por operações anteriores como usinagem, sinterização, tratamento térmico, etc. Este processo elimina danos superficiais pelo emprego de baixa velocidade e ação suave a ferramenta, caracterizando-se pela combinação de um movimento axial com um rotacional ou transversal para o brunimento de superfícies planas (CARVALHO, 2007).
2.5.3 Superfície brunida
A superfície brunida e identificada como resultado final de um processo de acabamento, ou seja, superfície que apresenta características finais para sua aplicação, apresentando baixos valores de rugosidade da ordem de micrometros, além de bom contato entre as partes com excelente comportamento de desgaste e boa redução de nível de ruído. No brunimento, também, pela baixa geração de calor, não ocorre oxidação e nem alteração da estrutura cristalina SCHIMIDT (1999).
Em grande parte dos casos, a cinemática do brunimento proporciona uma superfície com estrias cruzadas que apresentam, em geral, um ângulo de cruzamento de 45º a 60º, faixa esta baseada em pesquisa empírica as quais mostram que o consumo de óleo depende deste ângulo Figura 2.18. Os ângulos
com menor valor são apropriados para superfícies de deslizamento a seco, e os grandes são associados a um elevado consumo de óleo. Na medida em que o ângulo de cruzamento aumenta, a quantidade de linhas, ou seja, quantidade de sulcos na superfície diminui, reduzindo o volume de óleo retido na superfície. A redução do volume de óleo na superfície é devido à redução dos sulcos que o retém e está associada diretamente a redução do consumo de óleo em um MCI.
Figura 2.18 - Exemplo de imagem topográfica da superfície do cilindro ( DECENCIÉRE e JEULIN, 2001)
2.5.4 Brunimento de platô
Com o brunimento de platô objetiva-se desenvolver uma estrutura especifica, a qual apresenta um perfil periódico com grandes áreas planas separadas por sulcos. O perfil gerado neste processo diferencia-se do obtido no brunimento de acabamento, principalmente por melhores características de resistência ao desgaste e a retenção de óleo. Figura 2.19
Direção de movimento do pistão
Ângulo de
Figura 2.19 - Perfil resultante do brunimento de desbaste e platô (SCHIMIDT, 1999). O perfil final do brunimento é obtido em duas etapas e em alguns casos uma terceira etapa pode ser necessária: brunimento de desbaste, platô de base e platô de acabamento.
No desbaste, elimina-se a heterogeneidade gerada nos processos de fabricação anterior. A ferramenta de desbaste deve possuir a capacidade tanto de alisar quanto de aumentar a rugosidade da superfície. Nesta etapa, utiliza-se uma granulometria grosseira promovendo a formação dos sulcos profundos que devem estar presentes nas superfícies do perfil platafórmico.
No brunimento de platô de base uma rápida remoção dos picos aleatórios, com uma ferramenta de granulométrica menor, formando os pequenos platôs. A estrutura platafórmica possui grande área de apoio e baixa rugosidade.
Em alguns casos o processo pode apresentar mais uma etapa, o brunimento de acabamento. Objetiva-se reduzir a rugosidade dos platôs, gerados na fase anterior, o que resulta na melhora das características aconselháveis para uma superfície de deslizamento. A ferramenta, neste caso, possui granulométrica mais fina.
Somente com o emprego da superfície com processo de brunimento de platô, tem-se um comportamento de desgaste favorável para atender, por exemplo, às exigências feitas às camisas de pistões de motores diesel de alta compressão e de outros elementos que atuam sobre condições de atrito lubrificado.
3
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização dos ensaios foram utilizados blocos do motor, anéis de aço e ferro fundido e óleo lubrificante. Todos estes componentes são provenientes de um produto existente e comercialmente disponível no mercado brasileiro. Desta forma foi buscada a total aplicabilidade deste estudo, tentando-se realizar as análises da forma mais próxima de uma utilização cliente e das condições de funcionamento do motor.
3.1. Caracterização do material
O componente avaliado foi um bloco do motor de ferro fundido cinzento de grafita lamelar GL04, produzido pela Fundição Tupy S/A. A Tabela 1 apresenta a composição química do componente ensaiado.
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
Para a realização das análises metalográficas as amostras foram retiradas da parede do cilindro e do anel e polidas metalograficamente para acabamento equivalente a pasta de diamante de 1 µm. A análise foi realizada no microscópio óptico Carl Zeiss JENAVERT® acoplado a uma câmera digital e com o analisador de imagens IMAGE PRO-PLUS®.
No bloco do motor, as observações foram realizadas diretamente sobre a superfície brunida (Região 1) e na seção transversal (Região 2), como mostra a Figura 3.1
R egião 1
R egião 2
A B C
Figura 3.1 - Regiões analisadas do bloco motor. Região 1=superfície brunida; Região 2= seção transversal: A = parede da galeria de água; B = núcleo; C =
superfície.
A microestrutura revelada pelo ataque químico com o reagente Nital 3% revelou que a matriz para os cilindros é perlítica, como pode ser visto na Figura 3.2. A dureza Brinell do cilindro está na faixa de 195 a 204 HB 2,5/187,5.
(a)
(b)
Figura 3.2 - Revelação da microestrutura com grafita lamelar. (a) Região central B citada na Figura 3.1 e (b) Região C face de contato. Ataque com Nital 3%.
Os anéis utilizados são brevemente descritos a seguir. Considerados como retentores metálicos responsáveis basicamente por duas funções primordiais no funcionamento de um motor à combustão interna: manter os gases pressurizados da combustão na parte superior do pistão e a segunda função, que se tornou mais importante nos últimos tempos em função do maior rigor das normas de emissões, manter o óleo do motor abaixo do pistão. (VOLCI, 2007).
O anel de primeiro canalete, também chamado de anel corta-fogo, geralmente trata-se de um anel retangular ou de face inclinada. A superfície de contato com o cilindro é geralmente abaulada, em anéis de ferro fundido são protegidas contra desgaste mediante revestimento de cromo ou molibdênio.
O segundo anel, chamado de anel de estanqueidade, é projetado geralmente como anel de face inclinada, com uma ação pronunciada de remoção de óleo. Assim age não somente como segundo estágio da vedação dos gases e equilíbrio de pressão no segundo cordão do pistão, mas também contribui na redução do consumo de óleo.
Além dos anéis de compressão, que têm seu papel como barreiras para os gases da combustão, o pistão precisa de um mecanismo que controle a quantidade de óleo presente sobre a superfície do cilindro. Este controle visa formar uma
película constante de óleo sobre o cilindro, que permita o deslizamento do pistão e anéis sobre a superfície do cilindro com atrito reduzido, porém impedindo que o óleo chegue à câmara de combustão e seja queimado.
A tabela 2 apresenta os materiais e os revestimentos utilizados na confecção dos anéis.
Tabela 2 – Identificação dos anéis utilizados em um motor de combustão interna e seus materiais e revestimentos.
Descrição Material Revestimento
Anel corta fogo Ferro fundido ou
aço inoxidável
Cromo ou molibdênio para aço nitretação.
Estanqueidade Ferro fundido sem revestimento
Controle de óleo ou
raspador Ferro fundido
cromo ou molibidênio.
Nos anéis, as análises foram realizadas na seção transversal (Figura 3.3).
Figura 3.3 - Regiões analisadas no anel (seção transversal).
Ensaios de microdureza Vickers utilizando carga de 20 gf (HV0,02) foram
realizados nos anéis.
A Figura 3.4 apresenta a microestrutura do anel do primeiro canalete com ataque de Nital 3% com camada nitretada contínua e uniforme distribuída ao longo da seção transversal do anel, com espessura de 51 a 69 µm.
Figura 3.4 - Camada nitretada sobre o anel do primeiro canalete de aço inoxidável. A figura 3.5 a) apresenta a Matriz perlítica através da revelação com Nital 3% para o anel do segundo canalete. b) Ilustra o material de base com grafita nodular de tamanho predominante igual a 3. Micro dureza HV entre 306 a 338HV.
Figura 3.5 - Microestrutura do material de base para os anéis em ferro fundido do segundo canalete.
3.2. Obtenção das superfícies analisadas
As superfícies foram preparadas para o ensaio segundo os processos que serão descritos a seguir.
O Bloco do motor sofreu processo de usinagem de brunimento Figura 3.6, 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.
Posicionamento do bloco e ferramenta Usinagem da superfície do cilindro
Ferramenta de brunir Exemplo de avanço da pedra de desbaste.
Figura 3.6 - Máquina operatriz do fabricante Gehring durante operação de brunimento de um bloco motor e detalhes da ferramenta.
Pedra de brunir cerâmica
Pedra de brunir diamante sintético
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 uma bancada dinamométrica. O motor e acoplado ao eixo do dinamômetro, sendo este responsável por impor uma determinada resistência contraria ao sentido de funcionamento, ou seja, esforço no sentido de frear o motor de combustão interna. Tal esforço e gerado pela alimentação do dinamômetro com uma corrente capaz de gerar o mesmo valor de potência produzido pelo motor de combustão interna em um determinado ponto de funcionamento.
O primeiro ensaio simula a fase inicial de desgaste da superfície com duração de aproximadamente 12 horas. O ciclo inicia em rotação de marcha lenta chegando até a rotação de potência máxima do motor e aceleração de 100%. O funcionamento do motor é identificado como estável, ou seja, cada ponto de funcionamento possui duração de 30 minutos na mesma condição pré-definida. Os parâmetros do motor são controlados pelo software de controle e seus periféricos, evitando variações de temperatura do líquido de arrefecimento, rotação do motor, carga, entre outros parâmetros.
O segundo ensaio consiste em manter o motor em rotação de potência máxima e 100% de aceleração em um intervalo de 50 horas.
3.3. Óleo lubrificante
Para a realização dos ensaios foi utilizado o óleo lubrificante ELF Prestigrade TS 15W40 classificação API SL e ACEA A3/B3;
A escolha destes lubrificantes é devido ao fato de se tratar do óleo homologado pelo fabricante do motor em análise neste estudo. Desta maneira, apresenta a mesma especificação do óleo utilizado no primeiro enchimento do motor. A Tabela 3 descreve as principais características do lubrificante utilizado.
Tabela 3 – Características do lubrificante utilizado.
3.4. Combustível para os ensaios em dinamômetro
Os ensaios em dinamômetro foram realizados com álcool etílico hidratado combustível (AEHC), também denominado popularmente de álcool comum, conforme especificação da Agência Nacional do Petróleo (ANP) através da Portaria nº 36, de 6.12.2005 – DOU 7.12.2005, a Tabela 4 apresenta as características do combustível utilizado. Esta escolha se deve ao fato de se tratar do combustível normalmente utilizado pela frota brasileira de automóveis flex fuel.
Tabela 4 - Especificações do álcool etílico anidro combustível (AEAC) e álcool etílico hidratado combustível (AEHC) (ANP, 2006).
3.5. Equipamento de ensaio
A bancada dinamométrica AVL da Renault do Brasil SA. Modelo AFA 160 motor assíncrono com capacidade para motores de até 160KW e 500Nm de torque. O sistema de controle da bancada utiliza driver de controle AVL Encon 300 e software supervisório Puma versão 5.52 para monitoramento e aquisição de
parâmetros do motor durante os ensaios, exemplo temperatura da água do motor, pressão de escapamento, rotação e etc. A estrutura de controle conta também com sensores e módulos de tratamento de sinais como, por exemplo, canais para transdutores de pressão, termopares, entradas analógicas, etc.
3.6. Método
O procedimento experimental está representado no fluxograma da Figura 3.7 e é melhor detalhado no texto a seguir.
Figura 3.7 – Fluxograma com as etapas de realização do ensaio.
A metodologia consiste em caracterizar as diferentes superfícies do cilindro de motores a combustão interna através da medição da rugosidade em diferentes estágios de funcionamento do motor, caracterizados pelo tempo de duração do ensaio.
A etapa inicial de caracterização das superfícies é representada por amostras de cilindros virgens (superfícies pós-processo de fabricação). As etapas seguintes de análise da superfície são realizadas após um período específico de funcionamento do motor.
Foi retirada uma amostra da superfície de um cilindro novo do mesmo lote de fabricação para caracterização que será apresentada no capítulo seguinte. Esta amostra consiste em cortar a parede do cilindro do motor com uma área de aproximadamente 30X30mm.
3.7. Análise da superfície
Os perfis de rugosidade foram coletados 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 7MPa, e é reduzida à medida que o volume da câmara de combustão aumenta.
A Figura 3.8 indica o ponto inicial para medição do perfil, 57,9mm de profundidade da face de acoplamento bloco/cabeçote. Este valor inicial para a medição já está programado no equipamento de medição facilitando a repetição das medições.
Figura 3.8 - Representação da região de medição da superfície do cilindro.
Nos cilindros os perfis de rugosidade foram determinados no sentido axial, conforme ilustrado na Figura 3.9.
Sentido de medição da rugosidade
Figura 3.9 - Sentido de medição da rugosidade nos cilindros
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 apalpador MFW – 250 que apresenta raio de ponta de 2 µm, ilustrado na Figura 3.10 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 fornecido pela empresa TAYLOR HOBSON).
Figura 3.10 - Ilustração com a apresentação dos equipamentos utilizados para a obtenção dos perfis de rugosidade.
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 (1996/1990) Os parâmetros de rugosidade foram escolhidos com base nos trabalhos de PAWLUS (1996) e TOMANIK (2000) a partir das normas ISO 4287 (1997) e ISO 13565-2 / DIN 4776 (1996/1990).
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-in 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.
Foi retirada uma amostra da superfície de um cilindro novo do mesmo lote de fabricação para caracterização que será apresentada no capítulo seguinte. Esta amostra consiste em cortar a parede do cilindro do motor com uma área de aproximadamente 30X30mm.
3.8. Interações da superfície em ensaio.
Os fenômenos que ocorre entre as superfícies, como por exemplo, o desgaste, é resultante da ação combinada de todas as partes de um conjunto técnico definido para uma função. Essa estrutura caracteriza um tribosistema, Figura 3.11. O tribosistema descreve as interações entre o cilindro do motor a combustão interna e o conjunto pistão e anéis.
O movimento entre os elementos é alternado e a carga sobre a superfície do cilindro e ligada diretamente a pressão de combustão e a decomposição dos esforços entre a carga aplicada sobre a superfície do cilindro e a carga sobre o componente de transmissão do movimento do pistão para o eixo do motor (biela).
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Análise dos perfis de rugosidade
A Tabela 5 apresenta os valores médios dos parâmetros de rugosidade para cada condição de ensaio, considerando 20 medições para cada período.
Tabela 5 - Valores médios dos parâmetros de rugosidade da superfície do cilindro do motor estudado. Superfície usinada Superfície com 12h Superfície com 62h Ra (µm) 0,5 ± 0,1 0,5 ± 0,1 0,2 ± 0,1 Rq (µm) 0,8 ± 0,1 0,7 ± 0,1 0,4 ± 0,1 Rp (µm) 1,4 ± 0,1 0,7 ± 0,1 0,4 ± 0,1 Rt (µm) 11 ± 8 8 ± 2 8 ± 3 Rp/Rt (µm/µm) 0,12 0,09 0,06 RPc (picos/mm) 10 ± 2 5 ± 1 0,5 ± 0,4 Rsk (µm) -5 ± 5 -3 ± 1 -13 ± 11 Rku (µm) 12 ± 7 18 ± 11 63 ± 48,5
Rvo(mm3/mm2) 9,54 e-6 4,94 e-7 3,41 e-6
Os resultados dos parâmetros médios Ra e Rq, que apresentam valores similares para a superfície usinada e após 12h de ensaio, mostram a limitação que os mesmos possuem para expressar a realidade de uma superfície em alguns casos. Isto pode ser evidenciado com a observação dos perfis de rugosidade, apresentados nas Figuras 4.1 e 4.2.
Figura 4.1 - Exemplo de perfil de rugosidade para superfície nova após processo de brunimento.
Figura 4.2 - Exemplo de perfil de rugosidade da superfície após etapa de ensaio correspondente a 12 horas de ciclo.
A observação das Figuras 4.1 e 4.2 permitem verificar que ambas são de fato diferentes, embora os parâmetros médios de rugosidade sejam semelhantes. Observa-se uma redução na densidade de picos (RPc) após 12 h de ensaio, bem como uma redução clara na altura média dos picos (Rp) e um relativo aumento na profundidade dos vales.
A Tabela 5 também apresenta valores para o parâmetro que indica a variação total da altura do perfil de rugosidade (Rt). A combinação entre o Rp e Rt pode ser considerada como um dos parâmetros mais importantes para avaliar a evolução do desgaste da superfície, identificado como o coeficiente de vazio Rp/Rt (PAWLUS, 1997). O coeficiente de vazio apresenta valor médio de 0,12 para superfície brunida, foi reduzido para 0,09 após 12 horas e para 0,06 com 62 horas de ensaio. Portanto,
Eixo do deslocamento 4mm
a superfície inicialmente rugosa e com menor área de contato sofre um desgaste maior nas primeiras horas de funcionamento, tendendo a reduzir este valor à medida em que o desgaste modifica a superfície, reduzindo o coeficiente de vazio. O desgaste inicial acontece rapidamente, porém sua velocidade diminui com o aumento da área de contato (BLAU, 2005).
O parâmetro RPc, que representa a quantidade de picos contida do perfil extraído da superfície, apresentou uma redução de iniciais de 10 picos/mm para 5 e 0,5 picos/mm para as superfícies desgastadas. O contato entre duas superfícies novas, ou seja, recém fabricadas, ocorre somente nos picos das irregularidades mais elevadas e, portanto, a área de contato é muito pequena. Se estas superfícies estão sujeitas ao amaciamento com a aplicação de carga, as irregularidades passam a sofrer um desgaste gradativo e a área de contato aumenta (BLAU, 2005). Esta variação está também de acordo com PAWLUS (1997), que afirmou que a ação de alisamento da superfície é mais significativa do que a ação de criação de novas irregularidades, portando a densidade de picos deve diminuir à medida que o desgaste ocorre.
Como conclusão parcial, pode-se afirmar que tanto o coeficiente de vazio quanto a densidade de picos podem ser relacionadas ao desgaste da superfície e conseqüentemente as modificações das características durante a fase de amaciamento. Geralmente é durante a fase de amaciamento que ocorrem as modificações mais importantes para a vida útil dos componentes (PAWLUS, 1997).
Uma outra forma de entender as mudanças das características das superfícies do cilindro e a evolução da fase de amaciamento é avaliar os parâmetros estatísticos, conhecidos como skewness (Rsk) e kurtosis (Rku), que são melhor entendidos se analisados pelos histogramas da Figura 4.3.
a) b) Altura do perfil Altura do perfil % de área da superfície % de área da superfície Continua
Figura 4.3 - Exemplos da representação da curva de Abott-Firestone sobre o histograma da porcentagem de área distribuída na altura do perfil, a) superfície nova,
b) superfície com 12 horas de ensaio e c) superfície com 62 horas de ensaio.
Com base no critério já descrito no capítulo 2, os valores negativos de skeuness, representam características de superfície com presença de grandes vales, considerando o entendimento da análise direta do parâmetro não apresenta diferença entre as superfícies. Entretanto, o acompanhamento dos histogramas e a análise dos parâmetros já citados anteriormente é possível observar a modificação na distribuição de área sobre o perfil.
A observação dos histogramas mostra que a distribuição das alturas estava mais homogênea na superfície simplesmente brunida. Com o decorre dos ensaios, esta distribuição ficou cada vez mais concentrada, próxima da região de contato. Apesar de considerar que o critério para entendimento da superfície para o parâmetro Rsk é diretamente a modificação da inclinação da distribuição normal para o lado negativo ou positivo dependendo da distribuição da área de contato, o histograma apresenta a maior concentração da área na região de contato entre as superfícies.
Na medida em que o desgaste ocorre, o valor do Rsk torna-se mais negativo e a uma parcela importante da área real de contato passa a ser o contato entre as superfícies como pode ser evidenciado na Figura 4.3 através do aumento do valor
c) Altura do perfil
