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TRIBOLOGIA - EMC 5315 -

Prof. Rodrigo Lima Stoeterau, Dr. Eng.

TribologiaEMC 5315

Esta apostila foi originalmente elaborada pelo professor Longuinho da Costa Leal do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarian, tendo sido a mesma, revisada, atualizada e complementada pelo professor Rodrigo Lima Stoeterau, para uso didático na discilplina de Tribologia do curso de Graduação.

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1 INTRODUÇÃO 1.1 A Tribologia 1.2 Histórico 1.3 Considerações sobre Fenômenos Tribológicos 1.5 Considerações Econômicas 1.4 Soluções Tribológicas

2 REVISÃO SOBRE SUPERFÍCIES TÉCNICAS 2.1 Natureza das Superfícies Metálicas 2.2 Avaliação da Textura Superficial 2.3 Parâmetros Superficiais 2.4 Curva de Sustentação ou Curva de Abott 2.5 Formas de Levantamento dos Parâmetros Superficiais 2.6 Relação entre o Processo de Fabricação, Tolerâncias e Acabemanto Superficial

3 ATRITO 3.1 Introdução 3.2 Atrito no Nível Molecular 3.3 Conceito de Área de Contato Real 3.4 Leis Quantitativas do Atrito 3.5 Teorias de Atrito 3.5.1 Teoria da Adesão 3.5.1.1 Teoria da Adesão Simplificada 3.5.1.2 Discussão Sobre a Teoria da Adesão Simplificada 3.5.1.3 Modificação da Teoria da Adesão 3.5.1.4 Críticas à Teoria da Adesão 3.5.2 Outras Contribuições à Força de Atrito 3.6 Atrito em Metais 3.7 Atrito em Não Metais 3.8 Atrito de Rolamento 3.8.1 Leis do Atrito de Rolamento 3.8.2 Temperatura na Superfície de Escorreagmento

3.8.3 Stick-Slip 3.9 Valores de Coeficiente de Atrito

4 DESGASTE 4.1 Introdução 4.2 Definição 4.3 Classificação do Desgaste 4.4 Mecanismos de Desgaste 4.4.1 Desgsate por Adesão 4.4.1.1 Estimativa Quantitativa do Desgaste por Adesão 4.4.1.2 Seleção de Materiais para Aumentar a Resistência ao Desgaste por Adesão 4.4.1.3 Controle do Desgaste Adesivo 4.4.2 Desgsate por Abrasão 4.4.2.1 Expressão Quantitativa para o Desgaste Abrasivo 4.4.2.2 Comprovação Experimental da Equação de Desgaste por Abrasão

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4.4.2.3 Materiais para Uso em Situações de Desgaste por Abrasão 4.4.3 Desgaste Dominante por Oxidação 4.4.4 Desgaste por Fadiga Superficial 4.4.5 Outras Formas de Desgaste 4.5 Projetando para Desgaste 4.6 Desgaste em Superfícies Lubrificadas 4.7 Materiais com Propriedades Excepcionais de Desgaste 4.8 Projetando para Desgaste Zero 4.8.1 Modelo Empírico para Desgaste Zero 4.8.2 Exemplo de Utilização do Modelo Empírico para Desgaste Zero

5 PROJETANDO PARA DESGASTE 5.1 Introdução 5.2 Categorias 5.2.1 Metal contra metal 5.3 Desgaste em Superfícies Lubrificadas 5.4 Materiais com Propriedades Excepcionais de Desgaste 5.5 Projetando para Desgaste Zero 5.5.1 Modelo Empírico para Desgaste Zero

6 LUBRIFICANTES

6.1 Introdução à Teoria da Lubrificação 6.2 Lubrificantes 6.2.1 Funções de Lubrificantes 6.2.1.1 Controle de Atrito 6.2.1.2 Controle de Desgaste 6.2.1.3 Controle de Temperatura 6.2.1.4 Controle de Corrosão 6.2.1.5 Isoladores Elétricos 6.2.1.6 Transmissão de Potência (Hidráulica) 6.2.1.7 Amortecimento de Choques 6.2.1.8 Remoção de Contaminantes 6.2.1.9 Elemento de Vedação 6.3 Lubrificantes Sólidos ou Materiais Auto-Lubrificantes 6.3.1 Tipos de Lubrificantes Sólidos 6.3.1.1 Metais com Estrutura Hexagonal 6.3.1.2 Filmes de Metais Moles 6.3.1.3 Sólidos Lamelares 6.3.1.4 Propriedades Tribológicas dos Plásticos Políméricos 6.4 Lubrificantes Líquidos 6.5 Lubrificantes Graxeos (Graxas) 6.6 Normas para Óleos Lubrificantes 6.6.1 Classificação das Viscosidades de Óleos Lubrificantes para Motores de

Combustão Interna 6.6.2 Relação entre o Sistema de Classificação Atual e o Antigo 6.6.3 Normas para Especificações e Teste de Óleos para Motores de Combustão Interna

7 ASPECTOS TRIBOLÓGICOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

7.1 Introdução 7.2 Conjunto de Cilindro/Pistão

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7.2.2 Previsão de Desgaste 7.3 Trens de Válvulas 7.3.1 Rugosidade Inicial da Superficie 7.3.2 Rugosidade da superfície / análise de ondulamento 7.3.3 Previsão de Desgaste 7.3.4 Ondulações 7.4 Mancais do Motor 7.4.1 Interação de Asperezas 7.4.2 Ondulações do Eixo 7.5 Desafios Futuros

8 LUBRIFICAÇÃO DE MANCAIS DE ROLAMENTO E ESCORREGAMENTO 8.1 Mancais de Rolamento 8.1.1. Lubrificação por Óleo. 8.1.1.1 Lubrificação por Imersão 8.1.1.2 Lubrificação por Circulação 8.1.1.3 Lubrificação por Névoa 8.1.2 Seleção de Viscosidade de Óleos para Mancais de Rolamento 8.1.3 Lubrificação com Graxa 8.1.3.1 Quantidade de Graxa 8.1.3.2 Troca de Graxa 8.2 Mancais de Escorregamento 8.2.1 Fatores que Influem na Seleção de Lubrificantes para Mancais de Escorregamento 8.2.2 Lubrificação por Óleo 8.2.3. Causas de problemas em mancais de escorregamento

9 LUBRIFICAÇÃO DE ENGRENAGENS 9.1 Sistemas de Lubrificação 9.1.1 Engrenagens Fechadas 9.1.2 Engrenagens Abertas 9.2 Regimes de Lubrificação em Engrenagens 9.2.1 Lubrificação Limite 9.3 Escolha dos Lubrificantes e suas Propriedades. 9.3.1 Lubrificantes para engrenagens industriais. 9.3.2 Lubrificantes para engrenagens de automoção 9.4 Comportamento dos compostos polares e aditivos extrema pressão 9.5 Troca de óleos lubrificantes para engrenagens 9.6 Relação Entre o Sistema de Classifiação Antigo e Atual 9.7 Testes para Óleos Lubrificantes de Motores de Combustão Interna – SAE J304/82.

R-1 Tribology aids for Designers – Thijisse, C. J. R-2 TheTribological design of machine elements – Cheng, H.S. R-3 Engineering Surfaces – A development Subject – Stout, K. J. R-4 Projetando para Desgaste Zero – Bayer R.G., Shaley A.T., Wayson A.R. 4-5 Projetando para Desgaste Mensurável – Bayer R.G., Wayson A.R.

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Simbologia

constante condutividade térmica variação coeficiente de atrito

ecoeficiente de atrito estático dcoeficiente de atrito dinâmico

rcoeficiente de atrito rolamento coeficiente de Poisson

etensão de escoamento a tração tensão cizalhate no escoamento de fluidos

etensão de escoamento no cizalhamento

ctensão crítica de cizalhamento

etensão de escoamento na compressão energia superficial

viscosidade absoluta ou dinâmica

i ângulo

m elevação de temperatura resistência de contato

densidade

Aaárea aparente Apvárea projetada vertical Aphárea projetada horizontal Arsárea resistente Atcárea total de contato

Arárea real c calor específico cl folga dadprofundidade média de desgaste por adesão D distância percorrida

De distância de escorregamento por operação unitária Etenergia total Ecenergia cinética Eaenergia dissipada pelo atrito

Epenergia potêncial f força faforça de atrito far força de atrito rolamento F força

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Frforça resultante H dureza

J equivalente mecânico do calor; ki condutividade térmica k constante K coeficiente de desgaste de Archard lV comprimento prévio lE comprimento singular de medição lm comprimento útil medido ln comprimento posterior L carregamento

Lt comprimento total de apalpação Le comprimento total de escorregamento nc número de passos por operação unitária nd número de carregamentos por operação npd número de passos para uma oscilação completa Nforça Normal

Njnúmero total de junções formada por unidade de distância de escorregamento pprobabilidade de formação de uma partícula

Pepressão de escoamento Pcpressão de contato

Pnpressão normal de contato qtaxa de desgaste local

Qtaxa total de desgaste

Qadtaxa total de desgaste por adesão

Qoxtaxa total de desgaste por oxidação r raio

Rarugosidade média Rmaxrugosidade máxima Rpprofundidade de alisamento Rt rugosidade

RZ rugosidade S deslocamento t tempo

Tmax temperatura máxima Uvelocidade v velocidade vevelocidade de escorregamento vrvelocidade de rolamento

Vpvolume de partículas W largura da área de contato na direção do escorregamento

Zi rugosidades singulares

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1.1 A Tribologia

A palavra tribologia é derivada das palavras grega TRIBOS que significa atrito, e

LOGOS que significa estudo, de forma que uma tradução literal significa 'Estudo do Atrito', ou a ciência que estuda o Atrito. Tribologia é definida como “A ciência e a tecnologia da interação entre superfícies com movimento relativo e dos assuntos e práticas relacionadas”. A palavra tribologia, em sua atual conotação, surgiu pela primeira vez na Inglaterra, em 1966, em um relatório do Departamento de Educação e Ciência. Embora a palavra seja nova, o assunto a que se refere não o é, incluindo os tópicos relativos ao atrito, desgaste e lubrificação. A invenção da roda ilustra bem a preocupação do homem em reduzir o atrito nos movimentos de rotação e consequentemente de translação, e essa invenção é anterior a qualquer registro histórico existente. A necessidade de nosso envolvimento com problemas tribológicos de atrito e desgaste é perfeitamente justificável pois esses fenômenos afetam quase todos os aspectos de nossa vida. Não estão restritos as máquinas que usamos e a seus mancais. A ação de juntas animais é uma situação tribológica e a cura de doenças como a artrite é devida, em grande parte, ao conhecimento dos tribologistas. Nós dependemos também do controle do atrito em atividades de laser, como escaladas de montanhas, esquiar ou imprimir movimentos relativos a bolas de tênis, vôlei, basquete ou futebol. Segurar, cortar e escovar são outra manifestações da tribologia no nosso dia a dia, enquanto limpar os dentes é um processo controlado de desgaste, onde se deseja evitar o desgaste do esmalte e eliminar filmes indesejáveis. A habilidade de caminhar é dependente da existência de atrito apropriado, de modo que os efeitos tribológicos tiveram uma grande influência no processo de evolução.

Podemos verificar o efeito do atrito na evolução considerando o desenvolvimento do movimento de translação sobre a superfície terrestre ao longo do tempo. Na figura 1.1 a resistência à translação é representada pela relação resistência/peso, a qual pode ser considerada como um coeficiente de atrito equivalente . O gráfico mostra, ao longo da linha G, como evoluiu a facilidade translação com o tempo, desde os primeiros movimentos rastejantes, até o movimento dos atletas modernos. Note-se que as escalas na figura não são lineares mas logarítmicas, o que torna a forma das curvas um tanto enganosas.

O homem moderno, a partir de cerca de 10.0 anos atrás, usou sua inventividade para obter melhores desempenhos do que o permitido pelo desenvolvimento fisiológico dos animais. O uso de lubrificantes e o desenvolvimento da roda mostraram-se muito vantajosos, como pode ser verificado pela linha M. Figura 1.1– Desenvolvimento da locomoção através da história (Halling, 1983)

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É interessante, também, registrar os resultados da figura 1.1 com relação à velocidade alcançada em cada método de translação, conforme mostra a figura I.2. Tem-se, novamente, duas curvas, uma representando o processo de evolução, e a curva devido a inventividade humana. Verifica-se, claramente, que seguindo a evolução animal simplesmente, o homem ficaria muito limitado, linha G. Usando sua criatividade, pela aplicação de princípios científicos e materiais diferentes dos puramente fisiológicos, consegui sobrepujar amplamente suas restrições, linha M.

Figura 1.2 – Resultados da figura 1.1 indicando velocidades alcançadas (Halling,1983)

1.2 Histórico

A invenção da roda pelo homem constituiu-se em um dos primeiros dispositivos tribológicos criados, mas o atrito afetou o desenvolvimento da civilização de várias formas. É conhecido o uso de brocas durante o período paleolítico, que eram apoiadas em mancais feitos de chifres ou ossos e serviam para fazer furos e produzir fogo. É possível supor que o desenvolvimento dos primeiros mancais progrediu a partir do momento em que o homem começou a empregar o movimento rotativo. As rodas de oleiro, utilizadas em 2.0 A.C. empregavam mancais de pedra polida.

O mais antigo registro do uso de rodas em veículos provem de tábuas da Suméria, na antiga Babilônia, e datam de 3.500 A.C.. Os lubrificantes foram, também, empregados neste

= Resistência /

P e s o

P a l e o z ó i c o

M e s o z ó i c o P r é -c a m b ri a n o

Cenozóico

M 1 – ESCORREGAMENTO M 2 – USO DE LUBRIFICANTES M 3 – RODA PRIMITIVA M 4 – USO DA RODA M 5 – ESTRADA DE FERRO M 6 – LOCOMOTIVA MODERNA

G 1 – PRIMEIROS RÉPTEIS G 2 – RASTEJADORES G 3 – MACACOS G 4 – HOMENS G 5 – ATLETAS

Velocidade [m/s].

Re sistência /

P e s o

TribologiaEMC 5315 período, o que foi constatado pela abertura de tumbas do Egito antigo. Uma carruagem lá encontrada continha lubrificante animal, possivelmente sebo de boi ou de carneiro nos mancais das rodas.

A aplicação de princípios tribológicos na redução do atrito em movimentos lineares pode ser constatado, também, no antigo Egito. Ilustrações na forma de baixo relevo mostram o uso de rolos e pranchas para transportar figuras colossais. A figura 1.3 mostra um exemplo desse tipo de transporte: nesta 172 escravos são empregados para puxar uma grande estátua pesando cerca de 6X105 newtons (60 ton.). O desenho mostra um homem sobre o trenó colocando um líquido na sua frente. Possivelmente um dos primeiros preocupados com a lubrificação. Esta figura mostra também, homens carregando pranchas planas e jarros contendo, possivelmente lubrificante.

Figura 1.3 – Transporte de um colosso egípcio a cerca de 1900 A.C (Halling, 1983)

Se assumirmos que cada escravo possa exercer uma força de 800N, o coeficiente de atrito seria:

O trabalho de Bowden e Tabor de 1950 fornecem os seguintes valores para o coeficiente de atrito entre madeira e madeira: •0,2 para madeira molhada

•de 0,25 a 0,50 para madeira seca e limpa

É possível deduzir, portanto, que o trenó estivesse deslizando sobre pranchas de madeira lubrificadas.

Um outro exemplo, citado por Harris (1966) em seu livro sobre mancais de rolamento, refere-se a uma ilustração mostrando assírios movimentando um enorme bloco de pedra apoiado em pranchas dispostas sobre roletes. A data provável é 10 A.C., o peso do bloco e treno foi estimado em 7 X 104 N (7 ton.), e o número máximo de homens puxando igual a 8.

Figura 1.4 – Transporte de um colosso Assírio a cerca de 10 A.C.

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Assumindo que cada escravo pudesse exercer também uma força de 800 N, o coeficiente de atrito de rolamento correspondente seria de :

Os valores numéricos calculados para o coeficiente de atrito nos dois exemplos citados sugerem que, por volta de 10 A.C., um desenvolvimento tribológico considerável ocorreu, representado pela mudança do movimento de deslizamento para rolamento.

Em 1928 foi encontrado no lago Nimi, perto de Roma, os fragmentos do que deveria ter sido um mancal axial de esferas, possivelmente de 40 A.C.. O mancal é mostrado na figura 1.4 e foi provavelmente utilizado para suportar uma estátua, facilitando seu giro durante a escultura.

Considerando outros colossos da antigüidade clássica tais como Stone Heng e as estátuas da Ilha da Páscoa, pode-se imaginar que desafios tribológicos estes se tornaram a seus idealizadores.

Figura 1.5 – Detalhe da reconstrução teórica do mancal encontrado no lago Nemi.

Praticamente não ocorreu desenvolvimento tribológico posterior, a não ser na época de Leonardo da Vinci (1452-1519), o qual foi primeiro constatou que a força de atrito é proporcional m m

TribologiaEMC 5315 à carga e independente da área nominal de contato. Isso ocorreu quase 200 anos antes que estas leis fossem enunciadas por Amonton, em 1699. Amonton, independentemente de Leonardo da Vinci, realizou investigações experimentais e postulou suas leis. O século XVIII viu consideráveis desenvolvimentos tribológicos devido ao crescente envolvimento do homem com novas máquinas. Em 1780, aproximadamente, Coulomb confirmou as leis de atrito de Amonton e estabeleceu a terceira lei, em que a força de atrito é independente da velocidade. Essas três leis ainda são usadas e podem ser encontradas nos livros atuais de física e engenharia sobre o atrito.

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