Novo projeto de uma máquina para ensaio de fadiga de contato de rolamento: ensaios de validação e determinação da temperatura do lubrificante

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1 VI Encontro de Iniciação Científica Laboratório de Fenômenos de Superfície de abril de 2005, Novo projeto de uma máquina para ensaio de fadiga de contato de rolamento: ensaios de validação e determinação da temperatura do lubrificante F. C. Silva 1, J. C. K. Neves 1, C. E. R. Santos 2, A. Sinatora 1 1 Laboratório de Fenômenos de Superfície, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo 2 Aços Villares-Sidenor fcarneirosilva@yahoo.com.br; jkneves@cefetpr.br; cesantos@villares.com.br; sinatora@usp.br Resumo O equipamento para ensaio de fadiga de contato de rolamento do Laboratório de Fenômenos de Superfície (LFS) sofreu modificações em seu projeto inicial e uma nova máquina foi construída. Como decorrência disso foi necessária a realização de ensaios preliminares para verificar se o novo equipamento seria capaz de reproduzir mecanismos de falha por fadiga de contato de rolamento. Além disso, foram realizados testes com a finalidade de determinar a temperatura de estabilização do óleo na câmara de ensaio e em quanto tempo ocorre esta estabilização. Os ensaios visando verificar a reprodução de mecanismos de falha foram realizados com um óleo SAE 90, com freqüência de carregamento sobre a amostra de 46 Hz e pressão média de contato de 3,2 GPa. A geometria do contato é do tipo esfera sobre plano e os corpos-de-prova utilizados na máquina têm forma de arruelas, com 28 mm de diâmetro interno, 52 mm de diâmetro externo e aproximadamente 6 mm de espessura. Esses corpos-de-prova foram fabricados em aço ferramenta para trabalho a quente, série H. Nos ensaios de determinação da temperatura do óleo foram utilizados dois lubrificantes de viscosidades diferentes, com e sem o uso do sistema de refrigeração. Como resultados pôde-se verificar que o ensaio na nova máquina é capaz de reproduzir danos típicos de fadiga de contato de rolamento. Em relação à temperatura do lubrificante determinaram-se as temperaturas de estabilização, seus respectivos tempos e por fim, determinada a condição de ensaio mais adequada. Palavras-chave: fadiga de contato, temperatura do lubrificante Resumen El equipo para ensayos de fatiga de contacto de rodadura del Laboratorio de Fenómenos de Superficie (LFS) pasó por modificaciones en su diseño inicial y una nueva máquina fue construida. Como consecuencia fue necesaria la realización de ensayos preliminares para verificar si el nuevo equipo sería capaz de reproducir mecanismos de daños por fatiga de contacto de rodadura. Además fueron realizados testes a fin de determinar la temperatura de estabilización del aceite en la cámara de ensayo y en cuanto tiempo ocurre esta estabilización. Los testes a fin de verificar la reproducción de los mecanismos de falla fueron realizados con un aceite SAE 90, con frecuencia de carga de 46 Hz y presión media de contacto de 3,2 GPa. La geometría de contacto es del tipo esfera sobre plano y las probetas utilizadas en la máquina son arandelas con diámetro interno de 28 mm, diámetro externo de 52 mm y espesor aproximada de 6 mm. Estas probetas fueron producidas con acero de la serie H. En los ensayos de temperatura del aceite fueron utilizados dos lubricantes de distintas viscosidades, con y sin sistema de refrigeración. Como resultados fue posible verificar que los testes en la nueva maquina son capaces de reproducir daños típicos de fatiga de contacto de rodadura. Con respecto a la temperatura del lubricante, fueron determinadas las temperaturas de estabilización, sus tiempos y con eso, elegida la condición de teste más adecuada. Palabras clave: fatiga de contacto, temperatura del lubricante 1 Introdução O estudo da fadiga de contato constitui-se em uma das linhas de pesquisa desenvolvidas no LFS nos últimos anos (Medeiros, 2002; Neves et al., 2003; Neves e Sinatora, 2004). A preocupação com este fenômeno deve-se ao fato deste representar um importante modo de falha em elementos mecânicos como engrenagens e rolamentos. Devido a isso, construiu-se em 2001 no LFS uma máquina de

2 50 Silva et al. Novo projeto de uma máquina para ensaio de fadiga fadiga de contato de rolamento do tipo esfera sobre plano. Como os resultados dos ensaios realizados nessa máquina não representavam de fato a falha por fadiga de contato, foi elaborado um projeto para construção de uma nova máquina. Posteriormente à construção da nova máquina realizaram-se ensaios preliminares para verificar se o novo equipamento seria capaz de reproduzir mecanismos de falha por fadiga de contato de rolamento. Após a validação dos ensaios determinou-se a temperatura de estabilização de dois lubrificantes com viscosidades diferentes, ensaiados com e sem o sistema de refrigeração. A importância dessa investigação reside na necessidade de se saber quanto do tempo total de ensaio é gasto na estabilização térmica do lubrificante e, portanto, por quanto tempo a viscosidade do mesmo está variando. Além disso, a viscosidade do lubrificante no regime permanente dependerá da temperatura final de estabilização. 2 Materiais e métodos 2.1 Alteração do projeto do equipamento As principais alterações na concepção do novo projeto foram: Modificação no acoplamento dos conjuntos inferior e superior, tornando mais fácil a introdução de óleo na câmara de ensaio; Modificação do sistema de refrigeração a fim de eliminar a possibilidade de entrada de água na câmara de ensaio; Introdução de aberturas no conjunto superior para a passagem de sensores; Abaixamento do nível de disposição das massas; Modificação do rolamento axial de assento plano (52206) para o axial de assento esférico e com contra-placas esféricas (54206U), a fim de eliminar efeitos de desalinhamento entre o assento do corpo-de-prova e o eixo da máquina.

3 VI Encontro de Iniciação Científica do LFS, de abril de 2005, Figura 1: Desenho esquemático da primeira versão Figura 2: versão Desenho esquemático da segunda 2.2 Ensaios para verificação de funcionamento Os ensaios preliminares realizados tiveram como corpos-de-prova um aço para trabalho a quente, série H, de dureza média 47 HRc, que foram torneados, tratados termicamente, retificados, lixados e preparados metalograficamente até o pano de diamante de 1 micrometro. O óleo utilizado para os ensaios preliminares foi o SAE90. A carga utilizada no ensaio foi de 2100 N. Como o ensaio foi realizado com três esferas, sobre cada uma delas é aplicada uma carga de 700 N. Considerando que diâmetro das esferas é de 7,94 mm o raio de contato foi calculado, utilizando-se as equações 1 e 2, e chegou-se ao valor de 0,264 mm e a uma P med de Hertz para cada esfera de 3,2 GPa. 1 E = (1 υ2 1 ) + (1 υ2 2 ) (1) E 1 E 2 onde: υ: é o coeficiente de Poisson E 1 : é o módulo de elasticidade do material 1 E 2 : é o módulo de elasticidade do material 2 w: é a carga r: o raio da esfera E : o módulo de elasticidade combinado a = ( ) 3wr 1/3 4E (2)

4 52 Silva et al. Novo projeto de uma máquina para ensaio de fadiga Realizou-se um total de quatro ensaios para determinação da temperatura de estabilização dos lubrificantes SAE32 e SAE90 com e sem o sistema de refrigeração. Para isso, utilizou-se um termômetro digital Minipa modelo MV Resultados 3.1 Reprodução de mecanismos de fadiga de contato Comparou-se a superfície do corpo-de-prova de mesmo material (aço da série H13) na primeira versão da máquina (figura 3) com a segunda versão (figuras 4 e 5) e observa-se uma grande diferença no dano causado na superfície, pois enquanto que na primeira versão ocorria deslizamento, evidenciado pela presença de riscos, na segunda versão ocorre fadiga de contato, o que é comprovado através do lascamento na superfície da amostra. O lascamento apresentado nas figuras 4 e 5 ocorreu após um número total de ciclos, ou aproximadamente, 7 horas de ensaio. Figura 3: rolamento riscada Imagem de MO com a trilha de Figura 4: Imagem de MO mostrando lascamento na trilha de rolamento Figura 5: Imagem de MEV mostrando lascamento na trilha de rolamento Figura 6: Imagem de MEV mostrando trinca sub-superficial próxima a zona lascada. Corte transversal longitudinal

5 VI Encontro de Iniciação Científica do LFS, de abril de 2005, Determinação da temperatura do lubrificante Determinou-se a temperatura de estabilização dos dois tipos de lubrificantes com e sem refrigeração e obtiveram-se os gráficos das figuras 7 e 8. De um modo geral estas curvas mostram que após um certo tempo de ensaio a temperatura do lubrificante se estabiliza e, como seria esperado, o patamar de estabilização é mais alto na condição sem refrigeração e para o óleo de maior viscosidade. No ensaio do óleo SAE 32, na condição com refrigeração, o tempo de estabilização da temperatura foi próximo de 450 minutos, enquanto em todos os outros ensaios esta estabilização ocorreu em um período de 200 a 250 minutos. Figura 7: Curva T x t para o SAE 90 Figura 8: Curva T x t para o SAE 32 4 Conclusões Em relação à nova versão da máquina de fadiga de contato pode-concluir que: - Reproduz o mecanismo de lascamento superficial e de trincamento sub-superficial, típicos de fadiga de contato. - Pode ser usada para testar a resistência à fadiga de contato de outros materiais Quanto à temperatura do lubrificante pode-se concluir que: - As curvas obtidas através das diferentes condições de ensaio mostraram que o melhor conjunto de condições é o do óleo SAE 90 com refrigeração, pois além desta condição pertencer ao grupo de resultados de menor tempo de estabilização, a temperatura de patamar é próxima de 40 C, a qual serve de referência para a determinação da classe de viscosidade de um lubrificante específico. 5 Agradecimentos Os autores agradecem a BRASIMET pelos tratamentos térmicos, a INA pela doação das esferas e a NSK pela doação do rolamento

6 54 Silva et al. Novo projeto de uma máquina para ensaio de fadiga 6 Referências bibliográficas Hutchings, I. M. (1992). Tribology. Friction and Wear of Engineering Materials. London : Edward Arnold. Leite, M. V., J. T. Santos, J. A. Cerri e G. Pintaude (n.d.). Influence of temperatute on the rheological properties of ISO lubricants. Medeiros, J.T.N. (2002). Fadiga de contato de discos metálicos não-conformes submetidos a ensaios a seco de rolamento cíclico. (tese de doutorado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - USP. São Paulo. p Neves, J.C.K. e A. Sinatora (2004). Caracterização do dano superficial causado em um aço 1045 pelo movimento de rolamento esfera contra plano nas condições com e sem lubrificação. In: Anais do 59 o Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. ABM : Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. São Paulo. Neves, J.C.K., F. F. Barruffini e A. Sinatora (2003). Desenvolvimento de uma máquina destinada ao estudo da fadiga de contato no sistema esfera contra plano. In: Anais do 58 o Congresso Anual da Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. ABM : Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. São Paulo. pp