BR102012016293A2 - Componente deslizante - Google Patents

Abstract

Patente de Invenção: COMPONENTE DESLIZANTE. A presente invenção refere-se a um componente deslizante para utilização no interior de um motor de combustão interna, de formato substancialmente no interior de um motor de combustão interna, de formato substancialmente anelar e sendo dorado e pelo menos um abertura (3), composto em uma resina de Polieteretercetona (PEEK), em uma resina de Polieteretercetona (PEEK), emn uma resina de Poliarileteretercetona (PAEK) ou em uma resina de poliamida imida (PAI), aditivadas com pelo menos um elemento fibroso em um percentual substancialmente entre 2% e 45% em peso.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPONENTE DESLIZANTE".

A presente invenção refere-se a um componente deslizante para uso em um motor de combustão interna, como um anel de canalete de pís5 tão, confeccionado em material polimérico e apresentando excelente desempenho, notadamente no tocante à resistência ao desgaste e destacamento e na redução de consumo de óleo lubrificante do motor, por conta de sua tenacidade, mantendo ainda um baixo custo de fabricação.

Descrição do estado da técnica Os motores de combustão interna que operam segundo um ciclo

de 4 tempos (Otto ou Diesel) possuem um ou mais cilindros no interior dos quais um pistão se movimenta alternadamente.

Cada pistão possui, na imensa maioria dos casos, três anéis de canalete; o anel superior, posicionado adjacentemente à cabeça do pistão e 15 que função de compressão, um anel inferior cuja função precípua é atuar como raspador de óleo e um anel intermediário, também conhecido como anel de segundo canalete, que tem a função principal de ajudar a regular a espessura do filme de óleo.

O anel de compressão é o mais solicitado mecanicamente, já 20 que recebe o impacto direto da energia da combustão da mistura arcombustível, assim como dos subprodutos muitas vezes corrosivos ali produzidos, além de estar constantemente exposto a temperaturas de mais de 500 graus advindas da combustão. Devido a isso, o anel de compressão atua também como importante elemento de condução térmica, transferindo do calor ab25 sorvido pelo pistão para a parede do cilindro e para o bloco do motor.

Já o anel de segundo canalete e o anel raspador de óleo (terceiro canalete) estão expostos a temperaturas bem menores, na maioria das vezes não superior a 200°C, e por conta disso podem ser especificados em materiais menos resistentes ao calor sem que sua vida útil fosse comprometida. Pensando em aperfeiçoar o desempenho dos motores, alguns

fabricantes iniciaram estudos/desenvolvimento com anéis de segmento feitos em material polimérico. Se esse tipo de material ainda é inviável para utilização em anéis de compressão, as menores solicitações térmica, química e mecânica a que são submetidos os anéis de segundo e terceiro canaletes viabilizam os estudos.

Assim, um primeiro documento de técnica anterior referente a 5 anéis feitos em material polimérico é a patente japonesa JP 4589154, que revela um anel de vedação de material compósito compreendendo até 65% em peso de resina de Polieteretercetona (conhecida pelos entendidos no assunto como PEEK), 10% a 30% em peso de fibra de carbono com fibras de comprimento médio de 3-10 pm e 10% a 35% de um pó de carbonato de 10 cálcio com partículas de tamanho entre 0,5-5 pm e um pó de talco (Mg3 Si4 Oio (OH)2) com partículas entre 0,1-5 pm.

Este documento, entretanto, não se refere especificamente a um anel de pistão.

Outro documento referente a anéis feitos em material polimérico 15 é a patente japonesa JP 4364191, que revela um método para fabricar artigos poliméricos moldados como juntas e anéis de vedação, formados por uma primeira mistura de um composto polimérico, um primeiro elemento de cura de uma combinação de elementos de cura, uma segunda mistura de um polímero base e um segundo elemento de cura e uma terceira mistura de um car20 rier com uma pluralidade de aditivos para otimização de performance.

Este documento, entretanto, não se refere especificamente a um anel de pistão.

O pedido de patente japonês JP 2006-097548 refere-se a um anel de pistão formado por um compósito incluindo pós contendo entre 10% 25 e 50% de bronze, em peso, de 3% a 10% bissulfeto de molibdênio, até 1% em peso de fibras de carbono e o balanço em politetrafluoretileno (PTFE). Deve-se notar que este material compósito possui percentual considerável da material metálico (bronze) em sua composição, o que o torna completamente diferente, inclusive em propriedades, do componente deslizante ora 30 objetivado.

A patente GB 2313600 refere-se a um material deslizante (para uso, por exemplo, em um anel de pistão) para uso com um material metálico leve contendo Polieteretercetona (PEEK) e/ou poliéter-nitreto. Adicionalmente, sericite (de15-40% em peso), é adicionada para aumento de resistência.

Este produto difere consistentemente do componente deslizante objeto da presente invenção uma vez que possui sericite.

A patente japonesa JP8159292 é muito similar à GB 2313600

(inclusive, pertencem ao mesmo titular), mas tem como foco um componente deslizante como um anel de vedação (e não um anel de pistão). Assim, analogamente, este produto difere consistentemente do componente deslizante objeto da presente invenção por possuir sericite.

A patente chinesa CN1085998 refere-se a um componente des

lizante para contato deslizável com uma superfície de liga metálica leve, compreende resina de Polieteretercetona (PEEK) com: (a) 15% a 20% em peso de óxido de alumínio amorfo em pó; (b) 3% a 85 em peso de pó de grafite e (c) 6% a 9% de pó à base de carbono. Preferivelmente, os pós (a), 15 (b) e (c) possuem, respectivamente, partículas com diâmetro de 5 pm ou menos, 5 pm ou menos e 30 pm ou menos. O pó (c) é poroso.

Preferivelmente, o componente deslizante consiste de PEEK with 15% em peso do pó(a), 3% em peso do pó (b) e de 6% a 9% em peso do pó (c), tendo os pós partículas dentro das faixas de diâmetro apontadas acima. De maneira preferível, o elemento deslizante desliza em relação a uma superfície de uma peça formada por ligas à base de alumínio.

Este produto é conceitualmente bastante diferente do elemento deslizante objeto da presente invenção, uma vez que, além, da formulação completamente diversa, possui componentes metálicos que não são utilizados na formulação da presente invenção.

A patente japonesa JP3927358 refere-se a um elemento deslizante feito à base de resina de poliamida imida (PAI) contendo microcápsuIas dispersas, de fluidos lubrificantes como óleos ou graxas.

O componente deslizante objeto da presente invenção, ainda que contenha resina PAI, não possui nenhum tipo de microcápsula com líquido lubrificante.

Por fim, o pedido de patente japonês JP2002053883 refere-se a um componente deslizante feito de uma resina de poliamida imida (PAI) na qual é disperso um sólido lubrificante e um agente resistente à abrasão.

A resina de PAI apresenta resistência à tração entre 78,4 e 98 MPa1 módulo de elasticidade longitudinal entre 1,960 e 2,940 e percentual de alongamento entre 10% e 20%.

Este produto difere consistentemente do componente deslizante objeto da presente invenção, ainda que utilize a resina PAI.

Assim, embora elementos deslizantes como um anel de pistão de segundo ou terceiro canaletes confeccionado em material polimérico já 10 tenham sido idealizados, até o presente momento não havia sido desenvolvido um componente que não utilize nenhum material metálico em sua composição e que apresente boa performance e alta durabilidade a ponto de poder substituir os anéis de base metálica utilizados atualmente para aplicações em motores Otto ou Diesel.

Objetivos da invenção

A presente invenção tem por objetivo um componente deslizante para uso em um motor de combustão interna, como um anel de canalete de pistão, confeccionado em material polimérico que apresenta excelente desempenho, notadamente no tocante à resistência ao desgaste e destacamento e na redução de consumo de óleo lubrificante do motor.

A presente invenção tem por objetivo também um componente deslizante para uso em um motor de combustão interna, como um anel de canalete de pistão, confeccionado em material polimérico que permite a redução de consumo de combustível do motor e a conseqüente redução na emissão de gás carbônico CO2.

Ainda, a presente invenção tem por objetivo um componente deslizante para uso em um motor de combustão interna, como um anel de canalete de pistão, confeccionado em material polimérico que permite uma redução considerável no atrito com a parede do cilindro devido à aplicação de materiais autolubrificantes e aditivos em solução no material polimérico.

Finalmente, a presente invenção tem como objetivo um componente deslizante para uso em um motor de combustão interna, como um anel de canalete de pistão, que apresente um baixo custo de fabricação por não necessitar de operações de tratamento e acabamento superficial.

Breve descrição da invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um com5 ponente deslizante para utilização no interior de um motor de combustão interna, de formato substancialmente anelar e sendo dotado de pelo menos uma abertura, composto em uma resina de Polieteretercetona (PEEK), em uma resina de Poliarileteretercetona (PAEK) ou em uma resina de poliamida imida (PAI), aditivadas com pelo menos um elemento fibroso em um percen10 tual substancialmente entre 2% e 45% em peso.

Descrição resumida dos desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

Figura 1 - é uma vista esquemática em perspectiva do compo

nente deslizante em material polimérico objeto da presente invenção.

Figura 2 - é uma vista esquemática superior do componente deslizante em material polimérico objeto da presente invenção.

Figura 3 - é uma vista em corte esquemática do componente deslizante objeto da presente invenção.

Figura 4 - é um gráfico comparativo de diversas resinas utilizadas, com a determinação do coeficiente de fricção para uma carga de 50N aplicada sobre o anel.

Figura 5 - é um gráfico comparativo de teste de desgaste simuIando o funcionamento do motor (teste reciprocante).

Descrição detalhada das figuras

De acordo com uma concretização preferencial e como pode ser visto a partir da figura 1, a presente invenção compreende um elemento deslizante 1, preferivelmente na forma de um anel de pistão de segundo ou 30 terceiro canalete, que apresenta formato substancialmente anelar dotado de pelo menos uma abertura 3 que possibilita sua montagem no canalete de um pistão (não ilustrado) e a redução total de seu diâmetro quando o anel encontra-se em operação no interior do cilindro, aplicando uma componente tangencial de encontro à parede do cilindro, calculada para limitar um filme de óleo na espessura desejada.

O anel 1 objeto da presente invenção é constituído em material 5 polimérico aditivado para apresentar excelente desempenho, notadamente no tocante à resistência ao desgaste e destacamento e na redução de consumo de óleo lubrificante do motor, redução de consumo de combustível do motor e a conseqüente redução na emissão de gás carbônico CO2 e uma redução considerável no atrito com a parede do cilindro devido à aplicação 10 de materiais autolubrificantes e aditivos em solução no material polimérico.

E uma primeira constituição preferível, o anel de pistão é feito em peça única e tem suas dimensões especialmente calibradas, de maneira a funcionar no segundo canalete de um pistão de um motor de combustão interna, particularmente um motor que opera segundo o ciclo Otto ou Diesel. Uma segunda constituição (não ilustrada nas figuras) apresenta

a forma de um anel raspador de óleo (terceiro canalete) de duas peças, dotado de um expansor (mola) que pressiona controladamente o corpo do anel (constituído de material polimérico conforme descrito a seguir) de encontro à parede do cilindro, trazendo excelentes propriedades de conformabilidade e desgaste.

Qualquer que seja a constituição específica do anel, além das medidas calibradas, o acabamento superficial da superfície externa (identificada na figura com o número 2) é tal que minimize o atrito do anel na parede do cilindro, o que é conseguido ainda pelo emprego dos aludidos materi25 ais auto lubrificantes. Ainda, a abertura 3 é de tal medida que, quando o anel está montado no canalete do pistão e esse se encontra no interior do cilindro, o pistão é comprimido e a abertura é reduzida de tal forma que o anel exerça uma força tangencial calculada para limitar um filme de óleo na espessura desejada, mas mantendo o atrito em um nível mínimo.

É evidente que a forma e a geometria específicas do anel 1 po

dem variar livremente, bem como a força tangencial por ele aplicada, em função do tipo de motor para o qual ele foi projetado e no interior do qual operará. Der toda forma, essas variações não são o foco de proteção das reivindicações apensas de forma que todas elas estão incluídas no escopo de proteção da invenção.

No que tange ao material de sua constituição, uma primeira variação construtiva do anel 1 objeto da presente invenção é composto primordialmente pela resina de Polieteretercetona {conhecida pelos entendidos no assunto como PEEK), que é um termopiástico orgânico que apresenta excelentes propriedades para uso na engenharia.

A PEEK é um termopiástico semicristalino e apresenta excelentes propriedades mecânicas que são mantidas em temperaturas elevadas, como por exemplo 200°C ou pouco mais. Além da alta resistência à degradação térmica, outra característica altamente desejável é sua alta resistência ao ataque em ambientes de atmosférica aquosa ou orgânica.

A tabela 1 abaixo ilustra algumas propriedades da resina PEEK, mas elas podem variar de acordo com a aditivação que ela recebe.

Tabela 1 - propriedades da resina PEEK Densidade 1320 kg/m3 Módulo de Young (E) 3.6 GPa Resistência à tração (Ot) 90-100 MPa Alongamento 50% Notch test 55 kJ/m2 Temp. de transição vítrea 143 0C Ponto de derretrmento -343 0C Condutividade térmica 0.25 W/m.K Absorção de água, 24 hrs (ASTM D 570) - 0.1% Alternativamente, pode-se confeccionar o anel 1 objeto da presente invenção com a resina poliamida imida (PAI), também aditivada em função das condições de funcionamento e operação encontradas por um anel de segundo ou terceiro canalete de um motor que opera segundo o cicio Otto ou Diesel.

Por fim, uma terceira resina utilizada para confeccionar o anel 1 objeto da presente invenção é Poliarileteretercetona (conhecida pelos entendidos no assunto como PAEK).

Algumas composições específicas de resinas PAI e PEEK que

podem ser utilizadas na fabricaçao do apresente anel 1 estão elencadas na tabela 2 abaixo.

Resina Aditivos PAI 1 Grafite+ PTFE (politetrafluoretileno) PAI 2 20% Grafite+ 3% PTFE PAI 3 fibra de carbono (CF) + PTFE PEEK 1 Grafite+ PTFE + CF PEEK+PBI -IPEEK 2 Aditivos para redução de atrito PAEK Aditivos para redução de atrito + 20% de fibra de carbono (CF) Estudos realizados a cabo pela depositante permitiram concluir

que os melhores resultados foram conseguidos com a utilização das resinas PEEK 2 e PAEK 1 Os anéis com ela configurados apresentaram um desgaste similar ao apresentado por anéis de base metálica, mantendo dimensões similares.

A tabela 3 abaixo ilustra algumas propriedades da resina PAEK.

Tabela 3 - propriedades da resina PAEK Densidade 1440 kg/m3 Módulo de Young (E) 19 GPa Resistência à tração (σ<) 65-190 MPa Resistência à flexão 75-290 MPa Notch test 35 kJ/m2 Temp. de transição vítrea 152 0C Ponto de derretimento -373 0C Condutividade térmica 1,30 W/m.K Absorção de água, 24 hrs (ISO 62-1) - 0.05% Outra vantagem indiscutível da utilização das resinas de PAI ou PEEK aditivadas reside no fato de que o anel 1 pode ser produzido por injeção em um molde, o que permite um controle muito preciso de suas dimensões e de seu acabamento superficial, eliminando qualquer operação posterior nesse sentido (retifica, lapidação, dentre outras).

Ademais, devido à sua constituição polimérica específica, não é necessária aplicação de nenhum revestimento (coating) nem tampouco a execução der algum tratamento térmico superficial. O anel pode ser utilizado no motor da mesma maneira como foi retirado do molde.

De toda forma, se necessário ou desejável, é possível aplicar ao anel 1 objeto da presente invenção, independentemente de sua geometria ou material base, um recobrimento em material de revestimento depositado 10 pelo processo de deposição iônica (íon plating). O material de revestimento pode variar em função das necessidades e dos parâmetros operacionais do motor em que o anel está instalado, e sua composição específica independe para a definição do escopo de proteção das reivindicações apensas.

Assim, o custo de fabricação do anel 1 acaba por ser compatível, o que torna sua utilização nos motores viável sem necessidade precípua de redesenhos complexos de componentes como pistões.

Ademais, consoante já mencionado, o acabamento superficial da superfície externa 2 que minimiza o atrito do anel na parede do cilindro (graças aos aludidos materiais autolubrificantes), combinada com a força 20 tangencial especialmente calculada aplicada pelo anel 1 já parede do cilindro, limitando um filme de óleo na espessura desejada, mas mantendo o atrito e a pressão exercida em um nível mínimo, possibilitam vantagens importantes frente aos anéis atualmente conhecidos.

Evidentemente, os desenvolvimentos da depositante englobaram a combinação do uso das aludidas resinas com o desenvolvimento geométrico do anel, de forma a maximizar a performance do produto final e reduzir a necessidade de alteração de outros componentes do motor, como os pistões.

Os testes efetuados deixaram clara a vantagem da utilização da resina PAEK, de toda forma, qualquer que seja a resina específica a ser utilizada, ela deve ser aditivada com peío menos um elemento fibroso, como a fibra de carbono (CF) em um percentual substancialmente entre 2% e 45% em peso.

Um primeiro teste efetuado em amostras foi um teste de fricção e deslizamento.

Tendo um anel posicionado na parede de um cilindro, um equipamento aplica uma carga de 100N por 4 horas, estando o anel deslizando na parede do cilindro na situação de um motor com rotação de 900 RPM. Como lubrificante, utiliza-se óleo SAE 30, à temperatura ambiente.

Esse anel testado apresenta diâmetro nominal de 76,5 mm, altura nominal constante de 1,2 mm, secção transversal de formato napier, e medida média máxima para o anel de 3,40 mm.

A figura 4 ilustra o gráfico comparativo de diversas resinas utilizadas, onde vê-se claramente o melhor desempenho da resina PAEK, que apresenta um menor coeficiente de atrito. O coeficiente de fricção é determinado para uma carga de 50N aplicada sobre o anel. O material base referência é ferro fundido perlítico cinzento.

Por fim, a figura 5 ilustra um gráfico de teste de desgaste simulando o funcionamento do motor (teste reciprocante). A análise desse gráfico permite a visualização do menor desgaste da resina PAEK em comparação com as outras composições indicadas. Analogamente, o material referência ensaiado foi o ferro fundido identificado pela sigla MF013-L.

Assim, resta clara a melhor performance do anel 1 objeto da presente invenção, notadamente quando composto pela resina PAEK, tanto em comparação com os materiais metálicos atualmente em uso como em comparação com as ademais resinas.

Como vantagens adicionais, há ainda o menor peso (o anel po

limérico possui cerca de 1/5 do peso do anel em ferro fundido) e a maior conformabilidade (permitindo que anel se molde a camisa fornecendo melhor vedação tanto para evitar que óleo do cárter vá para a câmara de combustão, como para evitar que gases da câmara de combustão sigam em direção ao cárter (gases de blow-by)).

Cumpre notar, por fim, que a presente composição de um anel 1 de pistão de segundo ou terceiro canaiete não foi apresentada por nenhum dos documentos de técnica anterior, que se baseiam na maioria dos casos na utilização de resinas poliméricas aditivadas com compostos metálicos. Esses produtos, além de muitas vezes não atingirem a performance desejada, apresentam algumas dificuldades de produção que encarecem a fabri5 cação de um anel de pistão, desestimulando seu desenvolvimento tecnológico.

Tendo sido descrito exemplos de concretização preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (7)

1. Componente deslizante para utilização no interior de um motor de combustão interna, de formato substancialmente anelar e sendo dotado de pelo menos uma abertura (3), caracterizado pelo fato de ser composto em uma resina de Polieteretercetona (PEEK), em uma resina de Poliarileteretercetona (PAEK) ou em uma resina de poliamida imida (PAI), aditivadas com pelo menos um elemento fibroso em um percentual substancialmente entre 2% e 45% em peso.

2. Componente deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser composto em uma resina de Poliarileteretercetona (PAEK) aditivada com pelo menos um aditivo não metálico redutor de atrito.

3. Componente deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser composto em uma resina de Polieteretercetona (PEEK) aditivada com pelo menos um aditivo não metálico redutor de atrito.

4. Componente deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser composto em uma resina de poliamida imida (PAI) aditivada com pelo menos um aditivo não metálico redutor de atrito.

5. Componente deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser composto em uma resina de poliamida imida (PAl) aditivada com pelo menos um aditivo não metálico para aumento de resistência mecânica.

6. Componente deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser obtido pelo processo de injeção.

7. Componente deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de possuir um recobrimento em material depositado por processo de deposição tônica.