Módulo 5 – Mancais e sua
lubrificação.
PRINCÍPIOS BÁSICOS
DA LUBRIFICAÇÃO
Princípios básicos
A lubrificação pode ser definida como o fenômeno da
redução de atrito entre duas superfícies em
movimento relativo, por meio da introdução de uma
substância entre as mesmas.
Esta substância interposta pode ser sólida, como a
grafita. Sendo, então, uma lubrificação sólida. A grafita
é o lubrificante mais recomendado para fechaduras
de automóveis, exemplo prático onde o lubrificante
sólido é insuperável.
Princípios básicos
O mais usual é a lubrificação fluida, com óleo mineral.
Embora de pouco emprego prático outros fluidos podem ser usados, inclusive ar ou água. Muito comum no caso de bombas, onde o líquido a ser bombeado é o próprio lubrificante.
Princípios básicos
A função do lubrificante é possibilitar que o movimento
se faça com o mínimo de aquecimento, ruído e desgaste. Isto é possível substituindo-se o atrito direto entre as duas superfícies por atrito fluido.
A espessura do fluido entre as superfícies me movimento
deve ser superior à soma das alturas das rugosidades das mesmas.
Atrito e desgaste
Atrito
Sempre que uma superfície se mover em relação à outra,
haverá uma força contrária à esse movimento. Força denominada de atrito ou resistência ao movimento.
Considerando o tipo de contato entre as superfícies
podemos distinguir atrito em:
• Atrito sólido: • Atrito fluido:
Atrito e desgaste
Atrito sólido:
Quando há contato de duas superfícies sólida entre si,
sendo estes:
• Atrito de deslizamento: quando uma superfície se desloca
diretamente com contato com a outra.
• Atrito de rolamento: quando o deslocamento se dá
através de rotação de corpos cilíndricos ou esféricos, colocados entre as superfícies em movimento. Como a
Atrito e desgaste
Atrito fluido:
Quando existir uma camada fluida separando as
superfícies em movimento. O fluido que forma esta camada chama-se lubrificante.
Atrito e desgaste
Causas do atrito
As superfícies sólidas, mesmo as mais polidas, apresentam
asperezas e irregularidades. O modo como as superfícies se relacionam caracteriza os mecanismos de atrito:
• Cisalhamento; • Adesão.
Atrito e desgaste
Se ambas tem durezas semelhantes, haverá ruptura de
ambos os picos em contato, mas se uma das superfícies é menos dura, os picos da superfície dura agirão como uma ferramenta de corte.
Atrito e desgaste
Adesão: quando as superfícies em contato apresentam
áreas relativamente planas em vez de picos, o atrito de desenvolve pela soldagem à frio dessas microáreas planas. A adesão é a maior responsável pela resistência ao movimento.
Atrito e desgaste
Atrito de deslizamento
Se dois corpos são
colocados em contato e há movimento ou tendência de movimento relativo, ocorrem forças que se opõem ao movimento ou tendência ao movimento.
Atrito e desgaste
Enquanto a força Fa for
suficiente para impedir o movimento relativo, o atrito é estático. Se o movimento se inicia, o atrito é cinético.
No atrito estático, a força
de atrito Fa será sempre igual ou maior do que a
Atrito e desgaste
A partir daí não existe mais
o equilíbrio. Derivadas dos estudos de Coulomb em 1781, temos as leis gerais do atrito:
A força limite de atrito é
proporcional à resultante das solicitações normais entre as superfícies em contato. (Fa~N).
Atrito e desgaste
A força limite de atrito
independe da área de contato.
A força limite de atrito
independe da velocidade relativa das superfícies em contato.
Atrito e desgaste
Coeficiente de atrito.
Considerando que a força limite de atrito estático e
cinético é proporcional às solicitações normais entre as superfícies, chamamos de coeficiente de atrito ao próprio coeficiente de proporcionalidade, μ.
Fa= μN
O atrito estático é normalmente maior que o atrito
cinético e o atrito em superfícies lubrificadas é menor do que em superfícies secas.
Atrito e desgaste
Atrito de rolamento
Quando uma superfície esférica ou cilíndrica rola sobre
outra superfície, devido às deformações, manifesta-se uma força de resistência ao movimento chamada de resistência ao rolamento.
Atrito e desgaste
A distância μr, é chamado
de coeficiente de resistência ao rolamento. Quando atuar a força F, irá manifestar-se uma força de atrito Fa<F, impedindo o deslizamento e dando origem ao rolamento. Esta força de atrito, como não há deslizamento, não atua, pois a velocidade no ponto A é nula.
Atrito e desgaste
Seja a superfície de
rolamento deformada plasticamente pela esfera, que recebe uma carga P.
A resultante da reação
superficial ocorrerá em um ponto B. Pela análise estática encontramos:
Atrito e desgaste
O coeficiente de atrito μr
depende:
• Das propriedades elásticas
dos elementos rolantes;
• Das propriedades elásticas
das pistas; • Do acabamento superficial; • Da direção da carga; • Da rotação do elemento rolante; • Da temperatura de operação; • Do tipo do mancal;
• Das direções dos
elementos rolantes;
• Do raio de curvatura da
Atrito e desgaste
Desgaste
Muito embora o objetivo imediato da lubrificação seja
reduzir o atrito, podemos considerar que sua finalidade última seja diminuir o desgaste.
Atrito e desgaste
Todos os corpos sofrem a ação do desgaste com o
decorrer do tempo. Logicamente, duas superfícies em movimento, uma contra a outra, sofrerão desgaste.
Por meio da lubrificação adequada, procura-se minimizar
o desgaste, que se apresenta sob várias formas, algumas provenientes de deficiências de lubrificação.
Atrito e desgaste
O conhecimento dos diversos tipos de desgaste é
importante para averiguar suas origens e procurar a melhor forma de evitá-los.
Exemplos:
• Abrasão: proveniente de partículas de material abrasivo
(areia ou pó) contido no óleo lubrificante;
• Desalojamento: que consiste na remoção de metal de um
Atrito e desgaste
Corrosão: proveniente de contaminantes ácidos (ataque
químico);
Endentação: consequência de penetração de corpo
estranho duro (cavacos metálicos, impurezas)
Atrito e desgaste
Erosão: endentações causadas pela repetição de choques
com pesadas sobrecargas;
Fragmentação: produzida por instalação defeituosa;
Esfoliação ou Escamação: causada pela fadiga por
submeter o metal a repetidos esforços além de sua capacidade limite;
Atrito e desgaste
O desgaste é uma consequência inevitável do contato de
superfícies em movimento, podendo ser controlado ou minimizado mas não eliminado.
Na engenharia utilizam-se vários processos para evitar o
Atrito e desgaste
Exemplos:
• Utilização de materiais de maior dureza;
• Melhoramento do acabamento superficial dos materiais
em contato;
• Utilização de materiais diferentes nas superfícies em
contato;
• Eliminação de partículas em suspensão no fluido
LUBRIFICAÇÃO
HIDRODINÂMICA
Lubrificação hidrodinâmica
Lubrificação Hidrodinâmica
Se for possível separar por um lubrificante as superfícies
em movimento, de modo a evitar ou reduzir o contato entre elas, duas vantagens são observadas:
• Reduzem-se as forças de atrito, pois a resistência dos
fluidos ao deslocamento é muito menor que as forças de adesão e cisalhamento;
• Reduz-se o desgaste, por evitar o contato sólido das
Lubrificação hidrodinâmica
A formação de uma camada de fluido ou filme de fluido
pode ser obtida de duas maneiras:
• Lubrificação Hidrostática - se estiverem as superfícies
imóveis, o fluido é pressurizado no espaço entre elas, separando-as pela ação da pressão;
• Lubrificação Hidrodinâmica - quando o filme de fluido se
Lubrificação hidrodinâmica
A lubrificação hidrodinâmica é aquela na qual a
viscosidade é o fator mais importante. Não ha,
teoricamente, desgaste, uma vez que as superfícies
lubrificadas nunca entram em contato.
Entretanto, na pratica, nunca temos lubrificação
Lubrificação hidrodinâmica
O coeficiente de atrito na lubrificação hidrodinâmica
situa-se entre 0,001 e 0,03, dependendo da viscosidade, das superfícies em contato, da velocidade relativa, da área das superfícies, da espessura do filme fluido, da forma geométrica das superfícies e da carga exercida sobre o filme fluido.
Lubrificação hidrodinâmica
Cunha de óleo
O desenvolvimento do filme fluido exige que as
superfícies não sejam paralelas, e a separação dessas superfícies é função da viscosidade. O fator viscosidade é critico.
Quanto mais viscoso for um lubrificante, maior a
espessura da camada formada entre as superfícies, ou filme fluido.
Lubrificação hidrodinâmica
Lubrificação de superfícies planas
Suponha-se um bloco deslizando sobre uma superfície
plana. Para uma correta lubrificação hidrodinâmica, alguns fatores devem ser observados:
Lubrificação hidrodinâmica
A borda avançada deve ser chanfrada ou arredondada; O bloco deve permitir que ele se incline em relação a
Lubrificação hidrodinâmica
Ao contato do bloco com a superfície, o bloco deve ser
projetado, em termos de área, para que possa flutuar sobre o filme fluido.
Lubrificação hidrodinâmica
Antes de o bloco iniciar o movimento, existe contato
metal-metal.
Uma vez iniciado o movimento, o atrito é considerável,
até que sua borda arredondada ou chanfrada encontre o suprimento de fluido lubrificante e uma camada permaneça na superfície inferior do bloco, permitindo seu deslocamento até que a quantidade de lubrificante que entra seja igual à que sai, atingindo a espessura de equilíbrio.
Lubrificação hidrodinâmica
Nessas condições, o atrito é mínimo, o bloco assume uma
posição ligeiramente inclinada e é sustentado pela pressão hidrodinâmica do lubrificante.
Lubrificação hidrodinâmica
Lubrificação de um mancal Na figura (a) vemos um
eixo em repouso dentro de um mancal. Ao ser projetado, deverá haver uma diferença de diâmetros entre o eixo e o mancal,
Lubrificação hidrodinâmica
pois se não houver tal
diferença as duas superfícies (externa do eixo e interna do mancal) serão paralelas e não se formará a cunha de óleo necessária ao desenvolvimento do filme de lubrificante.
Lubrificação hidrodinâmica
Na figura, a excentricidade
foi exagerada para melhor compreensão.
Observe-se que o eixo
repousa sobre o mancal, não havendo filme de óleo entre eles. Ha contato entre o eixo e o mancal.
Lubrificação hidrodinâmica
Na figura (b) vemos o que
acontece ao se iniciar o movimento de rotação do eixo.
O eixo sobe pela parede
do mancal e com esse movimento comprime o lubrificante entre as duas superfícies.
Lubrificação hidrodinâmica
Nesta fase inicial, a rotação
do eixo ainda não é suficiente para desenvolver totalmente o filme de óleo, porém já se forma uma fina película de lubrificante.
Nesta fase, a lubrificação
não é perfeita; ha um atrito elevado entre as peças com consequente desgaste.
Lubrificação hidrodinâmica
Portanto, este período,
chamado de Fase de Lubrificação Limítrofe ou Lubrificação de Fronteira, deve ser o menor possível, ou seja, o sistema deve atingir rotação suficiente para formação do filme normal no menor tempo
Lubrificação hidrodinâmica
Na figura (c) observa-se
que, se a rotação do eixo foi elevada, também a pressão do óleo na cunha se elevou a ponto de suportar o peso do eixo e sua eventual carga, formando um filme completo de óleo em torno do eixo e impedindo o seu contato com o manual.
Lubrificação hidrodinâmica
O atrito é reduzido a um
valor mínimo; não ha desgaste, pois não ha contato sólido-sólido.
Lubrificação hidrodinâmica
O único atrito existente é
devido à fricção interna do óleo, ou seja, sua viscosidade.
Para cada velocidade de
rotação do eixo, haverá uma posição de equilíbrio do eixo no mancal, pois o ponto de aplicação da pressão da cunha de óleo ira deslocar-se.
Lubrificação hidrodinâmica
É o que vemos na figura (d),
em que o eixo se deslocou para a direita em função do aumento de rotação. É preciso notar que haverá uma permanente circulação de óleo dentro do mancal.
Lubrificação hidrodinâmica
A rotação do eixo tende a
desloca-lo para a esquerda, fazendo com que o óleo nesta área sofra uma pressão crescente no sentido da parte inferior do mancal.
Lubrificação hidrodinâmica
Sendo máxima no ponto
diametralmente oposto a carga (no caso, o peso do eixo), suportando o eixo.
Deste ponto em diante ha
uma queda brusca da pressão, fazendo com que o óleo escoe nessa direção, e forçando o restante do
Lubrificação hidrodinâmica
Observa-se que, se a direção da carga for oposta, também
será oposta a direção do ponto de pressão máxima.
Isto é importante porque os mancais reais recebem um
fluxo externo de lubrificante cujo objetivo é dispersar o calor gerado pela fricção.
Lubrificação hidrodinâmica
O ponto do mancal onde este fluxo deve ser injetado
depende da posição do ponto de pressão máxima, logicamente, o ponto de injeção devera ser em uma área de baixa pressão do mancal para evitar contrapressão no ponto de injeção. A pressão hidrodinâmica do óleo é responsável pela flutuação da peça superior, sem tocar na inferior.
LUBRIFICAÇÃO
LIMÍTROFE
Lubrificação limítrofe
A lubrificação limítrofe é aquela na qual a película de óleo é tênue.
Podemos classificar os casos de lubrificação limítrofe em quatro tipos:
• Tipo 1: Lubrificação limítrofe suave, ou de baixa pressão e baixa
temperatura. Exemplos: mancais de bucha sob velocidades pequenas.
• Tipo 2: Lubrificação limítrofe de temperatura elevada. Exemplos cilindros
de maquinas a vapor superaquecido, motores de combustão interna para aviões.
• Tipo 3: Lubrificação limítrofe de alta pressão. Exemplos: mancais de
Lubrificação limítrofe
O valor do coeficiente de atrito na lubrificação limítrofe é
de dez a cem vezes maior que na hidrodinâmica.
Assume grande importância uma característica
denominada oleosidade, responsável pelo fenômeno de dois óleos de mesma viscosidade apresentarem diferenças de comportamento no tocante a resistência da película lubrificante.
Lubrificação limítrofe
A maior oleosidade de um lubrificante é normalmente
devida a existência de moléculas polares que apresentam grande afinidade com as demais moléculas do óleo e com o metal da superfície a lubrificar.
Um agente de oleosidade pode ser muito eficaz para uma
determinada liga metálica e completamente ineficiente para outra. Entretanto, alguns efeitos atribuídos, à primeira vista, à oleosidade podem ser melhor explicados
Lubrificação limítrofe
A lubrificação limítrofe extrema, na qual tanto a
temperatura como a pressão de carga são muito elevadas, é comumente chamada de lubrificação de extrema pressão (EP). Entretanto, o fator preponderante é a
alta temperatura.
Para avaliar a importância da temperatura proveniente do
atrito em alta velocidade, basta dizermos que, uma engrenagem cônico-helicoidal lubrificada com óleo mineral pode suportar até 159 toneladas em baixa velocidade, mas somente um máximo de 900 kg em velocidades elevadas,
Lubrificação limítrofe
A formação do filme fluido se dá, basicamente, de duas
formas:
• Adsorção Física; • Adsorção Química.
Lubrificação limítrofe
Adsorção Física
Se uma gota de óleo mineral puro é colocada sobre um
metal, a tendência é que o óleo se espalhe e unte a superfície, mas isto não ocorreria se colocássemos ácidos graxos. Primeiramente, a aderência seria muito rápida, resultante de uma atividade superficial do metal.
Lubrificação limítrofe
Óleos minerais puros tem pequena tendência de reagir
com outras substancias, e os ácidos graxos contém compostos químicos que são ativos, solúveis no óleo e com tendências inerentes de solubilidade na água.
Em contato com a superfície metálica, a molécula ativada
orienta-se perpendicularmente à superfície, formando uma camada espessa, ou filme, bastante aderida, cuja atuação se assemelha a de um amortecedor, reduzindo
Lubrificação limítrofe
As moléculas adsorvidas ficam tão estáticas que a
primeira camada do filme parece estar no estado solido. A habilidade de adsorver fisicamente essas moléculas à superfície pode variar de acordo com a constituição molecular, podendo ser polar e não polar.
As moléculas polares orientam-se sobre a superfície pela
força de adesão, tais como a do hexadecanol, possuindo uma moderada resistência de filme, chamada oleosidade. As moléculas não polares, tais como a do hexadecano, benzeno, possuem péssima resistência de filme, sempre resultando em um alto coeficiente de atrito.
Lubrificação limítrofe
Adsorção Química
Frequentemente a adsorção parece ser física a
baixas temperaturas e se altera para química quando em altas temperaturas. É caracterizada por
uma irreversibilidade, pois o filme resulta de produtos de moderada reação química do metal.
Um exemplo típico é o do acido hexadecanóico (acido
esteárico) reagindo com o óxido de ferro na presença de água, formando um filme sobre a superfície que ainda
Lubrificação limítrofe
Reação Química
O filme é resultado de produtos de elevada reatividade
química do metal, apresentando espessura ilimitada. E uma condição bastante típica para a lubrificação de elevadas cargas e altas temperaturas e são conhecidas como condições de extrema pressão.
Os compostos mais usados na lubrificação limítrofe são
