introducao a lubrificacao e mancais

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1.1 CAPÍTULO 1 - INTRODUCÃO À LUBRIFICACÃO E MANCAIS 1.1 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ÓLEOS LUBRIFICANTES 1.1.1 - Viscosidade Dinâmica, A Figura 1.1, ao lado, mostra esquematicamente uma placa A movendo-se com uma velocidade U relativamente a uma superfície estacionária. Um filme de lubrificante de espessura h é mantido entre a placa móvel e a base fixa. Imaginemos que o filme de lubrificante seja compos- to de uma série de camadas horizontais sobrepostas (como as cartas de um baralho). A força F aplicada sobre a placa A acarreta o movimento desta, provocando o deslocamento de cada camada horizontal sobre as outras. A camada em contato com a placa móvel tem a mesma velocidade U desta, enquanto que a ca- mada em contato com a superfície estacionária tem velocidade nula. As camadas intermediárias têm velocidades que dependem de suas distâncias "y" à superfície estacionária. Segundo a lei de Newton para um escoamento viscoso, a tensão de cisalhamento no fluido é proporcional à taxa de variação da velocidade relativamente a y, ou seja: y d u d A F (1.1) onde é a constante de proporcionalidade, definida como viscosidade absoluta ou dinâmica. A derivada du/dy é a taxa de variação da velocidade com a distância e pode ser chamada de "taxa de cisalhamento", ou gradiente de velocidade. A viscosidade é, portanto, uma medida da resistência in- terna de atrito do fluido. Considerando que a taxa de cisalhamento é uma constante, então du/dy = U/h, e, da equação (1.1), resulta: h U A F (1.2) Portanto, da equação (1.2) é evidente que a viscosidade dinâmica tem a seguinte dimensão no sistema FLT: ]. L / T F [ 2 No sistema internacional = [Pa . s] = 2 m s N No sistema Inglês = [Reyn] = pol s lb 2 No sistema cgs = [Poise] = cm s . dina 2 = [P] Conversão de unidades: P 10 cP 1 2 1 Reyn s Pa 10 x 89 , 6 3 cP 10 s Pa 1 3 1 Reyn cP 10 x 89 , 6 6 1.1.2 - Viscosidade Cinemática, A viscosidade cinemática é uma propriedade dos fluidos amplamente empregada no estudo da lubrificação. É definida como a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica do fluido, = / e tem, portanto, a dimensão [L 2 /T]. A unidade mais comumente empregada é o centi-Stoke [cSt], [mm 2 /s]. Óleos minerais refinados são empregados para a grande maioria dos mancais de deslizamento, bem como dos mancais de rolamento lubrificados a banho de óleo. Fig. 1.1

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Lubrificação

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Page 1: introducao a lubrificacao e mancais

1.1

CAPÍTULO 1 - INTRODUCÃO À LUBRIFICACÃO E MANCAIS 1.1 – PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ÓLEOS LUBRIFICANTES

1.1.1 - Viscosidade Dinâmica,

A Figura 1.1, ao lado, mostra esquematicamente uma placa A movendo-se com uma velocidade U relativamente a uma superfície estacionária. Um filme de lubrificante de espessura h é mantido entre a placa móvel e a base fixa. Imaginemos que o filme de lubrificante seja compos-to de uma série de camadas horizontais sobrepostas (como as cartas de um baralho). A força F aplicada sobre a placa A acarreta o movimento desta, provocando o deslocamento de cada camada horizontal sobre as outras.

A camada em contato com a placa móvel tem a mesma velocidade U desta, enquanto que a ca-mada em contato com a superfície estacionária tem velocidade nula. As camadas intermediárias têm velocidades que dependem de suas distâncias "y" à superfície estacionária. Segundo a lei de Newton para um escoamento viscoso, a tensão de cisalhamento no fluido é proporcional à taxa de variação da velocidade relativamente a y, ou seja:

ydud

AF (1.1)

onde é a constante de proporcionalidade, definida como viscosidade absoluta ou dinâmica. A derivada du/dy é a taxa de variação da velocidade com a distância e pode ser chamada de "taxa de cisalhamento", ou gradiente de velocidade. A viscosidade é, portanto, uma medida da resistência in-terna de atrito do fluido. Considerando que a taxa de cisalhamento é uma constante, então du/dy = U/h, e, da equação (1.1), resulta:

hU

AF (1.2)

Portanto, da equação (1.2) é evidente que a viscosidade dinâmica tem a seguinte dimensão no sistema FLT:

].L/TF[ 2

No sistema internacional = [Pa . s] = 2m s N

No sistema Inglês = [Reyn] = pol

s lb2

No sistema cgs = [Poise] = cm

s .dina 2 = [P]

Conversão de unidades: P10cP1 2 1 Reyn sPa10x89,6 3

cP10sPa1 3 1 Reyn cP10x89,6 6 1.1.2 - Viscosidade Cinemática,

A viscosidade cinemática é uma propriedade dos fluidos amplamente empregada no estudo da lubrificação. É definida como a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica do fluido,

= / e tem, portanto, a dimensão [L2/T]. A unidade mais comumente empregada é o centi-Stoke [cSt], [mm2/s]. Óleos minerais refinados são empregados para a grande maioria dos mancais de deslizamento, bem como dos mancais de rolamento lubrificados a banho de óleo.

Fig. 1.1

Page 2: introducao a lubrificacao e mancais

1.2

Geralmente os óleos lubrificantes são especificados pela viscosidade cinemática, , à temperatu-ra de 40oC, conforme mostrado na Tab. 1.1, por exemplo, que mostra a classificação ISO para lubrifi-cantes industriais. A Tabela 1.1 mostra também a massa específica e o calor específico de cada óleo a três temperaturas diferentes. Tabela 1.1 – Viscosidade cinemática a 40°C, massa específica e calor específico dos óleos lubrificantes da classificação ISO industrial.

Graus ISO de viscosidade

Viscosidade média a 40oC

cSt

Massa específica, Calor específico, Cp a 60oC kg/m3

a 70oC kg/m3

a 80oC kg/m3

a 60oC kcal/kg oC

a 70oC kcal/kg oC

a 80oC kcal/kg oC

ISO 2 2,2 ISO 3 3,3 ISO 5 4,6 ISO 7 6,8

ISO 10 10 ISO 15 15 ISO 22 22 ISO 32 32 860 857 852 0,460 0,469 0,479 ISO 46 46 864 860 854 ISO 68 68 869 864 858

ISO 100 100 ISO 150 150 ISO 220 220 ISO 320 320 ISO 460 460 ISO 680 680

ISO 1000 1000 ISO 1500 1500

Observação: Os dados da Tab. 1.1 podem apresentar alguma diferença, devido a diferentes aditivos contidos no óleo e outros fatores.

1.1.3 - Viscosidade de um Lubrificante - Variação com a Temperatura Viscosidade e sua variação com a temperatura são os fatores mais importantes a serem considerados ao selecionar um lubrifi-cante para mancais de rolamento ou de desli-zamento. Existem várias fórmulas teóricas para calcular a variação da viscosidade com a temperatura, sendo que a fórmula empírica da ASTM (Walther) é que fornece melhores resultados para uma faixa relativamente am-pla de temperatura:

log [log ( + 0,6)] = k1 log Tabs + k2 (1.3)

onde é a viscosidade em cSt (mm2/s)

Tabs = T + 273,15 T = [°C]

A Figura 1.2 mostra, em escala linear, a variação da viscosidade cinemática com a temperatura de quatro óleos lubrificantes da classificação SAE para veículos automotivos.

Fig. 1.2 – Variação da viscosidade com a temperatura. Óleos SAE para veículos automotivos.

Page 3: introducao a lubrificacao e mancais

1.3

1.1.4 – Índice de viscosidade

A Figura 1.3 mostra o conceito de Índice de Viscosidade, I.V. de um óleo A (naftênico) e de um óleo B (parafínico). O óleo B possui maior índice de viscosidade que o óleo A. Isso significa que o óleo B apresenta menor variação da viscosidade com a tempe-ratura. Historicamente, durante a revolução industrial, um óleo lubrificante obtido a partir de um petróleo naftênico apresentava uma variação muito acentuada da viscosidade com a temperatura, sendo portanto ina-dequado para a lubrificação automotiva. Por outro la-do, um óleo obtido a partir de um petróleo parafínico apresentou menor variação da viscosidade com a tem-peratura, sendo portanto mais adequado.

A Figura 1.4 mostra, em escala logarítmica, de acordo com o padrão ASTM, a variação da vis-cosidade com a temperatura dos óleos ISO mais utilizados.

Fig. 1.4 – Variação da viscosidade com a temperatura - Óleos ISO industriais (I.V. = 100).

Observação: pode-se aplicar a equação (1.3) para representar a variação da viscosidade com a tempe-ratura de cada óleo lubrificante, bastando considerar as viscosidades a duas temperaturas diferentes (cerca de 40°C e 100°C), substituir sucessivamente esses dois valores de viscosidade e as duas tempe-raturas correspondentes na equação (1.3) e calcular então as constantes k1 e k2 do óleo lubrificante con-siderado. Sugestão ao estudante: obtenha as constantes k1 e k2 dos óleos ISO 22, 32, 46, 68 e 100.

Fig. 1.3. – Índice de Viscosidade, I. V.

Page 4: introducao a lubrificacao e mancais

1.4

A Figura 1.5 mostra, em escala logarítmica, de acordo com o padrão ASTM, a variação da vis-cosidade dinâmica ou absoluta com a temperatura dos óleos ISO mais utilizados, para os quais também é possível aplicar a equação (1.3), modificada, em termos da viscosidade dinâmica, , como segue:

log [log ( +0,6)] = k1 log (tm + 273,15) + k2 (1.4)

Óleo k1 k2ISO 22 ISO 32 ISO 46 4,01195 10,21927 ISO 68 ISO 100 ISO 150

Fig. 1.5 – Variação da viscosidade dinâmica com a temperatura de alguns óleos lubrificantes da escala

ISO para lubrificantes industriais (I.V. = 100) Sugestão ao estudante: obtenha as constantes k1 e k2 dos óleos ISO 22, 32, 46, 68, 100 e 150, e com-plete a tabela logo acima da Fig. 1.5, para a equação (1.4).

Page 5: introducao a lubrificacao e mancais

1.5

1.1.5 – Classificações de viscosidade Há várias classificações de viscosidade ou “especificação de óleos lubrificantes”, tais como:

Graus ISO (ASTM) de viscosidade (óleos ISO industriais), conforme Tab. 1.1. Graus SAE de viscosidade de óleos lubrificantes para motores de combustão interna. Graus SAE de viscosidade de óleos lubrificantes para caixas de câmbio e diferenciais. Graus AGMA de viscosidade para óleos lubrificantes. A American Gears Manufacturing Asso-

ciation (AGMA) apresenta 11 graus de viscosidade, isto é, AGMA 1, AGMA2,......., AGMA 11. A Figura 1. 6 mostra a correspondência entre essas classificações de viscosidade para a faixa de

óleos lubrificantes mais utilizados na prática.

Fig. 1.6 – Comparação de várias classificações de viscosidade.

Observações:

1) De acordo com normais internacionais em vigor, na indústria mecânica em geral, os óleos lubri-ficantes devem ser especificados de acordo com a norma ISO (International Standardization Organization).

2) Atualmente, na quase totalidade, os óleos lubrificantes para veículos automotivos, contêm aditi-vos aumentadores do índice de viscosidade (ver Tab. 1.2), que é, portanto, maior do que 100. Esses óleos são referidos como “óleos multiviscosos”; por exemplo, um óleo SAE 10W/50, comporta-se como um SAE 10W a baixas temperaturas e como um SAE 50 a altas temperatu-ras, cerca de 100°C. O sufixo W vem da língua inglesa Winter que significa inverno.

Page 6: introducao a lubrificacao e mancais

1.6

1.2 - INTRODUCÃO À LUBRIFICAÇÃO 1.2.1 - Fundamentos da Lubrificação A lubrificação visa, principalmente, a reduzir a resistência de atrito decorrente da interação das super-fícies de dois sólidos, quando um deles se move em relação ao outro. Qualquer substância introduzida entre duas dessas superfícies, para obter redução de atrito, é de-nominada lubrificante. O lubrificante também serve para remover o calor gerado pela interação das super-fícies, função essa da maior importância em alguns casos. Há três regimes de lubrificação, denominados de película fluida (ou total), película mista (ou parcial) e lubrificação-limite como indicado na Figura 1.7, ao lado. A lubrificação por película fluida é mantida enquanto existir uma película ininterrupta de lubrificante entre as superfícies em movimento. Isso é determinado pela relação entre espessura de película e rugosidade superficial combinada, normal-mente definida como “parâmetro da lubrificação”, . A espessura de película é função da viscosidade do lubrificante, da velocidade das superfícies móveis e da carga. Considera-se como existindo condições de pelí-cula fluida quando é superior a quatro. Não há con-tato metal com metal, portanto, praticamente não deve haver desgaste. Em muitos casos, as condições são tais que dão origem à lubrificação mista, na qual parte da carga é suportada pela pressão desenvolvida na película lubrificante e parte pelo contato das superfícies. Sob tais condições a película fluida é muito fina para evitar o contato das mais altas asperezas de cada superfície. Em outras palavras, é igual a dois, aproximadamente, sendo que a película-limite contribui apenas parcialmente na lubrificação. Finalmente, no caso de cargas muito elevadas e velocidades muito baixas não existe película de óleo lubrificante, sendo a separação das superfícies mantida por uma fina camada de dimensão molecular referida como camada limite. Nesse regime, é muito menor que dois e predomina a natureza química da interface entre as superfícies lubrificante-metal. Observação: os valores de acima são válidos para mancais de rolamento e engrenagens. Para o caso de mancais de deslizamento deve-se multiplicar por 2 os limites de , ou seja:

Lubrificação fluida ou plena, ≥ 8 Lubrificação parcial ou mista, 4 ≤ ≤ 8 Lubrificação limite ou limítrofe, << 4

LUBRIFICAÇÃO POR PELÍCULA FLUIDA SUPERFÍCIES TOTALMENTE SEPARADAS POR ESPESSA PELÍCULA DE LUBRIFICANTE.

LUBRIFICAÇÃO POR PELÍCULA PARCIAL OU MISTA REGIME COM PELÍCULA ESPESSA E PELÍCULA LIMITE.

LUBRIFICAÇÃO LIMITE O DESEMPENHO DEPENDE ESSENCIALMENTE DA PELÍCULA LIMITE.

Fig. 1.7. Condições existentes nos regimes de película fluida, película mista e de lubri-ficação-limite. As superfícies mostradas estão bastante exageradas para fins elucida-tivos. Em escala, as superfícies reais apare-ceriam como suaves colinas onduladas, em vez de picos abruptos.

Page 7: introducao a lubrificacao e mancais

1.7

1.2.2 - Influência da Lubrificação – Coeficiente de Atrito

A introdução de qualquer material entre duas superfícies deslizantes, com o objetivo de reduzir o atrito e o desgaste, constitui-se numa LUBRIFICAÇÃO.

Dependendo das condições, as seguintes situações podem ser enumeradas:

A - “Lubrificação completa" em que não ocorre contato entre as superfícies que estão separadas por uma pelícu-la contínua de lubrificante ( 8, para mancais de des-lizamento).

O coeficiente de atrito, , para o caso de lubrificantes líquidos está na faixa de 0,001 a 0,01.

B - "Lubrificação Mista" onde a lubrificação é menos efeti-

va, de modo que algum contato ocorre entre as superfí-cies (4 8, para mancais de deslizamento). O coeficiente de atrito, , varia de 0,01 a 0,1. .

C – “Lubrificação de camada limite" em que, não obstante a

presença do lubrificante, há contato em cerca de 99% das superfícies ( 4, para mancais de deslizamento). O coeficiente de atrito, , varia entre 0,1 e 0,3.

D - Quando são usados "lubrificantes sólidos" como grafite

ou bissulfeto de molibdênio obtêm-se uma situação in-termediária entre a lubrificação de camada limite e a lubrificação mista ( = 0,05 a 0,20).

1.2.3 - Aditivos Aditivos são produtos adicionados aos lubrificantes básicos (óleos ou graxas) para melhorar ou acrescentar propriedades aos mesmos, com o objetivo de aumentar a eficiência da lubrificação e prote-ção das peças mecânicas em geral. Os principais aditivos estão relacionados na tabela seguinte. TABELA 1.2 – ADITIVOS DE LUBRIFICANTES COMUMENTE USADOS

Tipo de aditivo

Tipo de compostos usados Razões de uso Mecanismo de ação

Antioxidante ou inibidores de oxidação

Compostos orgânicos con-tendo enxofre, fósforo ou nitrogênio, tais como aminas orgânicas, sulfetos, hidróxidos de sulfetos, fenóis. Metais como zinco ou bário, são algumas vezes incorporados.

Impedir a forma-ção de verniz e borras nas peças metálicas. Impedir a corrosão de man-cais de liga.

Reduz o volume de oxigênio absorvido pelo óleo, reduzindo assim a formação de compos-tos ácidos. Termina as reações de oxidação do óleo pela for-mação de compostos solúveis inativos ou pela absorção de oxigênio. O aditivo pode oxi-dar-se de preferência ao óleo.

Anticorrosivos, ou preventivos de corrosão, ou inibidores da

ação de catali-sadores

Compostos orgânicos con-tendo enxofre ativo, fósforo ou nitrogênio, tais como sulfetos orgânicos, fosfetos, sais metálicos de ácido tri-fosfórico e ceras sulfuriza-das.

Impedir a falha de mancais de liga pelo ataque corro-sivo nas superfícies de outros metais.

Inibe a oxidação, de modo que não se formam compostos ácidos, ou permite formar uma película protetora nos mancais ou outras superfícies metáli-cas. A formação da película química nas superfícies metá-licas reduz a oxidação do óleo por efeito catalítico.

Page 8: introducao a lubrificacao e mancais

1.8

(continuação) TABELA 1.2 – ADITIVOS DE LUBRIFICANTES COMUMENTE USADOS

Tipo de aditivo

Tipo de compostos usados Razões de uso Mecanismo de ação

Detergentes Sabões de elevado peso molecular de alquil-fenolatos, sulfonatos e alcoolatos de bário, cálcio e magnésio. Podem conter sais metálicos dispersos.

Manter limpas as superfícies metáli-cas e impedir a formação de depó-sitos de todos os tipos.

Por meio da reação química, os produtos de oxidação solú-veis em óleo são impedidos de se tornarem insolúveis e se depositarem nas várias partes do motor.

Dispersantes Alquil-sucinamidas de ele-vado peso molecular, ami-nas e tiofosfatos.

Manter em suspen-são a borra poten-cial que formaria insolúveis, impe-dindo sua deposi-ção nas partes me-tálicas.

A aglomeração e deposição de fuligem do combustível e pro-dutos insolúveis da decompo-sição de óleo são evitadas pela particulação das mesmas num estado finamente dividido. As partículas de contaminação em forma coloidal permanecem em suspensão no óleo.

Agentes de oleosidade ou

polares

Compostos de elevado peso molecular contendo carbo-no, hidrogênio e oxigênio, tais como óleos graxos, certos ácidos graxos, sabões de chumbo, ceras oxidan-tes.

Reduz o atrito sob condições parciais de lubrificação limite.

Adsorção preferencial de ma-teriais tipo polar aderindo for-temente às superfícies metáli-cas.

Agentes de oleosidade,

resistência de película, ex-

trema pressão (EP) e antides-

gaste

Compostos orgânicos con-tendo cloro, fósforo e enxo-fre, tais como ceras clora-das, fosfatos e fosfetos or-gânicos, tais como tricresil fosfato e ditiofosfato de zinco e sabões de chumbo, tais como naftenato de chumbo.

Reduzir o atrito, a deformação, esco-riação e grimpa-mento.

Pela reação química, é forma-da uma película nas superfí-cies metálicas em contato, a qual tem menor resistência ao cisalhamento do que o metal básico, reduzindo assim o atri-to e impedindo o caldeamento e grimpamento das superfícies em contato, quando há ruptura da película.

Preventivos de ferrugem

Sulfonatos, aminas, óleos graxos e certos ácidos gra-xos, ácidos de cera oxidada, fosfatos, derivados haloge-nados de certos ácidos gra-xos.

Impedir a ferrugem das partes metáli-cas durante os pe-ríodos de paralisa-ção ou trânsito, ou de equipamento novo ou reparado.

Adsorção preferencial na su-perfície metálica de tipos de materiais polares superficial-mente ativos. Esta película repele o ataque pela água. Neutraliza ácidos corrosivos.

Desativadores metálicos

Compostos orgânicos com-plexos contendo nitrogênio e enxofre, tais como certas aminas e sulfetos comple-xos. Alguns sabões.

Passiva, impede ou contra-ataca o efei-to catalítico de metais em oxida-ção.

Formam película protetora inativa pela adsorção ou ab-sorção física ou química. Formam um complexo catali-ticamente inativo com íons metálicos solúveis ou insolú-veis.

Depressantes de ponto de

fluidez

Naftaleno ou fenol alquila-do de cera e seus polímeros. Polímeros de metacrilato.

Baixar o ponto de fluidez de óleos lubrificantes.

Encobrem os cristais de cera no óleo pra evitar o seu cres-cimento e a absorção do óleo a baixas temperaturas.

Page 9: introducao a lubrificacao e mancais

1.9

(continuação) TABELA 1.2 – ADITIVOS DE LUBRIFICANTES COMUMENTE USADOS

Tipo de aditivo

Tipo de compostos usados Razões de uso Mecanismo de ação

Melhoradores de índice de viscosidade

Olefinas ou isoolefinas po-limerizadas. Polímeros de butileno, polímeros, éster ácido metacrílico, polímero de estireno alquilado.

Baixar a intensida-de de mudança de viscosidade com relação à tempera-tura.

Aumenta mais a viscosidade a 100ºC, proporcionalmente, do que a 40ºC, devido à sua alte-ração de solubilidade.

Inibidores de espuma

Polímeros de silicone. Impedir a forma-ção de espuma estável.

Reduzem a tensão interfacial de modo que as pequenas bo-lhas de ar possam combinar-se para formar bolhas maiores que se separam mais rapida-mente.

Lubrificação Polar Certos materiais, tais como ácidos gra-xos ou outros agentes de oleosidade, são efica-zes na redução do atrito sob parciais condições de lubrificação-limite. A molécula graxa (gor-durosa), que tem a propriedade de oleosidade (lubricidade) em condições de película fina, difere da molécula de óleo lubrificante porque um de seus extremos é altamente reativo e tem a capacidade de estabelecer uma forte união com a superfície metálica. Ela é denominada molé-cula "polar", pois é atraída pela superfície metá-lica a exemplo do que ocorre com a limalha de ferro ao ser atraída por um imã. Os materiais polares podem reagir com os metais que conta-tam, formando pequena quantidade de sabão metálico que aumenta as boas qualidades lubri-ficantes dos materiais polares. Nos casos em que grandes cargas, baixas velocidades ou operação intermitente impedem a formação de uma película espessa, é recomen-dável usar lubrificantes que contenham agentes de oleosidade do tipo polar.

Fig. 1.8 – Lubrificação polar

Lubrificação de Extrema Pressão (EP) Em algumas condições de lubrificação-limite, nas quais os óleos minerais contendo aditi-vos polares já não são eficazes, os lubrificantes de extrema-pressão (EP) podem ser necessários. A finalidade dos aditivos EP é modificar as superfí-cies de atrito de tal modo que se evite a soldagem dos pontos altos e escoriações (crateração ou "pit-ting" destrutivo) devido à inadequada resistência da película de óleo nas superfícies. Sob condições de contato metal-com-metal, nas velocidades e pressões reinantes, originam-se altas temperaturas devidas ao atrito e, nessas circunstâncias, a pelícu-la de lubrificação limite é formada por reação química entre os aditivos EP e as superfícies me-tálicas. Isso só ocorre para superfícies de aço ou ferro fundido. No caso de superfícies mais moles (bronze ou latão, por exemplo), as temperaturas instantâneas de contato não são suficientemente altas para gerar a reação química entre o aditivo EP e as superfícies.

Fig. 1.9 – Lubrificação com aditivo EP

Page 10: introducao a lubrificacao e mancais

1.10

1.3 - MANCAIS Os mancais são basicamente suportes ou guias de partes móveis. São elementos essenciais na grande maioria das máquinas e seu bom funcionamento é, portanto, fundamental para o bom desempe-nho das mesmas. 1.3.1 - Classificação dos Mancais 1.3.1.1 - Quanto à Construção Considerando-se a definição de que mancais são guias ou suportes fixos dos componentes mó-veis das máquinas, podemos classificar os mancais em:

a) Mancal de guia axial - quando uma peça desliza sobre a outra, como no caso da mesa de uma frezadora que desliza sobre suas guias.

b) Mancal guia radial - cuja finalidade é simplesmente posicionar o eixo de uma turbina de eixo vertical, por exemplo, (ver Fig. 1.24)

c) Mancal de Deslizamento - na classificação mais comum, é o mancal que serve de apoio a um eixo em rotação, havendo deslizamento da superfície do eixo relativamente à superfície do mancal (Fig. 1.10, Fig. 1.12).

d) Mancal de Rolamento ou de Anti-Fricção - elementos rolantes (pequenas esferas ou rolos) são interpostos entre a superfície fixa de apoio e a superfície em movimento (rotatória) do eixo. Dessa maneira, em condições ideais, a superfície em movimento do eixo irá "rolar" sobre os elementos rolantes, não havendo deslizamento entre as superfícies do eixo e do suporte fixo. Portanto, as perdas de potência por atrito podem ser reduzidas consideravelmente, daí o nome de mancal Anti-Fricção (Fig. 1.11 e Fig. 1.13). Observação: na prática, quase sempre, os man-cais de rolamento são simplesmente designados por “rolamentos”

Fig. 1.10 – Mancal de deslizamento – grande área efetiva de “contato” e, portanto, grande capacida-de de carga

Fig. 1.11 – Mancal de rolamento – menor área

efetiva de contato e, portanto, menor capacidade de carga em relação a um mancal de deslizamento

Page 11: introducao a lubrificacao e mancais

1.11

1.3.1.2 - Quanto à Lubrificação

a) Mancal de Contato Direto ou Seco (Fig. 1.12a) - mancal cuja superfície de apoio é constituída de materiais de baixo coefici-ente de atrito, tais como Teflon, Nylon, e muitos outros (Ref. 1) que dispensam, portanto, o uso de lubrificantes. Também po-dem ser classificados nessa categoria os mancais lubrificados com lubrificantes sólidos, tais como o bissulfeto de Molibdênio (MoS2) e o Grafite.

b) Mancal de Deslizamento Lubrificado (Fig. 1.12b, Fig. 1.14) - se o filme de lubrificante é for-mado unicamente devido à velocidade de rotação do eixo, viscosidade do lubrificante e confor-mação geométrica do mancal, este é denominado como segue:

Mancal Hidrodinâmico ⇒ lubrificante líquido ou graxa Mancal Aerodinâmico ⇒ lubrificante gasoso.

Por outro lado, se o filme de lubrificante é formado devido à ação de uma pressão externa (bomba hidráulica ou compressor de ar) o mancal é designado como:

Hidrostático ⇒ lubrificante líquido (ver Figs. 4.40 e 4.41) Aerostático ⇒ lubrificante gasoso.

1.3.1.3 - Quanto à Direção da Carga Aplicada

a) Mancais Radiais - a carga é aplicada na direção radial, normal ao eixo (Fig. 1.10, Fig. 1.12). b) Mancais Axiais ou de Escora - a carga é aplicada na direção do eixo (Fig. 1.13, Fig. 1.14).

c) Mancais Mistos ou Combinados - suportam car-

gas radiais e axiais simultaneamente. Podem ser constituídos por uma única peça, como a bucha flangeada da Fig. 1.15, ou por um mancal radial e um mancal axial adjacentes entre si e fixados à carcaça da máquina (Fig. 1.16) ou a uma caixa de mancal combinado (Fig. 1.17).

Fig. 1.15 – Mancal misto

Fig. 1.12 – Mancal radial

Fig. 1.13 - Rolamento Axial Auto-compensador de Rolos - quando em funcionamento atua co-mo uma “bomba de óleo”, no sentido indicado pelas setas.

Fig. 1.14 – Mancal axial de deslizamento hidrodinâmico, de sapatas setoriais pivota-das (ver princípio de formação do filme de óleo e geração da pressão hidrodinâmica na Fig. 1.20 e na Fig. 1.21).

Page 12: introducao a lubrificacao e mancais

1.12

Fig. 1.17 – Mancal misto em caixa de aço

Fig. 1.16 – Mancal misto – composto por uma bucha radial bipartida e um mancal

axial de sapatas setoriais pivotadas,

1.3.2 – Mancal “fixo” ou “bloqueado”/mancal “livre” Em geral, um eixo é apoiado em um ou mais mancais “livres” e em um mancal “fixo” ou “bloqueado”; tanto para mancais de deslizamento como para mancais de rolamento. O mancal “fixo” posiciona o eixo e suporta carga axial e carga radial simultaneamente, enquanto que o mancal “livre” suporta somente carga radial e permite, portanto, qualquer alongamento ou contração térmica do eixo. Os mancais mistos mostrados nas Figs. 1.16 e 1.17 são exemplos típicos de mancais “fixos” de deslizamento, enquanto que o rolamento de uma carreira de esferas da Fig. 1.11 pode ser utilizado como mancal “fixo” de rolamento, pois além de carga radial, ele pode suportar simultaneamente uma carga axial, em qualquer dos dois sentidos (veja também a Fig. 1.18). De maneira semelhante, o mancal misto mostrado na Fig. 4.22 suporta carga axial ora num sen-tido, ora no outro.

Rolamento “fixo” ou “bloqueado”

Rolamento “livre”

Fig. 1.18 – Eixo apoiado em rolamentos

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1.13

A Figura 1.19 mostra outro exemplo de eixo apoiado em um mancal fixo e um mancal livre, sendo que o mancal “fixo” é constituído por dois rolamentos de uma carreira de esferas de contato angular (precisão P4) montados em “O”, enquanto que o mancal “livre” é um rolamento de duas carreiras de rolos cilíndricos (precisão UP).

Mancal “fixo” Mancal “livre”

Fig. 1.19 – Árvore principal de um torno mecânico – acionamento por correia V. 1.3.3 – Princípio de formação do filme de óleo em um mancal de deslizamento hidrodinâmico As Figuras 1.20 e 1.21 mostram o princípio de formação do filme de óleo e geração da pressão hidrodinâmica em um mancal axial de sapatas setoriais. O processo depende essencialmente da velocidade de rotação do colar, da viscosidade do óleo lubrificante e da existência de uma superfície inclinada na sapata, em “contato” com o colar giratório. Observação: como será visto no Capítulo 4, o princípio é praticamente idêntico, para o caso de um mancal radial (ver item 4.3.1 e Figs. 4.6 e 4.7).

Fig. 1.20 – Princípio de funcionamento de um mancal de deslizamento axial de eixo vertical, de sapatas setoriais. As sapatas e o disco rotativo ficam mergulhados dentro do óleo. Por aderência, o óleo é arrastado pelo disco rotativo (colar) sobre as sapatas, formando um filme de óleo que separa as superfícies em atrito e suporta a carga exercida pelas partes rotativas.

Mancal de sapatas fixas

Formação do filme de óleo

Mancal de sapatas pivotadas Sapata pivotada

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1.14

Fig. 1.21 – Formação do filme de óleo entre o colar e as sapatas setoriais pivotadas de um mancal Kingsbury. As sapatas são apoiadas sobre placas niveladoras.

Fig. 1.22 - Mancal axial de eixo vertical – refrigeração do óleo por meio de serpentinas

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Fig. 1.23 – Mancal de escora de uma turbina Kaplan

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Fig. 1.24 – Localização dos mancais guia e de escora de uma turbina Kaplan de eixo vertical

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Fig. 1.25 – Turbina Francis, destacando-se o mancal de escora no comprimento médio do eixo, entre os

rotores da turbina e do gerador

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1.3.4 – Vantagens e desvantagens dos mancais de deslizamento em relação aos rolamentos De uma maneira geral, os mancais de deslizamento apresentam várias vantagens em relação aos rolamentos, tais como:

Maior capacidade de carga, devido à maior área efetiva de “contato” Podem trabalhar em maiores velocidades e a temperaturas mais elevadas Maior resistência à ferrugem e corrosão Maior facilidade de montagem e desmontagem na máquina em questão O filme de óleo amortece vibrações e diminui ruídos Menor custo para o caso de mancais de grande porte

No entanto, os mancais de deslizamento apresentam algumas desvantagens, tais como:

Maior custo para o caso de mancais pequenos e médios, devido à maior padronização e quanti-dade de fabricação dos rolamentos

Não podem trabalhar em baixas velocidades de rotação, exceto os mancais hidrostáticos Apresentam maior dificuldade de alinhamento durante a montagem

Observação: Uma descrição detalhada de todos os tipos de mancais, seu projeto e lubrificação, bem como a lubrificação dos mais variados elementos de máquinas (tais como Engrenagens, Correntes, Cabos de Aço, Cames, etc.), pode ser encontrada na Ref. 1. BIBLIOGRAFIA:

1) Neale, M.J. Tribology Handbook. Butterworths, England, 1973. 2) Jacobson, B.O. Rheology and Elastohydrodynamic Lubrication. Amsterdam: Elsevier, 1991.

382 p. 3) Gross, W. A; Castelli, V. Fluid Film Lubrication. New York: Wiley-Interscience, 1980. 774 p. 4) Powell, J. W. Design of Aerostatic Bearings. Brighton: Machinery, 1970. 280 p. 5) Dowson, D; Higginson, G. R. Elasto-Hydrodynamic Lubrication. Oxford: Pergamon Press,

235 p. 6) Stansfield, F. M. Hydrostatic Bearings for Machine Tools and Similar Applications.

Brighton: Machinery, 1970. 227 p.