Tribologia - Atrito, desgaste, lubrificação, Slides de Engenharia Mecânica

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slides que achei na net, da puc-minas, traz o primeiro e o segundo capitulo do livro do hutchings, que fala sobre tribologia
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Tribologia é definida como “ A ciência e tecnologia de superfícies que se interagem em um movimento relativo”, e abrange o estudo do atrito, desgaste e lubrificação.

•“Altamente sistêmica, não linear e de elevada sensibilidade”

Tribologia

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Tribologia é a ciência que estuda o atrito, desgaste e a lubrificação..

Tribologia

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Tribologia

• Um sistema tribológico consiste nas superfícies de dois componentes que se encontram em contato móvel um com o outro e com a área adjacente. O tipo, evolução e extensão do desgaste são determinados pelos materiais e acabamentos dos componentes, eventuais materiais intermédios, influências da área adjacente e condições de operação.

• 1 Objeto de base • 2 Corpo oponente • 3 Influências adjacentes: Temperatura, umidade relativa, pressão • 4 Material intermediário: Óleo, graxa, água, partículas, contaminantes • 5 Carga • 6 Movimento

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1- Introdução

- O movimento de uma superfície sólida sobre uma outra é fundamentalmente importante para o funcionamento de muitos tipos de mecanismos, artificiais e naturais. Assim, define-se a palavra tribologia, do grego  (fricção, atrito), fricção, atrito), que é a ciência e tecnologia da interação de superfícies em movimento relativo, sendo que esta incorpora o estudo da fricção, lubrificação e desgaste [Hutchings].

- Em muitos casos, baixa fricção é desejável. A operação satisfatória de articulações, como a do quadril humano, por exemplo, demanda uma baixa força de fricção. Contudo, baixa fricção não é necessariamente benéfica em todos os casos. Em sistemas mecânicos, como os freios e embreagens, fricção é essencial. Uma alta força de fricção também é desejável entre o pneu de um veículo e a superfície do pavimento, assim com também é importante entre o calçado e o piso durante a marcha. O mundo em que vivemos seria completamente diferente se não houvesse a fricção entre os corpos ou se esta fosse menos intensa.

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-Sempre que duas superfícies se movimentarem, uma em relação à outra, ocorrerá o desgaste, sendo que este pode ser definido como um prejuízo mecânico a uma ou as duas superfícies, geralmente envolvendo perda progressiva de material. Em muitos casos, o desgaste é prejudicial, levando a um aumento contínuo da folga entre as partes que se movimentam ou a uma indesejável liberdade de movimento e perda de precisão. A perda por desgaste de pequenas quantidades relativas de material pode ser suficiente para causar a completa falha de máquinas grandes e complexas. Entretanto, no caso do atrito, altas taxas de desgaste são algumas vezes desejáveis, como em operações de lixamento e polimento.

- Um método de reduzir a fricção e, freqüentemente, o desgaste, é a lubrificação das superfícies. Ainda assim, mesmo que um lubrificante artificial não seja adicionado ao sistema, componentes da atmosfera (fricção, atrito), especialmente oxigênio e vapor d’água) têm um importante efeito e precisam ser considerados em qualquer estudo da interação de superfícies.

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1 - Introdução

-Todas as superfícies sólidas não são uniformes; - No limite, as irregularidades de superfície estarão em escala de átomos ou moléculas individuais; - Contudo, a maioria das superfícies planas de componentes de engenharia altamente polidos mostram irregularidades apreciavelmente maiores do que dimensões atômicas, e muitos métodos diferentes tem sido empregados para estudar sua topografia alguns envolvem exame da superfície através de : Microscópio de elétrons ou de luz

Métodos óticos; Aparelhos de contato; Medições elétricas ou térmicas

...Maiores resoluções podem ser alcançadas através de técnicas de microscopia de força atômica e microscopia de tunelamento, as quais tem resolução a nível de átomos; mas para a maioria das superfícies de engenharia métodos menos sensíveis são adequados para estudar sua topografia.

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2 – Medição da Topografia de Superfície

- Método mais comum de avaliação da topografia de superfície é através do Perfilômetro

The stylus profilometer uses a diamond tipped stylus to scan across the sample surface and measures the surface topography of thin and thick films. The vertical movements of the stylus is measured and recorded simultaneously during the scanning, which reveals the topographical structure of the surface. The instrument has vertical resolution in nanometers and horizontal resolution as small as twenty nanometers and measures the film thicknesses from 5 nm and over 500 µm.

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2 – Medição da Topografia de Superfície

- Uma ponta é arrastada suave e firmemente ao longo da superfície em exame; - Na medida que a ponta varre a superfície, ela sobe e desce; -Este deslocamento vertical é convertido por um transdutor em um sinal elétrico que é amplificado, e através do instrumento, move a caneta sobre o registrador; - O gráfico desenhado pela caneta representa o deslocamento vertical da ponta como uma função da distância percorrida ao longo da superfície.

-A representação gráfica do perfil da superfície gerada pelo perfilômetro difere da forma da seção transversal genuina da superfície por diferentes razões.

-A maior diferença é devido às diferentes ampliações empregadas pelo instrumento nas direções verticais e horizontais. A extensão vertical das irregularidades de superfície é quase sempre muito menor do que a escala horizontal. É portanto conveniente comprimir o registro gráfico do perfil da superfície usando uma ampliação na direção vertical que seja maior do que no plano da superfície. A taxa das ampliações dependerão da rugosidade da superfície, mas tipicamente esta entre 10 e 5000; com refinamentos pode ser usada ampliações verticais abolutas de até 106 .

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2 – Medição da Topografia de Superfície

-Uma limitação inevitável deste método de perfilometria resulta da forma da ponta de medição.

- Por razões de resistência, as pontas de diamante usadas são piramidais ou cônicas, com ângulos mínimos de 60º e raio da ponta de 1 a 2,5 µm. A combinação raio da ponta finito e ângulo da ponta impede a ponta de penetrar completamente espaços profundos e estreitos da superfície. Em algumas situações pode levar a erros significativos.

-Pontas especiais com cunhas tipo cinzel e raio da ponta mínimo de 0,1 µm podem ser utilizadas para detalhes de superfícies muito finas.

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

-É conveniente diferenciar rugosidade (fricção, atrito), roughness), significando em pequena escala irregularidades de superfície, e erro de forma (fricção, atrito), form error), que é a medida do desvio de forma da superfície a partir de sua forma ideal. A distinção entre um e outro é arbitrária, contudo claramente envolve a escala horizontal de irregularidade. Podendo se tornar mais complicado pela presença de ondulação (fricção, atrito), waviness), uma ondulação de superfície periódica intermediária em escala entre rugosidade e erro de forma.

-Por vários métodos, o erro de forma e ondulação podem ser subtraídos do perfil de superfície registrado por um perfilômetro, de modo que o resultado descreva somente a rugosidade, ou pequenos comprimentos de irregularidades.

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

Revisão Rápida – NBR 6405/1988

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

Rugosidade:

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

Rugosidade:

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

Rugosidade Média Quadrática das Alturas (Rq)

Também conhecida como RMS (fricção, atrito), root mean square), desvio médio quadrático que

é a raiz quadrada da média dos quadrados das ordenadas do perfil efetivo em relação à linha média, no comprimento de amostragem l.

Rq =

Para muitas superfícies, o valor de Rq e Ra são similares; para uma distribuição das alturas da superfície. Rq = 1,25 Ra.

-É inevitável que ao descrever um perfil de rugosidade por um número simples, alguma informação importante sobre a topografia da superfície será perdida.

-Ra e Rq por exemplo, não dão nenhuma informação sobre a forma ou espaçamentos das irregularidades de superfície e não conduzem a indicação da probabilidade de encontrar alturas de superfícies dentro de certos limites.

-Para uma descrição mais completa da topografia da superfície é necessário a informação sobre a distribuição de probabilidade das alturas e a distribuição espacial dos picos e vales na superfície.

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

A tabela que se segue, classifica os acabamentos superficiais - geralmente encontrados na indústria mecânica - em 12 grupos, e as organiza de acordo com o grau de rugosidade e o processo de usinagem que pode ser usado em sua obtenção. Permite, também, visualizar uma relação aproximada entre a simbologia de triângulos, as classes e os valores de Ra (fricção, atrito), mm).

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Simbologia Equivalência e Processos de Usinagem

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Quantificação da Rugosidade Superficial

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3 – Simbologia - Rugosidade Superficial

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3 – Simbologia - Rugosidade Superficial

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3 – Simbologia - Rugosidade Superficial

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3 – Simbologia - Rugosidade Superficial

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3 – Simbologia - Rugosidade Superficial

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3 – Simbologia - Rugosidade Superficial

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Parâmetros de Rugosidade – Simetria e Curtose

- Os parâmetros de rugosidade, como já mencionados, têm sido objeto

de estudo desde a invenção do perfilômetro de Abbott em 1933.

Anteriormente definia-se um parâmetro simples de rugosidade que dava

a distância do maior pico ao maior vale, o parâmetro Ry (fricção, atrito), altura máxima

do perfil). Todavia, essa especificação é altamente sensível a

ocorrências extremas, as quais são principalmente encontradas em

termos de riscos ocasionais que são representativos da tendência geral

da superfície analisada.

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Parâmetros de Rugosidade – Simetria e Curtose

- Com o desenvolvimento de equipamentos de medição mais sofisticados,

com o uso de computadores mais potentes foi possível o desenvolvimento

de técnicas mais utéis e relevantes na caracterização de superfícies. Devido

a essas novas tecnologias de medição de superfícies houve um

crescimento no número de novos parâmetros.

- Stout (fricção, atrito), 1981) sugere alguns parâmetros (fricção, atrito), vide tabela) para serem usados

na medição de superfícies de acordo as suas funções particulares.

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Parâmetros de Rugosidade – Simetria e Curtose

- Parâmetros usados quanto ao aspecto funcional da superfície

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Parâmetros de Rugosidade

- Os parâmetros de rugosidade mais comuns são os que representam

as variações da altura da superfície relativas a um plano de referência.

O parâmetro mais utilizado é o parâmetro Ra, que é o desvio médio

aritmético. Outros dois parâmetros são o coeficiente de simetria (fricção, atrito), Rsk) e

Curtose (fricção, atrito), Rku).

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Coeficiente de Simetria (Rsk)

-A assimetria da distribuição é o critério de avaliação do formato (fricção, atrito), ou

deformação) da curva de distribuição das amplitudes das irregularidades

em relação à linha de referência, no comprimento de medição.

Matematicamente o coeficiente de simetria é a expressão pelo terceiro

momento central da função de probabilidade de distribuição das

amplitudes das irregularidades.

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Coeficiente de Simetria (Rsk)

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Coeficiente de Simetria (Rsk)

-Em termos práticos, se o parâmetro Rsk for negativo, as irregularidades

da superfície tem a forma da distribuição distorcida para cima, ou seja,

caracterizada por sulcos. Caso contrário, quando for positiva, a

superfície é caracterizada por picos. Superfícies com Rsk negativo são

menos suscetíveis ao desgaste prematuro. Além disso, em aplicações

como mancais lubrificados, os sulcos servem como depósito de

lubrificante. Portanto o parâmetro Rsk é importante para a medição de

superfícies de mancais, para tais superfícies recomenda-se Rsk entre -

16 e -2 . (fricção, atrito), CARPINETTI et al.,2000)

- Assim como a curtose (fricção, atrito), Rku), o Rsk não tem unidade de medida, e ele

é mais bem utilizado com um ou mais parâmetros para se ter uma

melhor caracterização da superfície.

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Curtose (Rku)

- Curtose é um outro parâmetro indicativo do formato das irregularidades

superficiais. Matematicamente, é expresso pelo quarto momento central

da função de probabilidade de distribuição das amplitudes das

irregularidades,ou seja:

- Curtose mede a forma da curva de distribuição das amplitudes, ou

seja, o afinamento ou achatamento dessa curva. Em termos práticos,

valores altos de curtose (fricção, atrito), superiores a k=3), indicam que as

irregularidades superficiais são “pontiagudas”, ou seja, mais suscetíveis

ao desgaste prematuro do que superfícies não pontiagudas, com valores

de curtose mais baixos (fricção, atrito), geralmente menores que k=3).

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Curtose (Rku)

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Curtose (Rku)

-O parâmetro Rku não leva em conta a magnitude geral da superfície,

somente a sua forma ou quanto agudo são os picos e vales. Como o

Rku não tem unidade de medida, resultados de diferentes fontes ou

companhias precisam ser esclarecidos com outros parâmetros e

informação de processo.

-Embora em alguns casos, os parâmetros curtose (fricção, atrito), Rku) e o coeficiente

de simetria (fricção, atrito), Rsk) possam dar uma indicação do processo de

manufatura, estes parâmetros são significativamente influenciados por

poucos valores extremos. Entretanto, examinados os parâmetros

funcionais, é possível identificar características das superfícies

produzidas por diferentes classes de processos de manufatura.

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Curva Abbott - Firestone

- Entre os diversos parâmetros existe um que resulta em grande interesse do

ponto de vista da capacidade de armazenar lubrificante, como também a

quantidade de material necessário para um recobrimento superficial no caso

em o mesmo for necessário. Se trata da Curva de Abbott (fricção, atrito), também conhecida

como Curva de Abbott – Firestone).

- A natureza desta curva parte dos seguintes conceitos:

* A profundidade de transição entre ar e material é igual a profundidade

total da rugosidade.

* A diferentes profundidades, através do perfil de rugosidade, existe uma

relação entre ar e material.

* Se calcula a relação de material a diferentes profundidades ao longo do

perfil e se expressa como uma curva contínua, que é a curva de Abbott.

. •-

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Curva Abbott - Firestone

.

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Curva Abbott - Firestone

- Em 1993 Abbott e Firestone desenvolveram uma forma de descrever

todas as propriedades de amplitude de uma superfície através da curva da

razão de apoio (fricção, atrito), Bearing ratio curve), mais tarde denominada de curva de

Abbott – Firestone.

- Esta curva é gerada através do fracionamento de uma superfície desde o

maior pico até o vale mais profundo dentro de um comprimento

determinado L conforme mostrado na figura. A fração, denominada Rmr

conforme ISO 4287 (fricção, atrito), 1997), é determinada somando-se os comprimentos

interseccionados pela linha de corte no perfil da rugosidade dividido pelo

comprimento analizado L, conforme expresso pela relação abaixo.

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Curtose (Rku)

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Curtose (Rku)

- Abbott e Firestone definiram 3 zonas do perfil da rugosidade conforme

descrito abaixo:

• Rugosidade de Pico = profundidade representada de 2% a 25% do

comprimento de apoio.

• Rugosidade de Núcleo = profundidade representada de 25% a 75% do

comprimento de apoio.

• Rugosidade do vale = profundidade representada de 75% a 98% do

comprimento de apoio.

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