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Módulo 5 – Mancais e sua

lubrificação.

Prof. Humberto Duarte Alves

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PRINCÍPIOS BÁSICOS

DA LUBRIFICAÇÃO

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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.

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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.

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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.

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ATRITO E DESGASTE

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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:

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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

área de contato é menor, o atrito também é bem menor.

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Atrito e desgaste

Atrito fluido:

Quando existir uma camada fluida separando as

superfícies em movimento. O fluido que forma esta

camada chama-se lubrificante.

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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.

Cisalhamento: quando picos das duas superfícies entram

em contato lateral entre si, o atrito se desenvolve pela

resistência oferecida pelo sólido à ruptura desses picos.

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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.

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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.

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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.

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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

solicitação F. Quando F=Fa,

chamados a força limite de

atrito.

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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:

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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

superfície de contato.

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Atrito e desgaste

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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.

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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.

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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

ponto e sua deposição em outro;

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Atrito e desgaste

Corrosão: proveniente de contaminantes ácidos (ataque

químico);

Endentação: consequência de penetração de corpo

estranho duro (cavacos metálicos, impurezas)

Fricção: caracterizado por endentações polidas

provenientes de corrosão por vibração;

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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;

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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

desgaste de superfícies em contato:

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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

lubrificante (filtragem).

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LUBRIFICAÇÃO

HIDRODINÂMICA

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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

superfícies.

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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

desenvolve entre as superfícies, em virtude do próprio

movimento relativo entre as superfícies.

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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

totalmente hidrodinâmica.

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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.

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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.

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Lubrificação de superfícies planas

Suponha-se um bloco deslizando sobre uma superfície

plana. Para uma correta lubrificação hidrodinâmica, alguns

fatores devem ser observados:

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A borda avançada deve ser chanfrada ou arredondada;

O bloco deve permitir que ele se incline em relação a

superfície plana;

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Ao contato do bloco com a superfície, o bloco deve ser

projetado, em termos de área, para que possa flutuar

sobre o filme fluido.

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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.

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Nessas condições, o atrito é mínimo, o bloco assume uma

posição ligeiramente inclinada e é sustentado pela

pressão hidrodinâmica do lubrificante.

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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,

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

possível.

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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.

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O atrito é reduzido a um

valor mínimo; não ha

desgaste, pois não ha

contato sólido-sólido.

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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.

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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.

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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.

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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

óleo a circular para

preencher o espaço vazio.

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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.

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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.

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LUBRIFICAÇÃO

LIMÍTROFE

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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 rolamentos.

• Tipo 4: Lubrificação limítrofe extrema ou de elevada temperatura e alta pressão, comumente designado por EP (extrema pressão).

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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.

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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

se levarmos em consideração a ação de elevadas pressões

sobre a viscosidade do óleo.

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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,

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A formação do filme fluido se dá, basicamente, de duas

formas:

• Adsorção Física;

• Adsorção Química.

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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.

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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

o contato metal-metal, porém não capaz de evitá-

lo.

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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.

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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 assim é fino em relação às rugosidades normais de uma superfície.

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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

os de enxofre, cloro, fósforo e zinco.

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