Lubrifica??o Em Mancais Hidrodin?micos

E a?, galera...

Me cadastrei hoje nesse f?rum.

Eu estudo engenharia, e pra iniciar minha participa??o por aqui vou falar sobre um assunto visto na faculdade.
O texto ? 100% meu, apenas as figuras eu peguei da internet.

J? escrev? este texto em outros 2 f?runs, alguns de vcs talvez j? o tenha visto.
Mas sempre que o apresento eu acrescento alguma coisa.

LUBRIFICA??O em MANCAIS de DESLIZAMENTO HIDRODIN?MICOS:

(Fig. 1)

(Fig. 2)

A principal fun??o do ?leo N?O ? dissipar calor, apesar de essa tamb?m ser uma fun??o vital.
A principal fun??o do ?leo ? evitar contato METAL/METAL, que poderia destruir a m?quina em poucos segundos.

Todo eixo girando precisa estar apoiado num MANCAL (fig. 1).

Os mancais podem ser de
-DESLIZAMENTO (fig. 1): o EIXO ou ?RVORE fica apoiado e gira dentro do furo central do mancal;
-ROLAMENTO (os famosos rolamentos).

No motor do carro temos muitos mancais de DESLIZAMENTO, pois eles suportam uma CARGA EXTERNA RADIAL bem maior que os ROLAMENTOS, por isso s?o largamente empregados no motor.
Al?m disso, o uso de ROLAMENTOS em algumas partes do motor seria dif?cil: como poder?amos apoiar o CENTRO do virabrequim em um ROLAMENTO? Se o virabrequim fosse um EIXO reto como o da fig. 2, tudo bem, mas ele ? uma ?RVORE, n?o ? reto.
D? para apoiar as EXTREMIDADES do virabrequim, pois estas s?o livres e podem ser encaixadas num ROLAMENTO.
Mas para encaixar o CENTRO do virabrequim, o rolamento teria que ser bi-partido (teria que ser feito de duas metades que se encaixassem), ou ent?o o virabrequim teria que ser feito de 2 metades (mas isso o tornaria fr?gil).

Os mancais de DESLIZAMENTO precisam de uma lubrifica??o cont?nua de ?leo (exceto os que usam lubrifica??o "seca", como nos eletrodom?sticos), e podem ser:
-HIDROST?TICOS;
-HIDRODIN?MICOS.

Os HIDROST?TICOS s?o usados, por exemplo, em grandes turbinas em usinas hidroel?tricas, pesadas, que giram em baixas rota??es. Nelas, a press?o no ?leo ? gerada QUASE QUE TOTALMENTE pela bomba de ?leo, e o ?leo ? injetado POR BAIXO: devido ao peso do eixo da turbina, este tende a cair, e o ?leo injetado por BAIXO, sob ALTA PRESS?O, LEVANTA o eixo impedindo o contato met?lico EIXO/LUVA DO MANCAL).

Os MANCAIS DE DESLIZAMENTO HIDRODIN?MICOS aparecem em diversas partes no motor (comando, virabrequim, bielas, al?m do par PIST?O/CILINDRO).
A maioria deles s?o ROTATIVOS, como o da fig. 1.
J? o par PIST?O/CILINDRO forma mancal N?O ROTATIVO.

Nos MANCAIS DE DESLIZAMENTO HIDRODIN?MICOS o ?leo ? injetado POR CIMA.
V?-se na fig. 1 um furo na parte DIREITA SUPERIOR (a 45?) da CAPA EXTERNA DO MANCAL, e um furo alinhado com este na LUVA INTERNA (a parte com o furo central onde o eixo gira).
A luva interna do mancal ? composta por um METAL ANTI-FRIC??O (baixo atrito, por exemplo BRONZE, da? vem o nome BRONZINA, que ? uma luva de mancal).
Ao contr?rio dos HIDROST?TICOS (que N?O aparecem em carros), nos HIDRODIN?MICOS N?O ? a press?o da bomba de ?leo que gera press?o interna no ?leo para empurrar o EIXO para CIMA evitando que ele encoste na luva do mancal.
?, SIM, a VELOCIDADE (linear ou rotacional) do eixo, que gera press?o no ?leo.
O ?leo ? injetado por cima, sob press?o RELATIVAMENTE baixa, e ganha press?o DENTRO do mancal, DEVIDO ? VELOCIDADE (do eixo).
A luva do mancal ? im?vel, n?o gira, ? presa ? carca?a (capa externa) do mancal.
O eixo gira dentro do furo da luva do mancal.
O mancal ? preso de alguma forma (parafusado, por exemplo) ? estrutura da m?quina (notem, de cada lado, furos para parafusos).
No caso do mancal BIELA/VIRABREQUIM, a biela ? desmont?vel (? feita de 2 partes unidas por parafusos) para poder ser encaixada no virabrequim.

(Fig. 3)

Num eixo de 30 mm (3,0 cm) de DI?METRO, por exemplo, com AJUSTE EIXO/LUVA do tipo GIRAT?RIO (um ajuste FOLGADO do tipo Hf ou Fh) e com BOA PRECIS?O DE FABRICA??O (Qualidade de Trabalho IT=7), portanto um ajuste H7f7 ou F7h7 (quem n?o ? engenheiro ou estuda engenharia esque?a isso), temos as seguintes medidas para eixo e furo da luva do mancal:
-LUVA: 30 (+0,000 a +0,025)
-EIXO: 30 (-0,050 a -0,025)

Ou seja: num mesmo EIXO (em locais distintos ao longo do mesmo), ou pegando 2 EIXOS distintos sa?dos da mesma linha de montagem, o DI?METRO pode variar de 29,950 mm a 29,975 mm.
E o furo da LUVA pode variar de 30,000 mm a 30,025 mm.
Ent?o podemos ter uma FOLGA entre eixo e luva variando de 0,025 mm a 0,075 mm (de 25 m?crons a 75 m?crons).
Isso para uma BOA qualidade de fabrica??o.
Temos ent?o um V?O DIAMETRAL M?NIMO de 25 m?crons, pouco menos que 0,1% do DI?METRO NOMINAL.

(1 m?cron = 1 micrometro = 1 mil?simo de mil?metro = 1 mil?metro dividido por 1000)

Ent?o nesse exemplo de eixo e luva de 30 mm e ajuste do tipo folgado-girat?rio com boa qualidade de fabrica??o, o V?O DIAMETRAL M?NIMO entre EIXO e LUVA ? de cerca de 0,1% do DI?METRO NOMINAL.
(Na fig. 3 essa FOLGA est? EXAGERADA apenas para podermos visualizar melhor.)

Vou fazer a an?lise abaixo considerando o PIOR caso poss?vel, ou seja, um V?O DIAMETRAL de 25 m?crons.

Se tivermos um v?o DIAMETRAL de 25 m?crons entre eixo e luva, teremos um v?o RADIAL de 12,5 m?crons SE o EIXO estiver PERFEITAMENTE alinhado, perfeitamente posicionado no CENTRO do furo da luva do mancal (coisa que NUNCA acontece).
A tend?ncia do eixo ? CAIR devido ao peso pr?prio e devido ? carga externa aplicada (por exemplo, a for?a sobre o virabrequim aplicada pelo pist?o via biela).
Ent?o, devido ? EXCENTRICIDADE (N?O CO-AXIALIDADE) entre eixo e luva, teremos dire??es radiais onde a DIST?NCIA entre eixo e luva ser? MENOR que 12,5 m?crons.
Existe uma determinada dire??o radial onde o eixo fica o mais pr?ximo da luva, caracterizando uma ESPESSURA M?NIMA DE FILME DE ?LEO, chamada de h0 (leia-se: ag? zero).
Na fig. 3, h0 ? a dist?ncia entre eixo e luva onde est? escrito LOADED ZONE 0?.
O valor de h0 ? que ditar? se haver? ATRITO, CONTATO, entre os metais do eixo e da luva.
Ent?o, nesse exemplo, h0 ser? SEMPRE menor que 12,5 m?crons.
Na verdade, ser? BEM MENOR que esse valor.

Outro ponto importante ? que deve-se lembrar que as superf?cies que constituem tanto o eixo quando a luva do mancal N?O S?O perfeitas, possuem irregularidades (chamadas de RUGOSIDADE).
Uma superf?cie de um eixo de 30 mm de di?metro possui RUGOSIDADES M?DIAS digamos de 0,5 m?cron.
Como isso ? um valor M?DIO, teremos algumas rugosidades de altura MAIOR que 0,5 m?cron.
Ou seja, somando 0,5 m?cron do eixo e 0,5 m?cron da luva, precisamos de uma ESPESSURA M?NIMA DE ?LEO (h0) M?DIA de 1 m?cron, ent?o precisamos de BEM MAIS que 1 m?cron de ESPESSURA M?NIMA DE ?LEO para impedir completamente o contato entre EIXO e LUVA.

Al?m disso, devemos lembrar que um BOM filtro de ?leo consegue filtrar part?culas MAIORES que 5 m?crons.
Ent?o h0 tem que ser suficiente para deixar passar uma part?cula de 5 m?crons, al?m do MAIS de 1 m?cron relativo ?s rugosidades.

Ou seja: h0 tem que ser PELO MENOS de 6 m?crons para que n?o ocorra DESGASTE POR ABRAS?O a 3 CORPOS.

O ?leo injetado por cima do mancal, sob press?o RELATIVAMENTE BAIXA, passa a girar junto com o eixo na regi?o ao lado do eixo, e fica parado na regi?o junto ? luva, devido a uma propriedade de Mec?nica dos Fluidos conhecida com CONDI??O DE N?O-DESLIZAMENTO que diz que um fluido em contato com um s?lido adquire a velocidade deste.
Ent?o o ?leo gira junto com o eixo vizinho a este, mas fica parado ao lado da luva.
Ent?o forma-se um GRADIENTE de velocidades dentro do ?leo: se sairmos de um ponto ao lado do eixo em dire??o ? luva, segundo uma dire??o de dentro para fora, a velocidade do ?leo vai caindo, at? chegar a zero junto ? luva.

Devido ao peso do eixo e devido ? carga externa aplicada sob o eixo, este tende a cair, estreitando a passagem de ?leo em baixo.

A press?o dentro do ?leo nessa regi?o de estreitamento N?O ? igual em cada ponto, existe uma distribui??o de press?es, mas podemos falar de uma press?o M?DIA, que gera uma FOR?A RESULTANTE que empurra o eixo para cima e para direita (se o sentido de rota??o for o da figura, HOR?RIO), al?m de um TORQUE RESISTENTE sob o eixo que tende a frei?-lo.

Como j? falei, existe uma dist?ncia M?NIMA entre eixo e luva: h0 (ag? zero).
h0 ? a espessura do filme de ?leo no ponto onde esta espessura ? m?nima (como o eixo NUNCA fica exatamente centralizado com o furo da luva do mancal, NUNCA temos uma COAXIALIDADE, ent?o existe uma dire??o radial onde temos uma menor dist?ncia entre eixo e luva, uma menor espessura do filme de ?leo).
? o h0 que define se haver? contato entre metais (do eixo e do mancal).
Mesmo que h0 seja de 1 m?cron (1 mil?metro dividido por 1000), por exemplo, n?o ter?amos um isolamento perfeito entre eixo e luva, poderemos ter contatos espor?dicos entre picos de rugosidades do eixo e da luva.
? preciso um determinado valor m?nimo de h0 para evitar o contato EIXO/LUVA, e isso s? ? atingido no REGIME HIDRODIN?MICO.

h0 ser? tanto MAIOR (se aproximar? mais do valor m?ximo poss?vel 12,5 m?crons)
-QUANTO MAIOR for a VELOCIDADE RELATIVA entre eixo e luva
-QUANTO MAIOR for a VISCOSIDADE (que N?O ? constante, depende da CARGA APLICADA e da TEMPERATURA)
-QUANTO MENOR for a CARGA EXTERNA APLICADA (por exemplo a for?a que o pist?o aplica no virabrequim atrav?s da biela)

O chamado N?mero de Sommerfeld ? Z=NV/p, onde:
-N=rota??o
-V=viscosidade do ?leo
-p=press?o devido ? carga externa aplicada (N?O ? a press?o dentro do ?leo)

QUANTO MAIOR Z, MAIOR h0, ou seja, MAIOR a ESPESSURA M?NIMA do filme de ?leo, MAIOR a dist?ncia entre eixo e luva, o que ? MELHOR.

Dependendo de Z, poderemos estar num dos 3 REGIMES de funcionamento:
-REGIME LIMITE (Boundary Lubrification): Z e h0 MUITO PEQUENOS, temos ALTO desgaste met?lico
-REGIME MISTO (Mixed Lubrification): Z e h0 M?DIOS, mas n?o o suficiente para impedir COMPLETAMENTE o contato METAL/METAL
-REGIME HIDRODIN?MICO: Z e h0 GRANDES o suficiente para que n?o haja contato met?lico EIXO/LUVA.

Se Z tendesse a infinito (ALTA rota??o, ALTA viscosidade, BAIXA carga externa aplicada), tender?amos ? COAXIALIDADE entre eixo e luva: o eixo ficaria perfeitamente centralizado com o furo da luva, condi??o de M?XIMA ESPESSURA M?NIMA do filme de ?leo (no exemplo, ter?amos h0 tendendo ao valor m?ximo 12,5 microns).
J? se Z tender a zero (BAIXA rota??o, BAIXA viscosidade, ALTA carga externa aplicada), o eixo tende a encostar na luva.

(Fig. 4)

Na fig. 4, curva de Stribeck.
No eixo y temos M? (coeficiente de atrito).
No eixo x temos Z (n?mero de Sommerfeld).

A curva de Stribeck fornece o M? (raz?o entre a FOR?A DE ATRITO e a CARGA EXTERNA APLICADA sobre o eixo) em fun??o de Z.
Esse M? ? o MI RESULTANTE: ? a SOMA devido ?s contribui??es individuais de atrito devido a:
-Atrito METAL/METAL entre EIXO/LUVA --> deve ser evitado, pois ? DESTRUTIVO
-Atrito METAL/?LEO entre EIXO/?LEO --> de baixa intensidade
-Atrito METAL/?LEO entre LUVA/?LEO --> de baixa intensidade
-Atrito INTERNO no ?leo --> devido ? viscosidade

Como j? falei, existem 3 Regimes de funcionamento, dependendo do valor de Z:
-REGIME LIMITE: ALTO coeficiente de atrito M?, e a principal parcela (das 4 acima) deste atrito ALTO se deve ao atrito METAL/METAL (destrutivo). Na fig. 4 n?o aparece o Regime Limite (estaria ? ESQUERDA do MISTO)
-REGIME MISTO (MIXED): existe uma separa??o entre eixo e luva do mancal, existe um h0, mas DEVIDO ?S RUGOSIDADES (irregularidades das superf?cies tanto do eixo como da luva), ocorre contato METAL/METAL, por?m de menor intensidade que no Regime Limite. O M? RESULTANTE ? menor, e al?m disso a contribui??o da parcela METAL/METAL ? menor que no Regime Limite. O par pist?o/cilindro trabalha basicamente no regime misto
-REGIME HIDRODIN?MICO (FULL FLUID FILM): N?O h? contato METAL/METAL, o atrito RESULTANTE (baixo) se deve principalmente ? parcela (das 4 acima) devido ao atrito interno do ?leo (viscosidade). ? um atrito N?O destrutivo, s? serve para perder energia, gerar calor (que precisa ser controlado atrav?s de um fluxo adequado de ?leo).

Quanto...
-MAIOR a rota??o do eixo (ou MAIOR a velocidade do pist?o, no caso de mancal n?o rotacional)
-MAIOR a viscosidade
-MENOR a carga externa aplicada
ent?o MAIOR o valor de Z (e MAIOR o valor de h0), e fica-se mais para a DIREITA na curva de Stribeck, o que ? MELHOR.

Toda m?quina com mancais de deslizamento hidrodin?mico precisa trabalhar com valores de Z que permitam cair no regime hidrodin?mico, para maior durabilidade.

Essa ? a principal fun??o do ?leo: evitar contato destrutivo METAL/METAL.
Controlar a temperatura ? uma fun??o secund?ria (por?m importante).
Outras fun??es secund?rias devem-se aos aditivos, que foram incorporados com o passar das d?cadas e criaram fun??es adicionais para o ?leo.

Vale lembrar que a natureza, para combater o atrito, vale-se de 2 coisas:
-Endurecimento
-Lubrifica??o

Isso acontece, por exemplo, nos calos dos p?s, que s?o um endurecimento da pele e uma bolha (com lubrificante).

O uso de BRONZE nas luvas de mancais ? para que o desgaste aconte?a preferencialmente na luva do mancal, preservando o eixo (mais caro).
O eixo ? mais resistente ao atrito pois ? feito de material mais duro (A?O, por exemplo).