Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Dep. Engª Mecânica Escola de Engenharia Universidade do...

• Mestrado Integrado em Engenharia MecânicaDep. Engª MecânicaEscola de EngenhariaUniversidade do Minho

Tribologia

Parte B: Contacto Lubrificado

1. Lubrificantes

Tribologia Parte B: Contacto Lubrificado MIEMec (3º ano/2º sem.)

1. Lubrificantes

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Tópicos

1.1 – Propriedades dos óleos lubrificantes- definição & tipos- propriedades físicas & químicas- noção de viscosidade; - influência da temperatura e da pressão- técnicas de determinação da viscosidade

1.2 – Aditivos para óleos lubrificantes- tipos e funções

1.3 – Classificação dos óleos lubrificantes- classificações SAE, ISO, API e outras

1.4 – Massas lubrificantes

1.5 – Lubrificantes sintéticos


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1.1 Propriedades dos óleos lubrificantes

• Definição Lubrificante é toda a substância utilizada com a finalidade de diminuir o atrito

e o desgaste decorrente do contacto entre superfícies em movimento relativo.

• Tipos Lubrificantes gasosos (p.ex. o ar) Lubrificantes líquidos (p.ex. os óleos lubrificantes ou outros líquidos – água, mercúrio, etc. –

geralmente quando são fluidos de processamento) Massas lubrificantes (constituídas por um óleo emulsionado numa base espessante) Lubrificantes sólidos (de estrutura lamelar – p.ex. grafite e bissulfureto de molibdénio)

De todos os tipos, os mais utilizados são os óleos minerais e as massas lubrificantes.Os óleos minerais obtêm-se por destilação do petróleo bruto, cujos hidrocarbonetos de base podem ser parafínicos, asfálticos ou mistos.Conforme as ramas de base, assim estes terão composições químicas e propriedades diversas.

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• Propriedades físicas viscosidade (resistência ao escoamento)

densidade (massa por unidade volúmica)

ponto de inflamação (temperatura de libertação de vapores)

calor específico (variação térmica por unidade de calor)

condutividade térmica (capacidade de condução de calor)

ponto de congelação (temperatura de transição sólido-líquido)

• Propriedades químicas afinidade química com materiais de base (capacidade de formar películas protectoras)

inércia química ao ar/oxigénio (capacidade de resistir à oxidação)

De todas, a viscosidade é a propriedade mais importante, que é determinante em condições de lubrificação que garantam a completa separação das superfícies (regime de lubrificação por película espessa).Quando as condições de carga e/ou de velocidade determinam um grau certo de contacto inter-superficial (regimes de lubrificação limite ou mista), as condições de atrito e de desgaste são preponderantemente ditadas pelas propriedades químicas do lubrificante.


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• Noção de viscosidade Sendo o atrito viscoso, muito simplesmente, a resistência oferecida ao escoamento,

depende do atrito entre as moléculas do fluido em movimento relativo (tangencial).

sendo que, entre duas placas paralelas em movimento relativo,F – força tangencialU – velocidade relativaA – área de contacto

e admitindo que não há escorregamento entre o fluido e as paredes, o perfil de velocidades no seio do fluido (na direcção perpendicular ao escoamento, yy) será linear.


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• Noção de viscosidade• Assim sendo, vem que,

a tensão de corte aplicada: = F/A

o gradiente de velocidades:du/dy = U/h

e, por sua vez, a Lei de Newton estabelece que: = · (du/dy)

em que a constante () é denominada viscosidade dinâmica (ou viscosidade absoluta) e é, assim, a razão entre a tensão de corte aplicada () e a taxa de deformação (du/dy).

De notar ainda que:i) esta relação apenas se verifica para um fluido em escoamento laminar;ii)os fluidos que seguem esta Lei – tais como a generalidade dos óleos lubrificantes comuns –

são denominados ‘fluidos newtonianos’;iii)outros fluidos ‘não newtonianos’ – como, por exemplo, as massas lubrificantes, polímeros, materiais

biológicos, etc. – apresentam propriedades designadas como ‘visco-elásticas’, emque a relação entre a tensão de corte e a taxa de deformação não é constante.


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• Noção de viscosidade• Além da viscosidade dinâmica (), pode ainda ser definida uma viscosidade cinemática,

= /ρ

em que (ρ) é a massa específica do fluido.

para óleos minerais a densidade varia ligeiramente com o tipo de óleo e com a respectiva temperatura, numa gama de 850 a 900 kg/m3.

• Unidades:

Sistema Viscosidade dinâmica () Viscosidade cinemática ()

CGSdine·s/cm2 = poise [P] cm2/s = stoke [St]

1/100·P = 1 centipoise [cP] 1/100·St = 1 centistoke [cSt]

SIN·s/m2 = Pa·s

= poiseuille [Pl]m2/s

conversões 1 Pl = 10 P 1 cSt = 10-6 m2/s


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• Variação da viscosidade com a temperatura• A temperatura tem uma influência determinante na viscosidade, que se traduz numa curva típica,


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• Variação da viscosidade com a temperaturaou, utilizando escalas logarítmicas, em simples linhas rectas (diagrama A.S.T.M):


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• Variação da viscosidade com a temperaturaSendo esta ‘linearização’ baseada na equaçãoempírica de Wather,

log log ( + 0.8) = A + B log Tem que:() = viscosidade cinemática [cSt](T) = temperatura absoluta [ºK = ºC + 273]

As constantes (A) e (B) podem ser calculadas a partir dadeterminação da viscosidade do lubrificante (1 e 2),para duas temperaturas diferentes (T1 e T2),



• Índice de viscosidade (Viscosity Index - VI)

• Tendo em consideração a variação da viscosidade com a temperatura, o denominado “Índice de Viscosidade” é uma forma de quantificação desta sensibilidade.

Quanto maior for o VI de um lubrificante, menor será a variação da sua viscosidade com a temperatura.

• Este índice é determinado da seguinte forma:

são selecionados dois “óleos de referência”, A e B, aos quais são atribuídos índices de viscosidade VI=100 e VI=0, respectivamente, sendo que:

» IV=100 corresponde a óleos de ramas parafínicas da Pensilvânia, USA, que apresentam menor sensibilidade da viscosidade com a temperatura na gama 40º-100ºC;

» IV=0 corresponde a óleos de ramas do Golfo do México, para os quais a variação é mais acentuada.

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• Índice de viscosidade (Viscosity Index - VI) para a atribuição do VI de um determinado óleo X, selecionam-se dois óleos de referência

(VI=0 e VI=100) , com a mesma viscosidade a 100ºC do óleo em estudo;

a determinação da viscosidade do óleo em estudo – geralmente para os valores de temperatura padrão de 40ºC e de 100ºC, permite à partida pré classificá-lo num de dois grandes grupos:

a) caso VI 100 (ASTM D.567):

o Índice de Viscosidade vem dado por:

Nota: os valores de L, H e Y podem ser obtidos de ‘Petroleum and its Products – part 1, Methods for Analysis and Testing, do Pretroleum Institute, USA

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• Índice de viscosidade (Viscosity Index - IV)

b) caso VI > 100 (ASTM D.2270):

o Índice de Viscosidade vem dado por:

em que,

Obs.: em aplicações onde são expectáveis grandes variações de temperatura, quer ambientais quer de funcionamento – como é o caso dos motores de explosão, por exemplo – torna-se necessário o emprego de óleos de elevado índice ( IV > 95).

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• Variação da viscosidade com a pressão• Quando a pressão de funcionamento ultrapassa os 200 kg/cm2 (200 bar) verifica-se um aumento

significativo da viscosidade dos óleos lubrificantes.» por exemplo, a 350 bar o valor da viscosidade de um óleo mineral pode atingir o dobro da apresentada à

pressão atmosférica.

• Tipicamente,com razoável aproximação, pode ser quantificada como,

p = 0·e·p

em que:

p – pressão em consideração

p – viscosidade dinâmica à pressão (p)

0 – viscosidade dinâmica à pressão atmosférica

– coeficiente de sensibilidade à pressão(tipicamente, 2.5·10-8 m2/N para óleos minerais)

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• Técnicas de determinação da viscosidade de fluidos• A viscosidade é medida pelo tempo necessário para o escoamento de uma determinada

quantidade de fluido, através de um orifício, de um tubo capilar ou de um espaço/folga entre dois corpos (tubo e esfera, por exemplo) devidamente calibrados.

Viscosímetro Saybolt UniversalA viscosidade é dada pelo tempo, em segundos [S.U.S] que 60 cm3 de fluido, a uma

determinada temperatura controlada (100, 130 e 210 ºF), leva a passar pelo orifício calibrado do aparelho.

Estes aparelhos permitem obter viscosidades Redwood I e II [s] e Engler [ºE].

Para conversão de unidades, pode usar-se a expressão,

[cSt] = A·t – B/t

em que:- se (t) em segundos Redwood I A=0.25 e B=172- se (t) em segundos Redwood II A=2.72 e B=1120- se (t) em segundos Saybolt A=0.22 e B=180

ou, conhecida a viscosidade em graus Engler (ºE) t=[ºE], A=0.147 e B=374

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• Técnicas de determinação da viscosidade de fluidos Viscosímetro de Tubo em UPermite a determinação da viscosidade cinemática de um fluido, correspondente

à temperatura do banho termostático em que esteja mergulhado, com base no tempo necessário ao escoamento de um determinado volume através de um tubo capilar.

A viscosidade é obtida em tempo (segundos), dependendo da constante de calibração (C) do próprio aparelho, sendo que,

[cSt] = C·t

Viscosímetro de Queda de Esfera… apresentação do aparelho do LOMT…

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1.2 Aditivos para óleos lubrificantes• Raramente os óleos lubrificantes são utilizados (e comercializados) no seu estado puro.

• Na grande maioria das aplicações, um óleo mineral ‘puro’ – por uma ou várias razões – não consegue cumprir as especificações de funcionamento requeridas.

• Como tal, óleos específicos para aplicações específicas – por exemplo: para motores, engrenagens, rolamentos, etc. – são sempre óleos aditivados.

• Tipos de aditivos mais comuns:

• Melhoradores do índice de viscosidade produtos de natureza polimérica, que aumentam a viscosidade e o índice de viscosidade.

• Dispersantes impedem a aglomeração dos contaminantes (produtos da combustão, carvão, oxidação do óleo, etc.).

• de Extrema-pressão (EP) compostos de enxofre, fósforo, cloretos, etc, que impedem o contacto metálico sob cargas elevadas

(reagem com a superfície metálica, formando películas de sais metálicos muito resistentes e de alta aderência às superfícies).

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1.2 Aditivos para óleos lubrificantes

•Tipos de aditivos mais comuns (cont.):

• Anti-oxidantes compostos orgânicos como sulfitos, bissulfitos, fenóis, etc, que reduzem e atrasam a oxidação do

óleo, que se verifica para temperaturas superiores a 80 ºC na presença do ar (inibem a formação de ácidos corrosivos e o aumento da viscosidade do óleo).

• Anti-corrosão protegem as superfícies metálicas contra acções corrosivas.

• Anti-espuma inibem a formação de espuma, que se forma por emulsão do óleo com o ar sob forte agitação

(importante em caixas de velocidades, carters de lubrificação por chapinhagem, etc.).

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1.3 Classificação dos óleos lubrificantes• Não há uma classificação única, universal, que englobe todas as características possíveis, de acordo

com as aplicações e o eventual interesse do utilizador.• Há sim critérios de classificação, nomeadamente quanto às propriedades mais relevantes e às

condições de serviço requeridas ou mais adequadas.

• Classificações: SAE – Society of Automotive Engineers

ISO – International Organization for Standardization

API – American Petroleum Institute

outras…

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1.3 Classificação dos óleos lubrificantes• Classificação SAE

classificação segundo a viscosidade e o índice de viscosidade, uma vez que são estes os parâmetros mais relevantes para a aplicações que envolvem motores de combustão,

‘W’ – ‘Winter grades’, restantes ‘Summer grades’

englobando também os ‘multigrade’:

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SAE Viscosidade máx. a baixa temp. Viscosidade [cSt] a 100 ºCgrade [cP] [ºC] mín. máx.0 W 3250 -30 3.8 -5 W 3500 -25 3.8 -

10 W 3500 -20 4.1 -20 W 4500 -10 5.6 -25 W 6000 -5 9.3 -

20 - - 5.6 < 9.330 - - 9.3 < 12.540 - - 12.5 < 16.350 - - 16.3 < 21.9

ÓleosMultigrade

Valores típicosde VI

10W/30 14510W/40 16910W/50 19020W/40 11320W/50 133


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1.3 Classificação dos óleos lubrificantes• Classificação ISO

classificação segundo a viscosidade nominal a 40 ºC, para óleos industriais genéricos,

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ISOgrade

Viscosidade média [cSt]

Intervalos-limite [cSt]

mín. máx.

ISO VG 2 2.2 1.98 2.42ISO VG 3 3.2 2.88 3.52ISO VG 5 4.6 4.14 5.06ISO VG 7 6.8 6.12 7.48

ISO VG 10 10 9.00 11.0ISO VG 15 15 13.5 16.5ISO VG 22 22 19.8 24.2ISO VG 32 32 28.8 35.2ISO VG 46 46 41.4 50.6ISO VG 68 68 61.2 74.8

ISO VG 100 100 90.0 110ISO VG 150 150 135 165ISO VG 220 220 198 242ISO VG 320 320 288 352ISO VG 460 460 414 506ISO VG 680 680 612 748

ISO VG 1000 1000 900 1100ISO VG 1500 1500 1350 1650


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1.3 Classificação dos óleos lubrificantes• Classificação API

critério baseado nas condições de serviço – não sendo portanto uma verdadeira classificação, mas sim uma especificação por condições de funcionamento ou aplicação – contemplando as categorias:

» motores a gasolina:SA, SB, SC, SD, SE e SF

» motores a diesel:CA, CB, CC e CD

» caixas de engrenagens:

GL-1, GL-2, GL-3, GL-4 e GL-5

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1.3 Classificação dos óleos lubrificantes• outras classificações

nomeadamente:» por aplicação – óleos de corte, para motores, para engrenagens, etc.» por aditivação – de extrema-pressão (EP), detergentes, compostos(com óleos de origem animal ou vegetal), etc.» etc.

próprias, isto é, de marca/construtor (motores, turbinas, caixas de engrenagens, etc.)

militares (MIL-STD)

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1.4 Massas lubrificantes• As massas lubrificantes são constituídas por um óleo lubrificante e um espessante (sabão),

classificando-se de acordo com o tipo de sabão na sua composição.• as características destas são, assim, dependentes do tipo de óleo e eventuais aditivos

incorporados, bem como do tipo de sabão utilizado.

• Tipos de massas, de acordo com o sabão de base:

• de sabão de cálcio – aspecto gorduroso; suportam temperaturas até 80 ºC e resistem alavagem por água;

• de sabão de sódio – aspecto fibroso; suportam temperaturas até 150 ºC, não resistem àacção da água;

(usuais em rolamentos, juntas universais, etc.)

• de sabão de lítio – aspecto gorduroso; suportam temperaturas até 150 ºC e resistem bem à acção da água;

(são massas de aplicação múltipla, congregando boas propriedades gerais)

• de sabão de bário – semelhantes, em características e aplicação, às massas de base de lítio;

• mistas – congregando diferentes características, das acima citadas.

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1.4 Massas lubrificantes• As massas lubrificantes são fluidos não-newtonianos, pelo que não apresentam uma relação

linear entre a tensão de corte e o gradiente de velocidade tangencial.• Isto é, não têm um coeficiente de atrito constante, uma vez que a viscosidade varia com a taxa de deformação.

• Como tal, utiliza-se um conceito denominado de ‘viscosidade aparente’ (a), definida como:

a = / (du/dy)

• Para determinar a respectiva viscosidade, para dadas condições de funcionamento, torna-se necessário conhecer o seu comportamento em termos de (a), para diferentes temperaturas e taxas de deformação.

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1.5 Lubrificantes sintéticos• A definição, segundo a A.S.T.M é a de “produtos constituídos por matérias-primas sintéticas,

produzidas por processos químicos e enriquecidos com aditivos, para aumentar o rendimento”

• A estrutura molecular dos lubrificantes sintéticos é projectada e controlada de modo a obter propriedades físicas e químicas pré-determinadas.

• Os lubrificantes sintéticos são 3 a 4 vezes mais caros do que os óleos minerais equivalentes.

• Têm, no entanto, algumas vantagens relativamente aos minerais, tais como:

maior estabilidade e resistência à corrosão

maior índice de viscosidade

Obs.: não se encontram geralmente comercializados na forma de 100% sintético;os ditos ‘óleos sintéticos’ – para uso comum como, por exemplo, em veículos automóveis – sãona verdade uma mistura percentual de sintético em óleo mineral;apenas em aplicações muito específicas, sujeitas a elevadas cargas e velocidades, e com grandesvariações operacionais de temperatura, são empregues no seu estado puro.

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