AEA Seminar _10_ 2012

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Artigo voltado ao estudo da influência das condições de atrito para com os sistemas de transmissão veicular comercial.

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AEA Seminar _10_ 2012

  1. 1. 2013 Influência da Tribologia na Performance da Transmissão Uma visão de materiais, processos , geometria e usinagem Engº Carlos Mussato A N Á L I S E D E L U B R I F I C A N T E S E T R I B O L Ó G I C A S A P L I C A D A S À S T R A N S M I S S Õ E S
  2. 2. INFLUÊNCIA DA TRIBOLOGIA NA PERFORMANCE DA TRANSMISSÃO
  3. 3. Resumo Com a presente condição severa de utilização dos veículos comerciais médios e pesados no Brasil, a questão da lubrificação se tornou evidente e fundamental para o aproveitamento da vida útil dos equipamentos. Neste contexto, a análise Tribológica e de Lubrificantes estabelece um cenário claro da interação das variáveis de infuência nos modos de falha, permitindo ao OEM planejar sua manutenção e acompanhamento de frota, reduzindo os custos operacionais. Este trabalho visa apresentar todos estes fatores, de forma ordenada a estabelecer uma visão sobre o compromisso do estudo Tribológico na busca da eficiência das transmissões manuais de veículos comerciais em aplicação no mercado Brasileiro. Visão Geral do Panorama de aplicação O avanço tecnológico dos veículos comerciais, utilizando projetos de motores eletrônicos, com a possibilidade de torques diferenciados para as marchas, aliado à uma maior potência para atender à uma condição de carga e terreno, tipicamente severos como o Brasileiro, implicou em uma evolução providencial das transmissões, de forma a atender à cada um dos requisitos de exigência mecânica e de dirigibilidade. Da mesma forma os lubrificantes tiveram uma evolução significativa para com os compromissos físico-químicos inerentes ao avanço tecnológico das transmissões, balanceando proteção e desempenho. As exigências ambientais dirigidas pelos programas de redução de emissões, influenciaram sobremaneira as transmissões no tocante à torque e temperatura de operação. O papel do lubrificante passou a ser fundamental na combinação da redução de consumo de combustível e proteção de película lubrificante, com baixo coeficiente de atrito. As classes de desempenho API podem ser diferentes do exposto de acordo com o projeto mecânico dos equipamentos. Daí a importância de seguir sempre a recomendação do fabricante no uso dos lubrificantes homologados por este. As empresas do segmento de auto-pecas de classe mundial, preparam-se para atenderem à exigências de mercado de forma científica, através de estudo das variáveis importantes de projeto por meios de cálculos, simuladores e bancos de teste, permitindo assim maximizar os resultados do equipamento, bem como otimizar os mesmos, pela observação dos resultados dos testes. Essa técnica de Engenharia Mecânica se denomina back to back.
  4. 4. A topografia do terreno é um fator implicante nos modos de falha dos componentes do veículo como um todo. Variações de piso quanto à aderência, aclives e declives acentuados, altitude e temperatura ambiente, são fatores extremamente importante de projeto das transmissões e devem ser mapeados para um dimensionamento correto. O compromisso de uma frota é transportar com eficiência, segurança e conforto. Estes requisitos são pensados no projeto da transmissão, de forma a oferecer ao motorista, opções de escalonamento de marchas que atenda às nuances de terreno encontradas, mantendo a capacidade de tração do veículo. Para que isso seja possível, as transmissões dividem-se em Leves, Médias e Pesadas. Mecânica de funcionamento do Sistema com ação do Lubrificante Importância das Interfaces dos componentes Para se entender os limites de projeto mecânico de uma transmissão, deve-se conhecer as interfaces existentes e as exigências dinâmicas e físicas de cada componente. Este mapeamento inclui todos os movimentos e deslizamentos cruzados entre as partes metálicas. O integrante de maior responsabilidade no tocante à desgaste e atrito, é o conjunto sincronizador. Este componente necessita de suporte de lubrificação especial, voltado à redução de atrito e proteção metálica por película lubrificante. O compromisso entre estes dois fenômenos resulta em um funcionamento correto do sistema de troca de marchas. Entre a parte posterior da transmissão, carcaça 1, para com o motor, localiza-se o componente Embreagem. Grandezas físicas como Inércia e Torque, combinadas com alinhamentos geométricos de montagem do conjunto transmissão-embreagem- motor, geram grande responsabilidade do lubrificante na atenuação da elevação de temperatura e da manutenção do valor de coeficiente de atrito dinâmico (µ). Estas variáveis devem ser levadas em conta no estudo de causa raiz de um problema com a qualidade do engate de marchas. Na carcaça 2, localiza-se um componente fundamental para o conforto de engate, denominado Torre de mudança. Este componente por si só não garante o bom engate de marchas, ele deve ser calibrado com a exata regulagem do curso de embreagem. O modo de dirigibilidade também afeta a incidência de falhas do conjunto sincronizador. O motorista deve proceder engate sem movimentos bruscos, uma vez que a torre de mudança já garante o conforto necessário. Na parte inferior da transmissão, localiza-se a PTO (Power-Take-Off), ou tomada de força, e a Flange de saída, ou Yoke. Estes dois componentes são
  5. 5. interfaces críticas na transmissão do movimento da transmissão ao cardan e ao eixo traseiro do veículo, portanto os alinhamentos de montagem são importantes para a redução de falhas da transmissão. A atenção à vazamentos de lubrificante nesta região é fundamental para a manutenção do veículo. O componente PTO deve ser acionado somente com a transmissão desengatada, para evitar falhas na mesma. Importância do projeto e responsabilidade do set de engrenagens O elemento mecânico de maior responsabilidade na transmissão do movimento do veículo é a Engrenagem. O dimensionamento da geometria deste componente obedece à complexos critérios de resistência mecânica, que garantem alta durabilidade e baixo ruído no trabalho. Com torques altos da ordem de 2.500 N.m, o projeto das engrenagens precisa prever dureza superficial de flancos adequada para com a vida útil projetada. Este critério é contemplado pela teoria de dimensionamento de engrenagens chamada Lei de Hertz. Entre os flancos dos dentes dos pares engrenados, há uma folga de projeto, que diminui com a ação do torque do motor. Este movimento gera calor e elevação do atrito entre os flancos dos dentes. Para garantir que as partes metálicas não se fundam e que a temperatura de operação seja atenuada, os lubrificantes assumem papel fundamental neste requisito, oferecendo proteção metálica por resistência de filme. O projeto do set de engrenagens deve obedecer, como em todo projeto mecânico, à uma otimização do custo de fabricação. Para isso, explora-se a condição de micro-geometria do dentado, em substituição à dimensionamentos de largura e material das engrenagens. Entretanto, este critério de projeto demanda grande tecnologia de fabricação das engrenagens, com desvios geométricos projetados da ordem de 0,005 µm em toda a extensão do dentado. Estes valores obedecem à critérios de redução de ruídos e aumento de vida útil do componente, devido ao estudo do contato entre os flancos. O desprendimento metálico é portanto diminuido através deste recurso de projeto, propiciando uma ação dispersante do lubrificante mais eficaz. Importância do processo de fabricação e tratamentos especiais da superfície dos dentes das engrenagens Em decorrência da necessidade de resistência mecânica e absorção de impacto dos dentes das engrenagens, tratamentos especiais como o Shot Peening são utilizados em todo os projetos de transmissões veiculares. Consiste na elevação da resistência à compressão na região imediatamente abaixo dos flancos dos dentes, propiciando elevadíssima vida à fadiga do componente, quando submetido à esforços cíclicos. A aplicação de Shot Peening pode ser feita somente na região dos dentes para engrenagens retificadas e em toda a região dos flancos para engrenagens Sheivadas. + +
  6. 6. A combinação de lubrificação adequada à condição de resistência mecânica obtida pelo processo de fabricação, conferem à transmissão uma excelente vida útil. Em tribologia, o estudo das superfícies de contato definem o comportamento dos componentes mecânicos sob um regime de lubrificação. A métrica definida para este dimensionamento é a Rugosidade superficial, avaliada em µm. O desprendimento metálico oriúndo destas irregularidades superficiais é absorvido pela ação dispersante do lubrificante, entretanto é importante combinar pares de mesma tecnologia, para maximizar a vida útil dos mesmos. Abaixo a descrição dos principais processos de fabricação de dentados para engrenagens automotivas. Os processos A e B são fases preliminares dos processos C a F, e ocorrem antes do Tratamento térmico das engrenagens. Os processos D, E e F são utilizados para altos compromissos com níveis baixos de ruído e alta capacidade de carga. As tecnologias de retificação dos dentes de engrenagens utilizam rebolos cerâmicos e galvânicos. Estes últimos dispensam o uso de processo Shot Peening ainda que em baixas velocidades de corte (<30m/min). Os grãos de nitreto cúbico de boro conferem usinagem por abrasão e deformação simultaneamente, conferindo grande resistência à fadiga e baixíssimo desprendimento metálico no período inicial de uso da transmissão, colaborando portanto com a eficiência do lubrificante utilizado. A B C D E F
  7. 7. Condição de homologação dos Lubrificantes para Transmissões Os lubrificantes devem responder positivamente às exigências de lubricidade, atrito, temperatura e sujidade. Para dimensionar um lubrificante, deve-se fazer uma matriz de ponderação de performance, contemplando os componentes mecânicos e suas respectivas funções na transmissãom, conforme ilustrado abaixo. Os ensaios tribológicos utilizados na aprovação da transmissão tem importância fundamental no ciclo de projeto da mesma, perfazendo a análise do comportamento em desgaste em simuladores das condições reais de uso, findando nos testes de campo conforme as condições previstas no projeto. Também os lubrificantes são submetidos à cada uma destas fases, tendo suas propriedades físico-químicas avaliadas e classificadas. Na fase laboratorial, se verificam a reologia e composição química, nos testes tribológicos as propriedades de atrito e proteção lubrificante e nos testes de campo os períodos de troca de acordo com as especificações dos fabricantes ou OEMs. Uma das principais variáveis influentes na obtenção da vida útil projetada das transmissões para com as condições severas de uso, é a Viscosidade cinemática (cSt). O projeto dos lubrificantes prevê limites de variação da viscosidade em função das condições de uso, predominantemente temperatura, tempo de operação, contaminação e regime de carga do veículo. Todos estes fatores combinados ao extremo, implicam em grande responsabilidade do lubrificante para a durabilidade da transmissão. O tempo de uso é extrapolado do teste KRL para as condições reais de campo. Conhecendo-se a viscosidade de cisalhamento, pode-se monitorar a vida útil do equipamento, evitando modos de falha como Pitting nos dentes das engrenagens. Finalmente as condições de contorno da homologação dos lubrificantes é conhecida e a ponderação de cada item de desempenho é comparada, para destinar o lubrificante corretamente à aplicação. Uma vez escolhido a lubrificação ideal para a transmissão, pode-se registrar a qualidade do lubrificante de primeiro enchimento através de uma checagem via Infra-Vermelho da condição sem uso ou 0Km. Desta forma evitam-se problemas de desgaste prematuro da transmissão em decorrência do uso de lubrificantes não homologados pelo fabricante. Lubrificantes de bases sintéticas SAE80W SAE40 SAE75W80
  8. 8. Métodos e medições eficientes na predição de falhas Em uma transmissão a quantidade de componentes metálicos em funcionamento simultâneo é enorme e portanto o desprendimento de ferro é em algumas vezes alto. Para que a análise do lubrificante seja útil ao monitoramento da vida da transmissão, o fabricante deve conhecer a origem de cada desprendimento metálico e contaminantes. Desta forma poderá intervir à tempo no equipamento, através de uma inspeção detalhada ou teardown planejado, identificando o componente em desgaste e substituindo-o. Assim como se faz a análise IR do lubrificante quando novo, pode-se fazer também a análise da rugosidade das partes metálicas fundamentais, para se ter claro a evolução de desgaste. O desprendimento metálico é mais acentuado no cone do corpo de acoplamento, seguido dos garfos do sistema de mudança e em último pelo set de engrenagens e rolamentos. Existem variáveis que podem serem monitoradas em complemento às análises de lubrificantes, para ser associada à esta durante um teste de campo ou rotina de inspeção veicular. A temperatura de operação é uma das principais variáveis de influência na degradação do lubrificante e por conseguinte da transmissão. Em determinadas aplicações severas em que as temperaturas excedem 100ºC o uso de lubrificantes sintéticos se faz necessário para garantir a vida útil da transmissão. Além da composição química correspondente à aditivação e a viscosidade cinemática do lubrificante, o tamanho e quantidade do particulado em suspensão devem também serem analisados e servem de parâmetros para o analista quanto à contaminação do lubrificante, de maneira que pode visualizar de forma fracionada, os respectivos ppms de particulados. Uma lubrificação em boas condições de sujidade deve apresentar uma classificação ISO4406 --/22/20 para transmissões mecânicas e automatizadas. Uma análise da morfologia das partículas presentes na amostra do lubrificante pelo método de Ferrografia analítica pode ser útil quando a classificação ISO4406 tiver sido superada. Os particulados de ferro gerados pelo trabalho da transmissão nos diversos níveis de aplicação, devem ser analisados e interpretados à cada amostragem, pois constituem o maior fator de influência no desgaste e vida útil das transmissões. O ensaio de tamanho de partículas acima mencionado, pode revelar a intensidade do desprendimento metálico. Como visto anteriormente, existem inúmeros fatores que levam ao desgaste metálico e consequente redução da vida útil da transmissão.
  9. 9. Um teste de campo com veículo instrumentado para levantamento das variáveis de temperatura de operação, coletivo de marchas, funcionamento da embreagem e do sistema de mudança, combinados com as análises de lubrificante, pode fornecer um mapa fundamental para o fabricante e o usuário final, uma vez que obedecido estes limites, a vida útil da transmissão será maximizada. Conclusões e observações Os testes tribológicos e análises dos lubrificantes contribuem significativamente para a redução e detecção de falhas nos equipamentos mecânicos complexos como transmissões automotivas, possibilitando aos fabricantes a confiabilidade desejada e fornecendo ao cliente um suporte eficaz e eficiente. Os modos de falhas decorrem em grande parte do uso inadequado dos equipamentos ou de condições não previstas nos projetos e manuais de operação. A manutenção da lubrificação assume papel fundamental nos custos de frotas, uma vez que os equipamentos se tornam cada vez mais sofisticados e caros. Os apelos ecológicos, exigências de conforto, e reduções de custos com combustíveis, aliados à condições severas crescentes no uso dos veículos comerciais, implicou em uma tecnologia embarcada do powertrain com alto valor agregado, justificando o uso de lubrificantes sintéticos de alto desempenho em escala crescente.

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