UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA ENG 312 PROJETOS MECNICOS I

AVALIAO DE PROJETOS DE MQUINAS PELO ENFOQUE DA MANUTENIBILIDADE: O CASO DO

SISTEMA DE TURBOCOMPRESSORES

Autores: David Queiroz Luz Felipe Andrade Torres Joo Paulo Leite dos Santos

Professor Orientador: MSc. Roberto Csar Fernandes Sacramento

Salvador 2008

2UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

AVALIAO DE PROJETOS DE MQUINAS PELO ENFOQUE DA MANUTENIBILIDADE: O CASO DO

SISTEMA DE TURBOCOMPRESSORES

Autores: David Queiroz Luz Felipe Andrade Torres

Joo Paulo Leite dos Santos

Trabalho apresentado ao Prof. Roberto Sacramento da Disciplina ENG 312 - Projetos Mecnicos I do Departamento de Engenharia Mecnica da Escola Politcnica da Universidade Federal da Bahia, como pr-requisito para aprovao na disciplina.

Curso: Engenharia Mecnica

rea de concentrao: Pesquisa e avaliao da manutenibilidade dos sistemas mecnicos.

Orientador: Prof. MSc. Roberto Csar Fernandes Sacramento

Salvador 2008

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RESUMO

Este trabalho avalia, a partir da anlise do nvel de manutenibilidade de seus componentes, o projeto de um turbocompressor. Foi realizada uma breve descrio do sistema, da sua aplicao, funcionamento e principais elementos integrantes. Em seguida foram avaliados os possveis defeitos e suas causas, a partir de visitas tcnicas e entrevistas a profissionais da rea de manuteno desses equipamentos. Levando em considerao criticidade, freqncia e custo, a manutenibilidade foi avaliada a partir da comparao entre duas marcas de turbocompressor. Atravs da anlise dos resultados da avaliao de manutenibilidade, foi observado que dentre os dois modelos avaliados, o da marca Masterpower teve melhor desempenho que o da marca Garrett, alm de ter sido levado em considerao o ndice de falhas.

Palavras-chave: Projetos mecnicos, manutenibilidade, turbocompressores.

4ABSTRACT

This work evaluates, from the analysis of the maintainability level of its components, a turbocompressor project. We performed a brief description of the system, its application, operation and main integral components. Then were evaluated the possible damages and its causes, from technical visits and interviews with professionals in the area of maintenance of these equipments, linking them to the project of the system. Thus it was possible to establish the criteria for analysis and comparison between the machine manufacturers, identifying the criticality, the frequency and cost of problems, comparing with other brands including, besides those used in this work. By analyzing the results of the maintainability, we observed that among the two models of turbocharger chosen, the brand Masterpower was better than the mark Garrett, as well as take into account the rate of failures.

Keywords: Mechanical projects, maintainability, turbocompressors.

5LISTA DE ILUSTRAES Ilustrao 1: Turbocompressor Garrett Gt15. (Fonte: Autor) .................................................................10 Ilustrao 2: Turbocompressor Masterpower 802129. (Fonte: Autor) ..................................................10 Ilustrao 3: Localizao Do Turbocompressor. (Fonte: Howstuffworks) ............................................17 Ilustrao 4: Carburador. (Fonte: Pandapedia) ........................................................................................18 Ilustrao 5: Injeo Eletrnica. (Fonte: Wikipedia) ................................................................................18 Ilustrao 6: Como Um Turbocompressor Instalado Em Um Carro. (Fonte: Garrett) ....................19 Ilustrao 7: Grfico Da Energia Trmica Total. (Fonte: Garrett) .........................................................20 Ilustrao 8: Vista Explodida De Um Turbocompressor. (Fonte: Masterpower) .................................21 Ilustrao 9: Corte De Um Turbocompressor. (Fonte: Masterpower)...................................................23 Ilustrao 10: Funcionamento Do Motor Com Turbocompressor. (Fonte: Garrett) ............................24 Ilustrao 11: Funcionamento Em Corte De Um Turbocompressor. (Fonte: Garret).........................26 Ilustrao 12: Aspirao Natural Em Veculo. (Fonte: Autor) ................................................................26 Ilustrao 13: Compressor Mecnico Acionado Por Polia. (Fonte: Jackson Racing) ........................27 Ilustrao 14: Turbocompressor Aplicado Ao Veculo. (Fonte: Autodynamics) ..................................28 Ilustrao 15: Desenhos Tcnicos De Turbocompressor (Fonte: Garret) ...........................................28 Ilustrao 16: Diagnstico De Manuteno (Fonte: Masterpower) .......................................................32 Ilustrao 17: Efeitos Da Falta De Lubrificao. (Fonte: Autor) ............................................................33 Ilustrao 18: Efeitos De Objeto Estranho. (Fonte: Autor) .....................................................................34 Ilustrao 19: Eixo Normal X Eixo Superaquecido. (Fonte: Autor) .......................................................35 Ilustrao 20: Aes Preventivas Em Turbocompressores (Fonte: Masterpower) ............................36 Ilustrao 21: Reposies De Componentes Em Turbocompressores. (Fonte: Masterpower)........37 Ilustrao 22: Mangueira De Lubrificao. (Fonte: Ancona) ..................................................................38 Ilustrao 23: Filtro De Ar Esportivo. (Fonte: Ancona) ...........................................................................38 Ilustrao 24: Mancal De Rolamento De Esferas Em Eixo De Turbocompressor (Fonte: Aps

Engineering) .........................................................................................................................................45 Ilustrao 25: Torque Devido Ao Atrito Nos Diferentes Tipos De Mancais Dos Turbocompressor

(Fonte: Aps Engineering) ...................................................................................................................46 Ilustrao 26: Variao De Temperatura Nos Mancais Do Turbo Compressor Aps O

Desligamento Do Motor (Fonte: Aps Engineering) ........................................................................47

6LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Elementos de mquinas encontrados em Turbocompressores ........ 22 Tabela 2: Anlise de falhas em turbocompressores ......................................... 40

7NDICE

LISTA DE ILUSTRAES .................................................................................... 5

LISTA DE TABELAS ............................................................................................. 6

NDICE ................................................................................................................... 7

1. INTRODUO ................................................................................................... 9 1.1 CONCEITOS ............................................................................................................................. 11

1.2 OBJETIVO ................................................................................................................................ 15

1.3 METODOLOGIA ....................................................................................................................... 16

2. CARACTERIZAO DO SISTEMA ................................................................ 16 2.1 Turbocompressor .................................................................................................................... 16

2.2 Energia para alimentar o turbocompressor ......................................................................... 19

2.3 Componentes de um turbocompressor ................................................................................ 20

2.4 Funcionamento de um turbocompressor ............................................................................. 23

2.5 Comparao entre diferentes mtodos para aumento de potncia .................................. 26

3. PROCESSO DE MANUTENO .................................................................... 29 3.1 Etapas de manuteno ........................................................................................................... 29

3.2 Descrio dos defeitos ........................................................................................................... 32

3.3 Principais problemas encontrados ....................................................................................... 33

3.4 Problemas de maior criticidade ............................................................................................. 34

4. AVALIAO DA MANUTENIBILIDADE ......................................................... 36 4.1 Custos de manuteno ........................................................................................................... 36

4.2 Tempo necessrio para manuteno .................................................................................... 39

4.3 Anlise de falhas ..................................................................................................................... 40

4.4 Avaliao dos indicadores de manutenibilidade ................................................................. 41

4.5 Anlise do defeito mais crtico .............................................................................................. 43

4.6 Solues existentes e propostas de melhorias ................................................................... 45

87. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................ 48

APNDICE A ....................................................................................................... 51

APNDICE B ....................................................................................................... 52

91. INTRODUO

Atualmente cada vez mais so realizados estudos de anlise de manutenibilidade aplicada principalmente engenharia (SACRAMENTO, 2008), isso se deve crescente necessidade de se pesquisar possveis melhorias de projetos mecnicos.

O presente trabalho fez abordagens de conceitos bsicos, seguido de um detalhamento nos sobrealimentadores, com um enfoque em turbocompressores automotivos de passeio, que so componentes dos motores de veculos. Por ser um componente que opera a altas rotaes, o sistema est sujeito a falhas, que foram discutidas neste trabalho. Tambm foram discutidos os elementos mecnicos presentes neste sistema. Por fim, foram discutidas propostas de melhorias para os dois modelos de turbocompressores e foi apresentado o comparativo de manutenibilidade dos turbocompressores.

Uma das maneiras de se obter mais potncia de um motor aumentar a quantidade de ar e de combustvel para a queima. Uma forma de se fazer isso adicionando cilindros ou tornando maiores os cilindros existentes, mas, como essas alteraes nem sempre no so possveis, na maioria dos carros de passeio, por questes de inviabilidade econmica e maior consumo de combustvel, um turbocompressor pode ser uma forma mais simples e compacta de adicionar potncia, especialmente por ser um acessrio vendido em lojas ou oficinas de preparao de motores. (NICE, 2008)

Na elaborao deste trabalho, foram considerados dois modelos de turbocompressores automotivos: Garrett (Modelo: GT15) e Masterpower (Modelo: 802129), mostrados nas ilustraes 1 e 2 da pgina seguinte.

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Ilustrao 1: Turbocompressor Garrett GT15. (Fonte: Autor)

Ilustrao 2: Turbocompressor Masterpower 802129. (Fonte: Autor)

O presente trabalho foi motivado pelo Prof. Msc. Roberto Sacramento da disciplina Projetos Mecnicos I do Curso de Engenharia Mecnica da Universidade Federal da Bahia, com o objetivo de fomentar o pensamento crtico a respeito de um projeto mecnico sob o conceito da manutenibilidade.

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1.1 CONCEITOS

A partir de alguns conceitos que sero descritos a seguir, ser possvel facilitar a compreenso dos questionamentos e assuntos abordados neste trabalho.

Manutenibilidade: a relativa facilidade e economia de tempo e recursos com o qual um item pode ser mantido ou restaurado a uma condio especificada quando a manuteno realizada por pessoal com determinadas habilidades tcnicas, utilizando procedimentos prescritos e recursos, para cada nvel de reparo e manuteno. Neste contexto, a manutenibilidade uma funo do projeto. (UNITED STATES DEPARTMENT OF DEFENSE HANDBOOK, 1997). Pode ser conceituada como uma caracterstica de um equipamento ou instalao em permitir um maior grau de facilidade na execuo de servios de manuteno. (KARDEC e NASCIF, 2001)

Projeto: Conjunto de atividades que precede a execuo de um produto, sistema, processo ou servio. Segundo Bazzo e Pereira (2000), projetar estabelecer um conjunto de procedimentos e especificaes que, se postos em prtica, resultam em algo concreto ou um conjunto de informaes. De acordo com Shigley (2005), projeto consiste em formular um plano para a satisfao de uma necessidade especifica quanto em solucionar um problema. Se tal plano resultar na criao de algo tendo uma realidade fsica, ento o produto dever ser funcional, seguro, confivel, competitivo, utilizvel, manufaturvel e mercvel.

Confiabilidade: A medida estatstica da probabilidade de que uma determinada componente mecnica no falhar durante seu uso denominada confiabilidade desse elemento. (SHIGLEY, 2005) No mtodo de confiabilidade de projeto, a tarefa do projetista fazer uma seleo cuidadosa dos materiais, dos processos e da geometria (tamanho), visando a atingir uma meta de confiabilidade. De acordo com Kardec e

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Nascif (2002), a probabilidade de que um item possa desempenhar sua funo requerida, por um intervalo de tempo estabelecido, sob condies definidas de uso.

Defeito: Segundo Houaiss (2007), a falta de perfeio causando funcionamento irregular ou falho de qualquer mecanismo.

Engenharia Reversa: O termo Engenharia Reversa tem sua origem na anlise de hardware, pois comum a prtica de decifrar projetos de produtos finalizados com intuito de duplic-los. definido por Vitali (2008) como sendo o processo de descobrir os princpios tecnolgicos de um dispositivo/objeto ou de um sistema com a anlise de suas estruturas, funo e operao.

Manuteno: Segundo a Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT, 1994), manuteno definida como a combinao de todas as aes tcnicas e administrativas, incluindo as de superviso, destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma funo requerida. Kardec e Nascif (2001) definem manuteno como sendo uma garantia a disponibilidade da funo dos equipamentos e instalaes de modo a atender a um processo de produo e a preservao do meio ambiente, com confiabilidade, segurana e custo adequados.

Tipos de manuteno:

De modo geral, atualmente so praticados quatro tipos de manuteno. Essas procuram envolver: conservao, adequao, restaurao, substituio e preveno dos equipamentos de forma tcnica e suficiente para alcanar os objetivos da funo (BELMONTE e SCANDELARI, 2005).

Conforme Kardec e Nascif (2001), os quatro tipos de manuteno so:

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Manuteno corretiva: De acordo com a Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT, 1994), a manuteno efetuada aps a ocorrncia de uma pane, destinada a recolocar um item em condies de executar uma funo requerida. Como dita por Belmonte e Scandelari (2005), definida como sendo, a atuao para a correo da falha ou do desempenho menor do que o esperado. Esta pode ser subdividida em outras duas, so elas:

Manuteno corretiva no planejada: a correo da falha de maneira aleatria. Em Belmonte e Scandelari (2005) h uma complementao de Kardec e Nascif (2001), onde ele diz que a manuteno ocorre no fato j ocorrido ou no momento seguinte identificao do defeito. Implicam na paralisao do processo, perdas de produo, perdas de qualidade e elevao de custos indiretos de produo. A manuteno objetiva colocar o equipamento nas condies de voltar a exercer sua funo.

Manuteno corretiva planejada: a correo do desempenho menor do que o esperado ou da falha, por deciso gerencial. Em Belmonte e Scandelari (2005) h uma nfase em que a manuteno efetuada em um perodo programado, com interveno e acompanhamento do equipamento, desde que o defeito no implique necessariamente na ocorrncia de uma falha. Caso a deciso seja deixar o equipamento funcionando at quebrar, recomenda-se compartilhar com outros defeitos j relatados e tomar ao preventiva e naturalmente econmica. O planejamento fundamental e deve considerar fatores diversos para o no comprometimento do processo produtivo.

Manuteno preventiva: Na norma ABNT NBR 5462/94, a manuteno preventiva definida como sendo a manuteno efetuada em intervalos predeterminados, ou de acordo com critrios prescritos, destinada a reduzir a probabilidade de falha ou a degradao do funcionamento de um item. Segundo Belmonte e Scandelari (2005), manuteno preventiva a atuao realizada de forma a reduzir ou evitar a falha ou queda no

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desempenho, obedecendo a um plano previamente elaborado, baseado em intervalos definidos de tempo.

Belmonte e Scandelari (2005) subdividem a manuteno preventiva em:

Manuteno preventiva programada ou sistemtica: quando os servios de manuteno so efetuados de maneira peridica, atravs de intervalos pr-estabelecidos, dias de calendrios, ciclos de operaes, horas de operaes e outros desprezando as condies dos componentes envolvidos.

Manuteno preventiva de rotina: So as manutenes preventivas feitas com intervalos pr-determinados e de tempos reduzidos, com prioridades claramente definidas e curtas durao de execuo, na maioria das vezes apoiadas apenas nos sentidos humanos, sem causar a indisponibilidade da instalao ou equipamento. Geralmente so conhecidas como inspees e verificaes sistemticas apoiadas pelo uso de check list ou demais controles. Se houver bom treinamento, este tipo de preventiva poder ser realizado pela prpria equipe de produo a partir do uso do check list e programao desenvolvida pela prpria equipe de manuteno ou inspetores.

Manuteno preditiva: De acordo com a ABNT NBR 5462/94, a manuteno que permite garantir uma qualidade de servio desejada, com base na aplicao sistemtica de tcnicas de anlise, utilizando-se meios de superviso centralizados ou de amostragem, para reduzir ao mnimo a manuteno preventiva e diminuir a manuteno corretiva. Para Belmonte e Scandelari (2005), a atuao realizada com base em modificao de parmetro de condio ou desempenho, cujo acompanhamento obedece a uma sistemtica. Tambm em Belmonte e Scandelari (2005) a manuteno preditiva definida como aquela que indica as condies reais de funcionamento das mquinas com base em dados que informam o seu desgaste ou processo de degradao. Trata-se de uma importante ferramenta da manuteno, porm ainda pouco usada, pois visa

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acompanhar o equipamento ou as peas, atravs de monitoramento, por medies e por controle estatstico para predizer a ocorrncia de uma falha.

1.2 OBJETIVO

Este trabalho tem como principal objetivo analisar os projetos de turbocompressores, atravs do conceito da manutenibilidade. Atravs da engenharia reversa, propor melhorias para os projetos de turbocompressores automotivos e uma possvel reduo de custos de manuteno. "O estudo dos turbocompressores se justifica devido crescente demanda por este equipamento, largamente utilizado em motores de veculos utilitrios de mdio a grande porte, embarcaes e carros esportivos, sendo requerido para carros familiares e urbanos como alternativa a motores de maior cilindrada, sendo um soluo vivel para reduo de peso, consumo de combustvel e emisses de poluentes. O mercado crescente para os turbocompressores e veculos turboalimentados, demanda projetos mais eficientes de turbocompressores, tanto pelo aumento da eficincia nos motores, quanto pela manutenibilidade. (ANFAVEA, 2008)

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1.3 METODOLOGIA

Para o desenvolvimento do trabalho, primeiramente fizemos uma reviso bibliogrfica sobre o tema. Juntamente a essa primeira etapa foi elaborado pela equipe um questionrio de manutenibilidade que foi passado s assistncias tcnicas especializadas (ver em APNDICE B), a fim de se obter maiores informaes sobre: maiores causas de problemas em turbocompressores, nveis de criticidade dos problemas relacionados, custos de manuteno envolvidos, tempo mdio de manuteno, nmero de pessoas envolvidas no processo de manuteno e comparar dois turbocompressores de mesma capacidade e marcas diferentes, a fim de conhecer o melhor projeto em termos de manutenibilidade.

A partir das informaes obtidas nas assistncias tcnicas, foi dado incio a parte escrita do trabalho, envolvendo diversos aspectos, inclusive conceituao de termos. Aps isso, realizamos uma anlise do projeto dos turbocompressores e propomos melhorias para o mesmo, alm de realizar uma anlise dos custos envolvidos na manuteno.

2. CARACTERIZAO DO SISTEMA

2.1 Turbocompressor

Embora hoje muito se fale a respeito dos motores turboalimentados, eles no so produtos de uma tecnologia to recente quanto possa parecer. O processo de turboalimentao tem sua histria ligada aviao. Com uma presso maior do que a atmosfrica nos cilindros, compensava-se o problema da rarefao do ar em grandes altitudes. Paralelamente, o motor tambm aumentava sua potncia, o que depois se tornou um recurso a mais para os carros de corrida da dcada de 30. (MASTERPOWER, 2008)

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De acordo com a Garrett (2008), um turboalimentador um componente que torna o motor mais potente, sem aumentar seu tamanho e peso. A potncia do motor est limitada a quantidade de ar que ele pode aspirar. O turboalimentador fornece maior quantidade de ar ao motor, fazendo com que o combustvel seja queimado de maneira mais eficiente, com melhor aproveitamento e conseqente aumento de potncia.

A sua localizao no veculo pode ser observada atravs da ilustrao a seguir:

Ilustrao 3: Localizao do turbocompressor. (Fonte: HOWSTUFFWORKS)

Carros mais velhos, com carburadores, aumentam automaticamente a vazo de combustvel para se ajustar ao maior fluxo de ar que entra nos cilindros.

O carburador um aparelho ou dispositivo, que a partir de um combustvel lquido e do ar da atmosfera, prepara e fornece para todos os regimes de trabalho do motor, uma mistura de fcil queima. A funo principal de um carburador a de fornecer ao motor a mistura ar/combustvel finamente pulverizada em proporo exata, de modo que se possa obter a mais perfeita combusto possvel. (RENAULT CLUBE, 2008)

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Ilustrao 4: Carburador. (Fonte: PANDAPEDIA)

Carros modernos com injeo de combustvel tambm fazem isso at certo ponto. O sistema de injeo depende dos sensores de oxignio no escapamento para determinar se a relao ar-combustvel est correta, de forma que esses sistemas aumentaro a quantidade de fluxo de combustvel automaticamente se um turbo for adicionado. A injeo eletrnica um sistema de alimentao de combustvel e gerenciamento eletrnico de um motor de um automvel. Esse sistema permite um controle mais eficaz da mistura admitida pelo motor. (WIKIPEDIA, 2008)

Ilustrao 5: Injeo eletrnica. (Fonte: WIKIPEDIA)

De acordo com SANTOS, VERAS e CARVALHO (2002), se um turbocompressor com muita presso instalado num carro com injeo de combustvel, o sistema pode no fornecer combustvel suficiente. Dessa maneira, ou o software programado no controlador no permite que isso ocorra, ou a

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bomba e os injetores no so capazes de fornec-lo. Nesse caso, outras modificaes tero que ser feitas para se conseguir o mximo benefcio do turbocompressor.

A presso de superalimentao tpica fornecida por um turbocompressor

de 6 a 8 libras por polegada quadrada ( 2pollb ). Como a presso atmosfrica normal de aproximadamente 27,14 pollb ao nvel do mar, o turbo coloca 50%

mais ar no motor. Com isso, espera-se um ganho de 50% na potncia do motor, mas, por no haver eficincia na mesma proporo, normal atingir um ganho de 30% a 40%.

Uma causa da ineficincia vem do fato de que a potncia para girar a turbina no livre. Ter uma turbina no fluxo de escapamento aumenta a restrio de sada dos gases queimados. Isso significa que, no curso de escapamento, o motor tem que empurrar uma contrapresso. Isso faz diminuir um pouco a potncia. (HOWSTUFFWORKS, 2008)

Ilustrao 6: Como um turbocompressor instalado em um carro. (Fonte: GARRETT)

2.2 Energia para alimentar o turbocompressor

De toda energia gerada por um motor de combusto interna, apenas um tero aproveitado para movimento do girabrequim, outro tero se dissipa atravs do sistema de refrigerao e o tero restante se desperdia como gases de escape. (SANTOS; VERAS; CARVALHO, 2002)

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O turboalimentador aproveita-se da energia das fases de escape; o rotor da turbina reage presso e velocidade destes gases girando e, por estar unido a um eixo comum, faz girar o rotor do compressor, no outro extremo, mesma velocidade, comprimido assim o ar que entra no cilindro a uma presso de at 3 vezes a atmosfrica.

Ilustrao 7: Grfico da energia trmica total. (Fonte: GARRETT)

2.3 Componentes de um turbocompressor

O turbocompressor composto de um compressor de ar centrfugo, diretamente ligado a uma turbina centrpeta. O rotor do compressor e o rotor da turbina esto ligados por um eixo suportados por mancais flutuantes, alojados em uma carcaa central. O compressor centrfugo consiste de uma carcaa de alumnio e um rotor. A turbina centrpeta formada por uma carcaa de ferro fundido e pelo eixo rotor. A carcaa central incorpora o prato do compressor, protetor trmico, anis trava dos mancais, mancais radiais, mancal de encosto, colar centrfugo, anis de pisto e anel de vedao.

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Podemos identificar os componentes de um turbocompressor e list-los:

Ilustrao 8: Vista explodida de um turbocompressor. (Fonte: MASTERPOWER)

Legenda:

A Carcaa do compressor B Anel elstico do

compressor C Flange de fixao do

compressor D Parafuso da turbina E Rotor do compressor F Flange da carcaa da

turbina

G Anel de vedao de leo H Guia do eixo I Flange J Vedao do compressor L Anis de vedao de leo M Parafusos da carcaa central N Porca do rotor do compressor O Flange anti-chama P Anel de vedao de leo

Q Rotor da turbina R Mancal de Deslizamento S Arruela T Carcaa/Suporte central U Flange de fixao da

turbina V Carcaa da turbina

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Ainda sobre os componentes, podemos diferenci-los atravs dos tipos de elementos de mquinas:

Tabela 1: Elementos de mquinas encontrados nos turbocompressores (Fonte: Autor)

Tipo de elemento

Componente Fotos Letra

correspondente

Fixa

o

Parafusos, porcas e arruelas

D, M, N, S

Anis Elsticos

B

Suporte de fixao

C, U

Veda

o

Anis de vedao

L, P

Junta de vedao

J

Apo

io

Mancais de deslizamento

R

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Podem-se identificar atravs da ilustrao 9, seguinte, os principais componentes de um turbocompressor e suas respectivas descries:

Ilustrao 9: Corte de um turbocompressor. (Fonte: MASTERPOWER)

Legenda para o corte do turbocompressor:

1 - Carcaa compressora e rotor do compressor: O compressor de ar centrfugo tem a funo de aspirar o ar atmosfrico e comprimi-lo para o interior do cilindro, chegando a atingir at trs vezes a presso atmosfrica.

2 - Carcaa central: recebe leo lubrificante do prprio motor e serve de sustentao ao conjunto eixo da turbina e rotor do compressor que flutuam sob mancais radiais.

3 - Eixo e carcaa da turbina: a turbina centrpeta acionada pela energia trmica dos gases de escape e tem a funo de impulsionar o compressor centrfugo.

2.4 Funcionamento de um turbocompressor

De acordo com Nakano e Pimenta (2007), existem diferenas entre o funcionamento de um motor com turbocompressor adaptado e um naturalmente aspirado. Na admisso do motor aspirado o ar admitido pela

Legenda: 1 Carcaa compressora e

rotor do compressor 2 Carcaa central 3 Eixo e carcaa da

turbina

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depresso gerada pelo movimento descendente do pisto (no ciclo de admisso) enquanto no motor turboalimentado a presso positiva gerado pelo compressor responsvel pelo preenchimento da cmara de admisso com mistura ar-combustvel, como em (1) na ilustrao 10. Como existe uma presso positiva, o preenchimento da cmara de combusto mais completo, podendo haver at presses acima da atmosfrica no final do ciclo de admisso de um motor turboalimentado.

Podemos visualizar o funcionamento na ilustrao que se segue, onde so enumerados os componentes envolvidos para o funcionamento de um motor com turbocompressor.

Ilustrao 10: Funcionamento do motor com turbocompressor. (Fonte: GARRETT)

Do compressor o ar comprimido atravessa um intercooler em (3) na ilustrao 10, caso este exista, para diminuir a temperatura do ar admitido e

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melhorar a eficincia do sistema e ruma para o cabeote e posteriormente a cmara de combusto.

Na cmara de combusto, entre (4) e (5) na ilustrao 10, a ocorre uma queima mais limpa e homognea devido maior presso e turbulncia existente na cmara, em relao ao motor aspirado, gerando economia de combustvel e maior potncia. As solicitaes na cmara so superiores e existe uma PCP (pico de presso na cmara) maior, gerando menor durabilidade. possvel notar que Bell (1997) cita que em um motor com turbocompressor adaptado com o dobro de potncia do motor original o pico de presso na cmara 30% maior que o PCP do motor aspirado, e no o dobro como se supe inicialmente. Porm devido maior quantidade de mistura o trabalho til de expanso dos gases maior e mais prolongado utilizando o ngulo de virabrequim como referencial, proporcionando o dobro da potncia com apenas 30% a mais de PCP.

Com a mistura queimada aps o ciclo de combusto, os gases passam pela vlvula de escape em (5) na ilustrao 10, onde podem atingir at 1200C. Assim devem-se evitar longos perodos com carga plena em motores com turbocompressor adaptado, sob pena de fadigar termicamente este componente.

Aps sair do cabeote a mistura entra na turbina, em (6) na ilustrao 10, a temperaturas de at 1000C, liberando entalpia que se transformar em energia mecnica e alimentar o compressor. Aps a turbina, em (7) na Ilustrao 06 os gases queimados so liberados atmosfera.

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Ilustrao 11: Funcionamento em corte de um turbocompressor. (Fonte: GARRET)

2.5 Comparao entre diferentes mtodos para aumento de potncia

Uma comparao definida por Nakano e Pimenta (2007) pode ser vista abaixo:

Aspirao Natural: Aumentos de potncia da ordem desejada mantendo a aspirao natural so difceis para motores j prontos, pois necessitariam de grandes aumentos no deslocamento volumtrico do motor e nas rotaes (mantendo o torque constante), o que acaba tendo alto custo e afetando a disponibilidade de torque, j que compromete a linearidade da curva de torque do motor.

Ilustrao 12: Aspirao natural em veculo. (Fonte: Autor)

Aspirao natural sem sobrealimentao de ar.

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Sobrealimentao por compressor mecnico: A utilizao de um compressor mecnico consegue atingir as metas de aumento de potncia, mas por utilizar a potncia disponvel no virabrequim, aumenta muito o consumo de combustvel. Os compressores mecnicos so menos eficientes que os turbocompressores, gerando maiores perdas. Porm a resposta do compressor mecnico instantnea, eliminando o lag existente no uso do turbocompressor.

Ilustrao 13: Compressor mecnico acionado por polia. (Fonte: Jackson Racing)

Sobrealimentao por turbocompressor: O turbocompressor depende do fluxo de gases no coletor de escape para funcionar, e as partes mveis do turbocompressor tm uma inrcia no desprezvel, o que significa que nem sempre ser possvel comprimir o ar admitido pelo motor, gerando respostas instantneas de entrega de potncia. Este o principal vis utilizao do turbocompressor e pode ser atenuada pela correta escolha do turbocompressor para cada motor e desejo de dirigibilidade do motorista. O turbocompressor tem a vantagem de utilizar uma energia que seria desperdiada, a energia dos gases de escapamento, para comprimir o ar admitido pelo motor, sendo assim a opo mais com menor consumo de combustvel dentre as trs. Com a adaptao do turbocompressor o motor mantm-se original, assim como no compressor mecnico, facilitando a manuteno. No Brasil a soluo que tem maior disponibilidade no mercado para a faixa de aumento de potncia especificada. Por estes motivos, escolheu-se o turbocompressor frente aos dois outros.

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Ilustrao 14: Turbocompressor aplicado ao veculo. (Fonte: AutoDynamics)

Ilustrao 15: Desenhos tcnicos de Turbocompressor (Fonte: GARRET)

Turbocompressor

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3. Processo de manuteno

O processo de manuteno do sistema de turbocompressor automotivo tem alta relevncia, uma vez que este trabalho tem como foco a avaliao da manutenibilidade. Com base nisso, foram descritas as etapas de manuteno, alm de serem citados e comentados os principais problemas nos sistema em estudo.

3.1 Etapas de manuteno

Um exemplo de cronograma das etapas bsicas de manuteno, a fim de se obter resultados mais satisfatrios tendo como base um padro pr-estabelecido, pode ser visto a seguir, e de suma importncia no s no processo de manuteno do sistema de turbocompressores, mas como tambm em quaisquer outros casos de manuteno, como vemos:

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A) Etapa de diagnstico: Aps o veculo apresentar alguma perda de potncia, rudo estranho, ou quaisquer outros problemas na sua operao usual, o motorista costuma levar o veculo assistncia tcnica ao verificar este possvel defeito. Esta etapa consiste basicamente na identificao do problema atravs das informaes levadas pelo motorista em conjunto com a anlise tcnica especializada, e ento dado incio s propostas de conserto.

B) Etapa de oramento e autorizao: Aps o problema ser diagnosticado, a assistncia tcnica realiza um oramento do custo total de manuteno envolvido para o determinado problema, onde so levados em considerao custos como mo-de-obra e peas a serem substitudas. Sendo assim, o cliente, no caso o motorista do veculo, autoriza ou no o servio.

C) Etapa de desmontagem: Nessa etapa, o sistema desmontado por um tcnico especializado com o objetivo de confirmar o diagnstico previamente realizado na primeira etapa.

D) Etapa de aquisio de peas e materiais: Quando no for possvel a recuperao, as peas a serem substitudas devem ser adquiridas para a realizao do servio. Geralmente necessrio fazer o pedido da pea com o fornecedor do equipamento, mas possvel que a prpria assistncia tenha a pea em estoque. Se isto ocorrer, economiza-se tempo nesta etapa.

E) Etapa de interveno: Ocorre a realizao da manuteno propriamente dita, ou recuperao do sistema, caso seja possvel. Normalmente o defeito do sistema j foi identificado na etapa de diagnstico e confirmado na desmontagem e s ficou restando a manuteno do mesmo, que realizada na prpria assistncia tcnica, seja ela a troca ou a recuperao de algum componente.

F) Etapa de montagem: Aps o provvel defeito ter sido sanado, o conjunto do turbocompressor ento montado novamente para que seja dado incio prxima etapa.

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G) Etapa de testes e entrega: Nesta ltima etapa, onde so realizados os testes com os turbocompressores com o objetivo de verificar que a manuteno foi realizada de forma correta e com isso, caso o problema diagnosticado e trabalhado tenha sido resolvido, o turbocompressor entregue ao cliente e remontado no veculo.

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3.2 Descrio dos defeitos Um diagnstico de manuteno foi elaborado pela Masterpower (2008),

e destacamos alguns dos itens mais importantes que foram analisados, so eles:

Ilustrao 16: Diagnstico de manuteno (Fonte: MASTERPOWER)

Legenda para a ilustrao acima:

A - Rotor do compressor totalmente danificado por ingesto de objeto estranho na carcaa compressora. B - Lubrificante contaminado. C - Falha no sistema de lubrificao. D - Palheta do rotor do compressor danificada por ingesto de objeto estranho na carcaa compressora. E - Depsito de impurezas nos canais de lubrificao do mancal de encosto. F - Palheta do rotor da turbina danificada por ingesto de objeto estranho na carcaa da

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turbina. G - Carcaa da turbina azulada, com trincas internas e na base, causada pelo superaquecimento. H - Mancal de encosto e colar azulados por falha no sistema de lubrificao. I - Mancais riscados devido presena de impurezas no leo lubrificante (contaminado). J - Lubrificante carbonizado, excesso de temperatura ou m qualidade do leo.

3.3 Principais problemas encontrados Em turbocompressores so encontrados diversos problemas que foram

comentados nas assistncias tcnicas, principalmente relacionados falta de lubrificao e superaquecimento das palhetas, provocando uma srie de defeitos conseqentes.

Os problemas mais srios em turbocompressores sero listados a seguir:

Falta ou deficincia de lubrificao

Ilustrao 17: Efeitos da falta de lubrificao. (Fonte: Autor)

Contaminao do sistema de lubrificao

Objeto estranho no sistema de exausto ou na entrada de ar

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Ilustrao 18: Efeitos de objeto estranho. (Fonte: Autor)

Material e construo (possveis falhas de fabricao ou projeto)

Motor jogando compresso (anis do pisto esto gastos, dando passagem de leo pelo retorno da turbina).

Obstruo da entrada de leo (mangote de leo danificado) e retorno do leo obstrudo.

3.4 Problemas de maior criticidade

O problema mais crtico apontado pelas assistncias tcnicas a falta ou deficincia de lubrificao, alm de ser listada como o problema de maior custo e maior freqncia de ocorrncia, resultando em problemas graves de quebra do turbocompressor, tais como:

Desgaste do eixo

Desbalanceamento do eixo do turbocompressor

Superaquecimento e usinagem do eixo at a quebra

Desgaste das palhetas

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Ilustrao 19: Eixo normal x Eixo superaquecido. (Fonte: Autor)

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4. Avaliao da manutenibilidade

4.1 Custos de manuteno

Em relao aos custos de manuteno, alguns dos principais itens foram analisados e tiveram seus preos pesquisados, e suas aes preventivas foram analisadas pela Masterpower (2008) e esto listadas as mais crticas, so elas:

Ilustrao 20: Aes preventivas em turbocompressores (Fonte: MASTERPOWER)

Tambm de acordo com a Masterpower (2008), podem-se identificar algumas das reposies de componentes de turbocompressores com maior freqncia de defeitos, so eles:

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Ilustrao 21: Reposies de componentes em turbocompressores. (Fonte: MASTERPOWER)

Foram levantados alguns custos relacionados manuteno de turbocompressores nas prprias assistncias tcnicas, entre elas destacam-se:

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Recuperao do turbocompressor: R$ 400,00

Aquisio de um turbocompressor novo (motores ciclo Diesel): entre R$ 3.000,00 a R$ 3.500,00

Aquisio de um turbocompressor novo (motores ciclo Otto): entre R$ 1.500,00 a R$ 3.500,00

Mangueira de lubrificao de leo da turbina (carros esportivos): R$ 42,00

Ilustrao 22: Mangueira de lubrificao. (Fonte: Ancona)

Filtro de ar (elemento de papel): R$15,00 a $50,00

Filtro de ar esportivo: R$ 40,00 a R$ 150,00

Ilustrao 23: Filtro de ar esportivo. (Fonte: Ancona)

Os custos dos componentes acima listados foram tomados com base na mdia de preo que as assistncias tcnicas forneceram para a realizao deste trabalho.

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4.2 Tempo necessrio para manuteno

O tempo mdio necessrio para a manuteno de um turbocompressor foi levantado nas prprias assistncias tcnicas durante o perodo de visita, onde foi avaliada a mdia do tempo para reparo, sendo que:

Para a recuperao da turbina do turbocompressor gastam-se em mdia 3 horas.

So necessrios 3 profissionais para realizar a manuteno: 1 montador, 1 lavador e 1 retificador.

Troca do filtro de ar: 1 profissional, 10 minutos

Troca ou reparo da mangueira de lubrificao da turbina: 1 profissional, 40 minutos.

4.3 Anlise de falhas

Tabela 1: Anlise de falhas em turbocompressores (Fonte: GARRET)

Atravs desta anlise de falhas em turbocompressores, podemos observas as principais falhas relacionadas aos turbocompressores automotivos, alm das suas causas mais freqentes e suas aes corretivas.

4.4 Avaliao dos indicadores de manutenibilidade Indicadores Peso Freqncia 20

Complexidade 10 Acessibilidade 10

Facilidade do diagnstico 10 Disponibilidade de peas 05 Durabilidade das peas 10 Custo de manuteno 15 Tempo de manuteno 15 Contedo do manual 05

TOTAL 100

Os indicadores primrios so:

A) Tempo e custo de manuteno Tempo e custo so indicadores primrios que englobam todos os outros

indicadores, visto que ndices secundrios como complexidade, acessibilidade e etc. esto ruins, implicam em um maior tempo gasto na manuteno, o que por sua vez acarreta num maior custo para o consumidor. O peso atribudo foi 0,15.

Os indicadores secundrios so:

B) Freqncia considerado um indicador de grande importncia, pois implica no

intervalo de tempo em que ocorre a falha. Quanto mais freqente a falha, indica

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de forma mais evidente um erro de projeto ou uma falha no processo de manuteno. Foi atribudo o peso 0,20, devido sua importncia.

C) Complexidade Este indicador corresponde complexidade de manuteno e do

ferramental utilizado. Quanto mais simples a manuteno e o ferramental necessrio, maior a nota do indicador. Foi atribudo peso 0,10.

D) Acessibilidade um item considerado importante por interferir na cadeia da

manuteno, desde o diagnstico at a execuo e montagem do sistema. Sistemas de difcil acesso implicam em maior tempo e custo de manuteno. Foi dado a este item peso 0,10.

E) Facilidade de diagnstico Este indicador est diretamente ligado acessibilidade, complexidade,

tempo e custo da manuteno, pois quanto mais rpido e fcil o diagnstico da falha, menores sero o tempo e o custo da manuteno e maior ser a nota do indicador. O peso deste item 0,10.

F) Disponibilidade das peas Este indicador est relacionado facilidade de se encontrar a peas de

reposio necessrias. Quanto maior a disponibilidade, maior o indicador. O peso deste item 0,05.

G) Durabilidade das peas um indicador importante relacionado com a freqncia da falha e vida

til, quanto maior a durabilidade das peas implica no maior cuidado do projeto e da fabricao e numa menor freqncia de falhas. O peso atribudo a este item 0,10.

H) Contedo do manual Este indicador est relacionado com a capacidade de instruo do

manual em facilitar o processo de operao e manuteno do equipamento,

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aumentando a vida til e evitando erros na manuteno. Quanto melhor o contedo do manual, maior a nota do indicador. O peso 0,05.

4.5 Anlise do defeito mais crtico Critrio adotado para a definio das notas:

Nota Conceitos 0,0 a 3,0 Insuficiente 4,0 a 5,0 Regular 6,0 a 8,0 Bom

9,0 a 10,0 timo

O defeito mais crtico e comum encontrado em ambas as marcas de turbocompressores e bastante citado nas assistncias tcnicas o desgaste do eixo das palhetas. Este foi o defeito escolhido para ser avaliado neste trabalho, onde foram inicialmente atribudos pesos dos critrios escolhidos e ento foram dadas notas para as duas marcas de turbocompressores para que ento fosse realizada a comparao final e os comentrios em cima dos resultados.

Indicadores Peso Modelos

Masterpower 802129

Garrett GT15

Freqncia 0,20 9 7 Complexidade 0,10 8 8 Acessibilidade 0,10 8 8

Facilidade do diagnstico 0,10 9,5 8 Disponibilidade de peas 0,05 9 6 Durabilidade das peas 0,10 9 6 Custo de manuteno 0,15 8 6 Tempo de manuteno 0,15 8 7 Contedo do manual 0,05 9 7,5

Nota final 1,0 8,55 7,025

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Atravs das notas obtidas pelas duas marcas de turbocompressores, podemos inferir que o modelo 802129 da Masterpower obteve melhor resultado final quando comparado com o modelo GT15 da Garret. A variao das notas ocorreu entre 6 a 9,5 que demonstra que o sistema de turbocompressores automotivos apresenta uma boa manutenibilidade.

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4.6 Solues existentes e propostas de melhorias

A) Turbocompressores roletados: Este tipo de turbocompressor tem no lugar dos mancais de deslizamento, mancais de rolamento, que reduzem o torque necessrio para girar os rotores e o calor gerado pelo atrito do eixo com os mancais.

"Nos mancais de deslizamento, o leo fornecido atravs das buchas e forma uma lmina entre o eixo do turbocompressor e as buchas. Desta forma, o eixo depende de um constante fornecimento de leo novo e limpo sobre uma larga rea de contato para manter o afastamento adequado do mancal." (APS ENGINEERING, 2008) Esta caracterstica torna este tipo de mancal mais susceptvel falha devido deficincia na lubrificao ou sujeira no leo lubrificante.

Ilustrao 244: Mancal de rolamento de esferas em eixo de turbocompressor (Fonte: APS Engineering)

Como se pode ver na figura acima, o eixo do turbocompressor suportado por dois rolamentos de esferas de fileira nica. Estes tambm so lubrificados pelo leo do motor, mas no mais dependem de uma fina camada de leo sobre uma larga rea para suportar o eixo.

No entanto ainda no uma soluo definitiva, pois com as altas rotaes do eixo e calor transmitido para o eixo atravs das paletas da turbina os rolamentos metlicos sofrem dilataes trmicas, reduzindo sua vida til vindo at a travar.

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B) Turbocompressores roletados cermicos: Assim como os turbocompressores roletados, utilizam mancais de rolamento, feitos de material cermico, mais apropriados para resistir a altas temperaturas com dilatao trmica tolervel para o bom funcionamento do conjunto rotativo.

Ilustrao 255: Torque devido ao atrito nos diferentes tipos de mancais dos turbocompressor (Fonte: APS Engineering)

O grfico acima mostra o torque devido ao atrito vs. a velocidade do turbocompressor para os mancais de deslizamento comuns e para os modernos turbocompressores com mancais de rolamento. So claramente evidentes os benefcios dos turbocompressores com mancais de rolamento de esferas especialmente na faixa abaixo de 60,000 RPM aonde as perdas devido ao atrito so reduzidas em 40% a 50%. Isto se traduz diretamente em uma resposta mais rpida do turbocompressor quando solicitado.

C) Turbocompressores arrefecidos a gua: Segundo a APS Engineering (2008), desde o incio da utilizao de turbocompressores em automveis, o leo do motor tem a funo de promover a lubrificao e o arrefecimento do equipamento. Em aplicaes que exigem uma melhor performance do sistema, a confiabilidade e durabilidade se tornaram prejudicada devido s falhas ocorridas nos eixos e mancais devido s altas temperaturas s quais a turbina e os mancais esto sujeitos.

Criando cmaras de passagens de gua ao redor do turbocompressor, o lquido de arrefecimento do motor utilizado para diminuir significativamente as

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temperaturas nos mancais. Desta forma, possvel eliminar os problemas de superaquecimento do leo (criao de borra) e do eixo do turbocompressor, problemas recorrentes em turbocompressores comuns.

Ilustrao 266: Variao de temperatura nos mancais do turbo compressor aps o desligamento do motor (Fonte: APS Engineering)

O grfico acima mostra o aumento de temperatura que os mancais sofrem desde o momento do desligamento do motor at 20 minutos depois disto. A temperatura mostrada tambm com relao temperatura de 'cozimento' (superaquecimento) do leo mineral de alta qualidade.

possvel perceber que turbocompressores no arrefecidos a gua operam acima da temperatura de superaquecimento do leo quando esto sujeitos a grandes solicitaes e sofrem brusco aumento de temperatura devido parada de fluxo de ar no sistema ocasionada pelo desligamento do motor. Os turbocompressores arrefecidos a gua por sua vez, permanecem abaixo da temperatura de superaquecimento do leo, para toda a faixa de tempo aps o desligamento do motor, impedindo a formao de resduos slidos e borras de leo nos mancais de apoio do eixo do turbocompressor.

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7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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50

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WIKIPEDIA, A Enciclopdia Livre. Injeo Eletrnica. Disponvel em: < http://pt.wikipedia.org/wiki/Injeco_electrnica >. Acesso em: 12 de Outubro de 2008.

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APNDICE A

Lista de contato das oficinas visitadas para a realizao deste trabalho:

ETMAN Turbos Comrcio e Servios Ltda. Endereo: Rua Fernandes Vieira, n. 94 Mares, CEP: 40.410-560 Tel.: (71) 3312-2053 / Fax: (71) 3312-0237 Contato: Almir Lopes

Brs Turbinas Endereo: Rua Fernandes Vieira, n. 96 Mares, CEP: 40.410-560 Tel.: (71) 3316-3393 / (71) 9963-6198 Contato: Elosio

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APNDICE B

Questionrio de manutenibilidade que foi aplicado s assistncias tcnicas de turbocompressores, a fim de se obter mais informaes a respeito da manutenibilidade e manuteno dos turbocompressores:

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA ENG 312 PROJETOS MECNICOS I

PROF.: ROBERTO SACRAMENTO

QUESTIONRIO DE MANUTENIBILIDADE

Alunos: David Queiroz Luz - 200520213 Felipe Andrade Torres - 200320136

Joo Paulo Leite dos Santos - 200120132

Objetivo: Este questionrio apenas carter informativo quanto ao que se refere manuteno em geral de atuadores para cadeiras odontolgicas com base na manutenibilidade.

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Este questionrio foi solicitado pelo professor a fim de obtermos mais informaes sobre as questes de manutenibilidade que envolvem nosso projeto.

Dados da empresa:

Nome:

Contato:

Questionrio:

Qual o tipo de manuteno que esta empresa aplica?

( ) Preventiva ( ) Preditiva ( ) Corretiva Planejada ( ) Corretiva No-Planejada

Quais so as maiores causas de problemas em cadeiras odontolgicas? _______________________________________________________________

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_______________________________________________________________

Quais os nveis de criticidade desses problemas? _______________________________________________________________

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Quais so os encargos financeiros relacionados a esses problemas? _______________________________________________________________

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_______________________________________________________________

Quanto tempo em mdia se leva para realizar a manuteno desses problemas? _______________________________________________________________

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_______________________________________________________________

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Quantos homem/hora trabalhada envolvem essas manutenes? _______________________________________________________________

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Qual a freqncia de defeitos relacionados a esses problemas? _______________________________________________________________

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