2017 PM Aula07 Mancais de Deslizamento

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Aula 7 – Mancais de deslizamento 
Curso: Engenharia Mecânica 
Série: 9º/ 10º Semestre 
PROJETOS MECÂNICOS 
Aula 7 – Mancais de deslizamento 
e lubrificação 
Segunda 19:00 às 20:40 
 
25/09/2017 
Aula 7 – Mancais de deslizamento 
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Mancais de deslizamento e lubrificação 
1) Definição 
O nome mancal, refere-se às superfícies em contato nas máquinas sobre as quais 
uma carga é transferida. Quando ocorre movimento relativo é importante que 
seja diminuído o atrito e o desgaste. Qualquer substância entre estas superfícies 
que diminua o atrito e o desgaste é chamado de lubrificante. 
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Os lubrificantes podem ser fluidos ou sólidos. 
Os fluidos são geralmente derivados do petróleo e são classificados quanto à sua 
viscosidade e tipo de aditivação. 
 
Os sólidos são geralmente de dois tipos: 
- materiais que exibem tensões de cisalhamento baixas, como o grafite e 
dissulfeto de molibdênio; 
- camadas como fosfatos, oxidos ou sulfetos que são produzidas nas superfícies 
dos materiais. 
 
Os óleos são praticamente incompressíveis, considerando-se a ordem de grandeza 
das pressões em mancais, mas cisalham imediatamente, o que favorece a redução 
do coeficiente de atrito entre as superfícies. 
 
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Os óleos são caracterizados pela sua viscosidade, mas existem outras 
propriedades que também são importantes. 
 
Através da aditivação, várias características podem ser melhoradas, como: 
Ponto de início de escoamento (rebaixadores do ponto de fluidez); 
Variação da viscosidade com a temperatura (melhoradores de Índice de 
viscosidade); 
Geração de espuma (aditivos redutores de espuma); 
Oxidação em altas temperaturas (aditivos redutores de oxidação); 
Corrosão das superfícies metálicas (aditivos inibidores de corrosão); 
Formação de depósitos do motor (aditivos detergentes e dispersantes); 
Falta de filme de lubrificação (aditivos redutores de desgaste). 
 
As graxas são lubrificantes que foram tornados espessos para que tivessem 
propriedades que o liquidos não têm. São usadas quando a lubrificação constante 
é difícil ou cara. Muitas vezes servem como barreira para impedir que 
contaminantes prejudiciais entrem em contato com as superfícies internas dos 
rolamentos. 
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A lubrificação é geralmente classificada de acordo 
com o grau com o qual o lubrificante separa as 
superfícies em contato. Deste modo, três tipos são 
destacadas: 
 
a - Contorno ou fronteira (f = 0,05 e 0,2); 
 
 
 
b - Misto com contato intermitente (f = 0,004 e 0,1); 
 
 
 
 
f = coeficiente de atrito 
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1) Tipos de lubrificação de mancais 
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c - Hidrodinâmica (f = 0,002 a 0,01). 
 
Esta é a melhor condição de lubrificação nos mancais de deslizamento e estes 
são dimensionados para o funcionamento nestas condições. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
f = coeficiente de atrito 
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1) Tipos de lubrificação de mancais 
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2) Suprimento de óleo 
As três formas de lubrificação indicadas consideram o fornecimento regular de 
óleo, sobretudo na condição de lubrificação hidrodinâmica. Dentre os meios de 
fornecimento de óleo destacam-se: 
 
a) Anel de óleo 
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2) Suprimento de óleo 
a) Anel de óleo 
Enquanto o eixo gira, um anel 
apoiado em sua parte superior traz 
óleo para a parte superior do eixo 
e este flui para a superfície do 
mancal. 
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2) Suprimento de óleo 
b) Colar de óleo 
Enquanto o eixo gira, um colar entra em contato com o óleo no reservatório e o 
lança para a superfície superior. O óleo escoa para um reservatório acima do 
mancal e flui por gravidade para a parte superior do mancal. 
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2) Suprimento de óleo 
c) “Splashing” 
No interior dos motores, a movimentação do eixo de manivelas “virabrequim” 
agita a superfície do óleo no cárter, mantendo um fluxo constante sobre as 
superfícies que necessitam de lubrificação. 
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2) Suprimento de óleo 
d) Banho de óleo 
Mais utilizado para mancais de rolamentos, o mancal permanece parcialmente 
submerso no reservatório de óleo. 
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2) Suprimento de óleo 
e) Furos e estrias 
O óleo entra pelo furo e se distribui pelas estrias tanto por pressão quanto por 
gravidade. As estrias não devem ser cortadas em regiões que suportam a carga, 
uma vez que a pressão hidrodinâmica aproxima-se de zero nestes locais. 
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2) Suprimento de óleo 
f) Bombeamento 
Nos mancais de virabrequins e de bielas usa-se a lubrificação por 
bombeamento, de modo a manter o fluxo constante e suficiente para 
formação do filme de óleo entre as superfícies do eixo e do mancal. 
Quando não existem, 
então o pino do pistão 
é lubrificado no modo 
“splash”. 
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3) Conceitos básicos da lubrificação hidrodinâmica 
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3) Conceitos básicos da lubrificação hidrodinâmica 
Viscosidade absoluta x rps / Carga por unidade de área projetada. 
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3) Conceitos básicos da lubrificação hidrodinâmica 
Os parâmetros básicos que influenciam no tipo de lubrificação são: 
Viscosidade m: Quanto maior a viscosidade, menor a rotação necessária para que 
o eixo flutue sobre o fluido. 
Rotação n: Quanto maior a rotação, menor a viscosidade necessária para que o 
eixo flutue sobre o fluido. 
Carga no mancal por unidade de área P: É definida pela carga transmitida ao 
mancal pelo eixo, dividida pela área projetada, correspondente ao diâmetro do 
mancal vezes o seu comprimento (D x L). 
 
A lubrificação hidrodinâmica requer portanto três coisas: 
1 – Movimento relativo entre as superfícies; 
2 – Efeito de “cunha” wedging action, o que ocorre devido à excentricidade do 
eixo; 
3 – Presença de um fluido adequado. 
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3) Conceitos básicos da lubrificação hidrodinâmica 
Viscosidade 
Viscosidade absoluta 
ou dinâmica 
U = velocidade 
h = distância entre as 
superfícies 
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Unidade da viscosidade absoluta ou dinâmica 
1 cPoise = 1 mPa.s 
A viscosidade pode ser medida por meio de instrumentos cuja 
forma construtiva é baseada na figura anterior, ou por meio da 
medição do tempo necessário para que um volume determinado 
flua de um reservatório por ação da gravidade através de um furo 
calibrado, como indicado esquematicamente na figura ao lado. 
Esta forma de medição é quantificada em segundos Saybolt. 
O valor quantificado pelos segundos Saybolt está relacionado à 
viscosidade cinemática. 
Unidade da viscosidade cinemática 
1 Stoke = 1 cm2/s 
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Nos mancais de deslizamento, em função das suas dimensõese da viscosidade 
absoluta do óleo, a equação de Petroff fornece uma estimativa para o coeficiente 
de atrito, na hipótese de alinhamento concêntrico entre o eixo e o mancal. 
Equação de Petroff 
𝑓 = 2𝜋2
𝜇 𝑛
𝑃
 
𝑟
𝑐
 
Onde: 
F = coeficiente de atrito; 
m = viscosidade absoluta [Pa.s]; 
n = velocidade [revoluções / s]; 
 
r = raio do eixo [m]; 
c = folga radial (Dmancal –Deixo)/2 [m] 
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Exercício 1 – Determinação de atrito no mancal e perda de potência 
Um eixo com 100 mm de diâmetro 
é suportado por um mancal de 80 
mm de largura com folga radial de 
0,10 mm. Ele é lubrificado por óleo 
com viscosidade (na temperatura 
de trabalho) de 50mPa.s. O eixo gira 
a 600 rpm e leva uma carga radial 
de 5000 N. Estime o coeficiente de 
atrito no mancal e a perda de 
potência usando a abordagem de 
Petroff. 
Hipóteses: 
1. Não há excentricidade entre o mancal e o eixo e não há fluxo de lubrificante 
no sentido axial. 
2. A força de arrasto devido ao atrito é igual ao produto do coeficiente de atrito 
pela carga radial do eixo. 
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A teoria da lubrificação hidrodinâmica teve início com estudos elaborados por 
Osborne Reynolds durante investigações sobre mancais de deslizamentos em 
rodas de trens na Inglaterra no início dos anos 1880. 
 
Dentre os resultados destes estudos e avanços na compreensão deste fenômeno 
está o agrupamento de parâmetros em números adimensionais, os quais são 
utilizados no dimensionamento destes mancais. 
 
Como ponto de partida para o estudo de um mancal de deslizamento está a 
definição do número característico do mancal S = Número de Sommerfeld: 
Lubrificação hidrodinâmica 
𝑆 = 
𝑟
𝑐
 
2 𝜇 𝑛
𝑃
 
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Na figura ao lado, apresenta-se 
esquematicamente a distribuição de 
pressões no filme de óleo no mancal de 
deslizamento no qual destacam-se os 
seguintes parâmetros: 
 
ho = espessura mínima do filme de óleo; 
 
Tendo como referência a linha de ação 
da carga: 
f = ângulo até o ponto de espessura 
mínima do filme de óleo; 
qpmax = ângulo até o ponto de pressão 
máxima; 
qpo = ângulo até o ponto de pressão 
nula; 
 
e = excentricidade; 
Q = fluxo de óleo; 
n = rotação; 
D = Diâmetro do eixo; 
P = Carga por unidade de área; 
 
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Os diagramas de números adimensionais 1 a 6, indicados a seguir e conhecidos como diagramas de 
Raimondi-Boyd, são definidos com base nos parametros mostrados na figura anterior. Eles assumem 
que o lubrificante é fornecido à pressão atmosférica e que a influência do fluxo de quaisquer furos ou 
estrias seja desprezível. A viscosidade é assumida como constante e corresponde à média de 
temperatura do óleo que flui através do mancal. 
Com base nestes diagramas, podemos fazer o dimensionamento de mancais de deslizamento nas 
condições que estudamos até agora, ou seja, mancais simples com cargas radiais e velocidades 
constantes. 
Nas situações com valores de L/D situados entre as curvas disponíveis, os valores corretos podem ser 
interpolados por meio da seguinte equação: 
na qual o valor de y representa o valor da grandeza desejada e os valores de y , y1, y1/2 e y1/4 
correspondem aos valores desta grandeza situados sobre cada uma destas curvas. 
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Diagrama 1 
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Diagrama 2 
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Diagrama 3 
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Diagrama 4 
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Diagrama 5 
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Diagrama 6 
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Exercício 2 – Eixo de mancal lubrificado 
Um eixo de mancal de diâmetro de 2 in (50,8 mm), 1 in (25,4 mm) de 
comprimento e folga radial de 0,0015 in (0,0381 mm) suporta uma carga fixa de 
1000 lb (4448,2 N) quando o eixo gira a 3000 rpm. Ele é lubrificado com óleo SAE 
20 fornecido à pressão atmosférica. A temperatura média do filme de óleo é 
estimada em 130oF (54,4oC). 
 
Usando os diagramas de Raimondi-Boyd estime: 
 
1 – A espessura mínima do filme de óleo; 
2 – O coeficiente de atrito no mancal; 
3 – A pressão máxima no filme de óleo; 
4 – Os ângulos f, qmáx e qpo; 
5 – O fluxo de óleo total no mancal; 
6 – A fração de fluxo renovado que precisa ser introduzido para compor o 
volume que escapa pelas laterais. 
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Exercício 2 – Eixo de mancal lubrificado 
Figura do exercício 2 
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4) Materiais utilizados 
Babbits: Corresponde a uma família completa de ligas baseadas no chumbo e no 
estanho em combinação com outros elementos. É muito efetiva, especialmente 
quando depositados eletroliticamente em filmes finos sobre o substrato mais 
forte como o aço. 
 
Bronzes: A família de ligas de cobre, principalmente bronzes, é uma escolha 
excelente para mancais que correm contra o aço e ferro fundido. O bronze é mais 
brando que os metais ferrosos, mas tem boa resistência, usinabilidade e 
resistência à corrosão, correndo bem contra ligas ferrosas quando lubrificado. 
 
Ferro fundido cinzento e aço: são materiais razoáveis para mancais quando 
correm contra outro a baixas velocidades. O grafite livre no ferro fundido adiciona 
lubricidade, mas um lubrificante líquido também é necessário. Aço também pode 
correr contra aço, se as duas partes forem endurecidas e lubrificadas. 
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4) Materiais utilizados 
Materiais sinterizados: São encontrados na forma de pó e permanecem 
microscopicamente porosos depois de tratamento térmico. A porosidade permite-
lhes absorver uma quantidade significativa de lubrificante e mantê-lo pelo efeito 
de capilaridade, desprendendo-o no mancal quando aquecido. O bronze 
sinterizado é amplamente usado em superfícies que se movem contra aço ou 
ferro fundido. 
 
Materiais não metálicos: Alguns tipos oferecem a possibilidade de correr a seco se 
eles tiverem lubricidade suficiente. O grafite é um exemplo. Alguns 
termoplásticos, como náilon, acetal e Teflon, oferecem um coeficiente de atrito m 
pequeno contra qualquer metal, mas têm resistência e temperatura de fusão 
baixas, as quais combinadas com a condução de calor bem pobre, limitam as 
cargas e velocidades de operação. O Teflon tem um m muito baixo (aproximando-
se aos valores de rolamento), mas requer aditivos para aumentar sua resistência 
para níveis usáveis. 
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4) Materiais utilizados 
Exemplo de deposição de 
camadas 
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5) Formas de desgaste dos mancais de deslizamento 
A fadiga da sobrecamada 
pode não causar a falha a 
falha do mancal, mas é 
prejudicial à espessura do 
filme de óleo e também 
pode expor a camada 
intermediária. 
a) Fadiga da sobrecamada 
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5) Formas de desgaste dosmancais de deslizamento 
A forma geométrica 
imperfeita do eixo pode 
levar ao contato entre 
superfícies. 
Outra causa também pode 
ser a lubrificação 
insuficiente. 
b) Contato entre superfícies 
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5) Formas de desgaste dos mancais de deslizamento 
c) Cavitação 
A cavitação pode ocorrer 
devido à flutuação dos 
níveis de pressão do óleo, 
gerando a formação e 
eclosão súbita de bolhas de 
vapor na superfície dos 
mancais. 
Em motores de combustão 
interna, a utilização de 
mancais com camadas de 
babbitts com bi-metal são 
favoráveis para evitar a 
cavitação. 
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5) Formas de desgaste dos mancais de deslizamento 
c) Cavitação 
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Bibliografia 
 
[1] BUDYNAS, R. G.; NISBETT J. K. Elementos de Máquinas de Shigley – Projeto de 
engenharia mecánica. Porto Alegre: Bookman, 2011. 
[2] JUVINALL, Robert & MARSHEK, Kurt M., Projeto de Componentes de Máquinas, Rio de 
Janeiro: Editora LTC, 2008. 
[3] NORTON, Robert L., Projeto de Máquinas – Uma abordagem integrada, Porto Alegre: 
Bookmann, 2013. 
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