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Fundamentos da Lubrificação e Lubrificantes – Aula 2PROF. DENILSON J. VIANA

Teorias do AtritoTeorias de Amonton – Coulomb

Amonton e Coulomb determinaram que a principal contribuição a força de atrito surge da interação mecânica entre as deformações elásticas e rígidas das asperezas, estas considerações deram origem ao Modelo de Coulomb para atrito de escorregamento.

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Teoria de Adesão - Bowden e Tabor

Ao apoiarmos duas superfícies planas, o contato se dará em um número restrito de junções, cuja a soma fornece a área real de contato - Ar .

Essa relação entre a área de contato real e aparente (Ar /Aa ) dependerá do estado da superfície, do rigor geométrico das peças e da carga atuante L sobre as superfícies.


Pela ação do carregamento normal a junção sofre deformação até atingir uma situação de equilíbrio.

Ao ser aplicada uma carga tangencial, ocorre um movimento tangencial na junção, que tem o efeito de aumentar a área de contato, de modo a manter a situação de equilíbrio, na nova condição.

Se a força tangencial cresce continuamente, o correspondente aumento da área de contato pode ser insuficiente para manter o equilíbrio estático e o movimento de escorregamento tem início, figura 3.6.


Os picos sofrem deformação plástica até que as áreas de contato tenham crescido o suficientemente para suportar a carga.

Nas regiões de contato íntimo entre metais, Bowden e Tabor consideram que ocorre forte adesão, e que as junções tendem a sofrer um caldeamento (soldagem a frio).


Valores típicos para relação área de contato real e aparente (Ar /Aa )


Forças atuantes nas junções

Onde é aplicada uma força tangencial, o escoamento deve ocorrer pela ação combinada de tensões normais e de cisalhamento. Considerando um estado bi-dimencional de tensões como na figura 3.9, e assumindo que ocorra escoamento quando a máxima tensão cisalhante atingir um valor crítico.

Outras considerações sobre a Força de Atrito

Foi demonstrado que a principal resistência ao movimento surge da necessidade de cisalhar as fortes adesões dos átomos das superfícies dos materiais em contato.

Apesar de isso quase sempre acontecer para 90%, ou mais de todas as forças de atrito, existem inúmeros outros fatores que devem ser considerados.



1. A componente Rugosidade

Esta surge da necessidade das asperezas das superfícies subirem umas sobre as outras. Se a aspereza tem uma inclinação 𝜽, uma contribuição ao coeficiente de atrito será produzida em função da tangente de 𝜽. Posteriormente haverá uma componente negativa de atrito, pois 𝜽 pode tanto assumir valores positivos quanto negativos.


Com base na figura 3.11 podemos concluir que na região coexistem tantos ângulos 𝜽 positivos quanto negativos, e que na soma destes contatos tendem a cancelar a elevação do atrito devido a rugosidade.

O que permanece é que a rugosidade tende a contribuir com cerca de 0,05% de todo o coeficiente de atrito, representando uma força flutuante superposta as componentes principais da adesão na força de atrito.

A rugosidade tem uma influência maior no atrito quando atua em superfícies lubrificadas por líquidos pois impede a formação do filme hidrodinâmico pleno.


2. A componente de arranque de material

Se uma superfície dura com asperezas afiadas esta escorregando sobre uma superfície mole, estas tendem a ficar cravadas na superfície mole durante o deslizamento, produzindo um arranhão, similarmente a um aplainamento.

Assim, a energia de deformação representada pelo arranhão deve ser fornecida pela força de atrito, a qual vai a partir daí ser maior do que se o arranhão não estivesse sendo produzido.


Para a maioria das superfícies metálicas, o ângulo 𝜽 é grande, e Aph / A pv é muito pequeno, o termo de remoção pode ser desprezado quando comparado com o termo de adesão.

Em geral o termo de arranque é de cerca de 0,05% ou menor, e pode ser desprezado.


3. Componentes elétricas

Quando materiais diferentes são postos em contato, é sabido que cargas elétricas se localizam nas superfícies das junções.

A separação das junções deve ser acompanhada pela separação das cargas elétricas que se estabelecem, e assim contribuindo para o aumento da força de atrito.

Este é muito pequeno em comparação aos outros efeitos.

Atrito de RolamentoÉ a resistência ao movimento que ocorre quando um objeto rola sobre uma superfície em contato.



Essa resistência ao movimento não apresenta uma causa principal, mas é devida a uma combinação de causas, umas mais importante que as outras em uma determinada situação.

Podem ser citadas:

oEscorregamento na região de contato

oPerdas por histerese

oPerdas por atrito durante o rolamento


Escorregamento na região de contato

Se o contato de dois corpos fosse um ponto, poderia ser considerada a ocorrência de rolamento puro.

Na prática, a região de contato é deformada elasticamente, em casos extremos plasticamente, de modo que o contato é feito sobre uma área, com pontos dispostos em diferentes planos.


Em consequência, o rolamento puro somente ocorre para um número muito pequeno de pontos, com todos os outros submetidos a uma combinação de rolamentos, e um pequeno escorregamento.

Pode-se escrever a seguinte expressão para o coeficiente total de atrito por rolamento


Perdas por Histerese

Durante o rolamento, diferentes regiões das superfícies em contato são tensionadas, desaparecendo essas tensões quando o ponto de contato se desloca.

Quando um elemento é tensionado acumula energia elástica e quando as tensões desaparecem a maioria dessa energia é liberada para o sistema mas uma pequena parte é perdida na forma de calor, ocasionando a histerese elástica do material.

A componente devida à histerese no coeficiente de atrito por rolamento total é pequena em algumas situações mas é a contribuição predominante na maioria dos casos de rolamento.


Outras Perdas por Atrito Durante o Rolamento

oPerda de energia causada por falta de perfeição na geometria do corpo rolante

oPerda de energia causada por deformação plástica das asperezas da superfície de rolamento

oEscorregamento existentes na interface dos corpos rolantes e das gaiolas espaçadoras dos rolamentos

oPerdas devido à viscosidade do lubrificante

Leis do Atrito de Rolamento1ª Lei

A resistência ao rolamento é diretamente proporcional à carga aplicada.



2ª Lei

O atrito de rolamento é inversamente proporcional ao raio do cilindro ou esfera.


Considerações

oA força de atrito é menor para superfícies lisas do que para superfícies rugosas.

oEm quase todos os casos o atrito de rolamento diminui com o tempo devido à melhoria do acabamento superficial ocasionada pela ação de rolamento.

oA força de atrito estática é geralmente bem maior do que a dinâmica

oA força de atrito dinâmica é pouco dependente da velocidade de rolamento, embora realmente diminua um pouco com o aumento dessa velocidade.

Valores de Coeficiente de AtritoOs coeficientes de atrito para superfícies secas (atrito seco) dependem dos materiais que escorregam entre si e do acabamento superficial das superfícies.

Com lubrificação limite, os coeficientes dependem tanto dos materiais e condições das superfícies como dos lubrificantes empregados.



Coeficientes de atrito são sensíveis à:

oPoeira e umidade do ar

oFilmes óxidos

oAcabamento superficial

oVelocidade de escorregamento

oTemperatura

oVibração

oA extensão de contaminação


Efeitos de filmes superficiais no coeficiente de atrito estático

Existe uma redução no coeficiente de atrito devido à presença de filmes óxidos ou filmes de sulfetos sobre as superfícies metálicas.

Valores obtidos com filmes de óxidos formados pelo aquecimento ao ar em temperaturas variando entre 100 e 500°C, e filmes de sulfeto produzidos por imersão em uma solução a 0,02% de sulfeto de sódio.


Efeito do Acabamento Superficial

Verificou-se que o grau de rugosidade superficial influencia o coeficiente de atrito.

Efeitos da rugosidade em condições com lubrificação limite, para o aço duro em aço duro.


Lubrificantes Sólidos

Em certas aplicações a utilização de lubrificantes sólidos apresentam grande sucesso.

Coeficientes de atrito dinâmico para aço endurecido contra aço endurecido, com pressões variando entre 3,5 e 27,5 kgf/cm 2.

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