Depois de ilustrar a estrutura da bucha (aqui a primeira parte), foco em particular em um evento crítico que ocorre neste tipo de acoplamentos lubrificados quando são criadas condições de lubrificação inadequadas. Ou as condições de operação, as forças em ação e as velocidades de rotação são muito altas e não previstas a priori para o dimensionamento das buchas. Este evento ou mau funcionamento é chamado: cavitação.
A criticidade das buchas
Em geral e também na minha experiência como projetista de motores de corrida com altas velocidades médias do pistão (superiores a 24 m/s e até 27 m/s), as buchas mais delicadas e críticas em seu funcionamento são as do pino de manivela. ou simplesmente chame os mancais da biela (montados nos mancais big end, em inglês, mancais big end). Para garantir que os mancais da biela sejam constantemente lubrificados, em todas as condições de operação, partida, RPM mínimo (rotações do motor) e RPM máximo, a pressão de entrega da bomba de óleo deve ser maior que a soma das perdas de carga (entendidas como pressão) previstas na o motor.
Força centrífuga
Além dessas perdas, deve-se levar em consideração que a força centrífuga atua como uma importante queda de pressão especialmente em altas RPM e, portanto, em altas velocidades médias do pistão. De fato, quando o abastecimento de óleo às bielas ocorre através do diâmetro do munhão principal, podemos nos encontrar em condições de pressão próximas de zero “0” ou muito baixas no centro do virabrequim como consequência de ter superado o força centrífuga que atua sobre o óleo ao longo do canal dentro deste pino do virabrequim. Mesmo que a pressão em questão seja avaliada como positiva, é sempre necessário considerar efeitos como o Ra do canal de óleo, a presença de imperfeições de usinagem no mandrilamento, o desalinhamento do mancal principal e seu canal circunferencial em relação ao furo no eixo e todas as condições térmicas que podem levar ao agravamento das folgas de operação que certamente aumentam com a temperatura de operação.
Fluido Neutroniano
Além disso, nas simulações de cálculo, o óleo é considerado como um fluido newtoniano, não compressível, com estrutura homogênea e sem impurezas devido a resíduos de desgaste metálico, denominado “destroços“. Além disso, os resíduos de combustão, como gases não queimados, a presença de percentagens de gasolina não queimada e quaisquer resíduos à base de água, podem reduzir bastante as características de lubrificação do óleo. Mesmo a presença de bolhas de ar pode fazer com que a densidade do óleo diminua localmente nos acoplamentos em questão, piorando as condições de contorno no meato de óleo que estimamos quando o cálculo está intacto e regular ao longo da largura da bucha.
A temperatura do óleo
Quando a temperatura no interior do cárter ou tanque de óleo, de onde a bomba aspira, ultrapassa 100°C, a baixa porcentagem de água no óleo evapora, liberando oxigênio que, se não for separado com separadores óleo/ar apropriados, como centrífugas ou similares mecânicos instrumentos, atinge as buchas reduzindo a capacidade de carga do meato. Em seguida, haverá fases de contato entre metal e overlay (terceira camada indicada acima) com desgaste e laminação metálica. O ar também pode estar presente por falta de “tiragem” quando as acelerações do veículo fazem com que a massa de óleo no cárter se mova de forma desordenada e a área de sucção da bomba seja descoberta.
Cavitação
Como se sabe, a espessura do filme de óleo e, portanto, a distribuição de pressão também é gerada pelo efeito de bombeamento devido à rotação excêntrica do munhão principal ou manivela dentro da bucha. Portanto, é imediato pensar que existe uma área de alta pressão e uma área de baixa pressão. Na zona divergente, a pressão cai rapidamente e, se essa mudança for muito brusca, faz com que a gasolina ou o óleo se dissolvam. A pressão no meato ultrapassará a pressão de saturação e teremos o fenômeno chamado: cavitação.
Por que ocorre a cavitação
Dois fenômenos que levam à cavitação foram então apresentados. A primeira está ligada ao ar ou gás (resíduos da combustão) presentes no óleo já no cárter ou no tanque de sucção. Este tipo de cavitação é menos problemático para as buchas, pois uma parte dos gases presentes no óleo é eliminada quando a bomba, ao comprimir a mistura de óleo, (assim chamada porque não só o óleo de densidade nominal chega à bomba) excesso de mistura na válvula de recirculação de pressão. Em média, a recirculação é de 20% – 30% em relação à vazão de entrada.
Vaporização
A segunda está ligada a um fenômeno operacional e em detalhes está ligada à vaporização. Sendo um fenômeno que faz com que o estado físico do fluido mude de líquido para gás e vice-versa, certamente é mais perigoso e gera danos mecânicos significativos, especialmente em um acoplamento como o do pino de manivela em que as forças mudam consideravelmente ligadas às cargas de combustão e inerciais. Em altas rotações, como as dos motores de corrida, a frequência com que essa mudança de fase ocorre é muito alta e a duração tão curta que a pressão no óleo cai rapidamente e a gasolina dissolvida pode evaporar rapidamente. À medida que a pressão aumenta novamente, as bolhas causadas pela evaporação colapsam e você volta ao estágio inicial. Esta natureza cíclica resulta em fadiga de desgaste das superfícies de rolamento.
A dificuldade da simulação
As anomalias nos mancais da biela são um dos tópicos mais difíceis de simular em sua operação e também de traduzir em ações de projeto. De fato, muitas vezes quando há uma anomalia importante, as buchas desgastadas ficam muito danificadas e difíceis de analisar. No entanto, existem métodos de comparação que os fabricantes de buchas fornecem aos projetistas e experimentadores de motores, a fim de questionar a visão de um efeito ou dano nesses componentes.
A primeira parte da lição está publicada aqui
