AEA Seminar _10_ 2012

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

INFLUÊNCIA DA TRIBOLOGIA NA PERFORMANCE

DA TRANSMISSÃO

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.

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

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.

+

+

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

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

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.

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.