BR102013030435A2

BR102013030435A2 - Método para condicionamento tribomecânico de um cilindro/camisa de paredes finas, e cilindro/camisa

Info

Publication number: BR102013030435A2
Application number: BRBR102013030435-2A
Authority: BR
Inventors: Antônio Eduardo Meirelles Tomanik; Boris Zhmud; Christian Kolar; Mattias Granlund
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa; Applied Nano Surfaces Sweden Ab; Mahle Int Gmbh
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-07-07
Also published as: WO2015078702A1; US10226848B2; JP2017501327A; US20160375537A1; DE112014005390T5; CN105917150A; DE112014005390T8

Abstract

Resumo patente de invenção: "método para condicionamento tribomecânico de um cilindro/camisa de paredes finas, e cilindro/camisa". A presente invenção refere-se a um método para o revestimento de um elemento de deslizamento de paredes finas (20) para blocos de motores de combustão interna em que: (i) a pressão aplicada para brunimento do elemento de deslizamento (20) é compreendida entre 8 mpa e 9 mpa; e (ii) pelo menos uma parte da superfície interna (21) do elemento de deslizamento (20), compreende uma nanocamada de lubrificante sólido, dotada de rugosidades, antes do brunimento, de rpk, rk e rvk não inferior a 2/3 do original.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA CONDICIONAMENTO TRIBOMECÂNICO DE UM CILIN- DRO/CAMISA DE PAREDES FINAS, E CILINDRO/CAMISA". A presente invenção refere-se a um método para condiciona- mento tribomecânico de um cilindro/camisa de paredes finas, para uso parti- cularmente em um bloco de um motor de combustão interna.

Descrição do Estado da Arte Atualmente, existe uma crescente demanda por materiais e/ou componentes de motores que oferecem maior resistência ao desgaste e atri- to reduzido. Na medida em que o setor automobilístico diz respeito, e mais especificamente, para o revestimento e/ou o tratamento de superfícies em cilindros/furos de motores de combustão, recentes pesquisas vem sendo desenvolvidas com vista a alcançar materiais e acabamentos de superfície que contribuam para a redução do consumo de combustível, consequente- mente CO2 emissões, através de reduzidas perdas por atrito. Em especial soluções envolvendo nanotecnologia tem sido alvo de recentes pesquisas.

Uma possível solução é descrita no documento de patente EP 2 229 467, que descreve um método de fabricação de um elemento mecânico, tal como um componente motor, que tem uma superfície de atrito reduzida, que tem uma etapa de condicionamento/deposição triboquímica de uma substância, tal como um lubrificante sólido, que cobre a superfície do ele- mento. O documento de patente CA 2 704 078 é muito semelhante ao do documento europeu acima e refere-se ao processo para a fabricação de um elemento de baixo atrito, condicionando triboquimicamente lubrificante sólido, especificando a aplicação do lubrificante sólido a uma camisa de ci- lindro do motor.

Finalmente, o documento de patente US 2010/0272931, da mesma família de ambos os documentos acima mencionados, refere-se a um processo de fabricação semelhante, com destaque para o uso em cami- sas de cilindro e de cilindros de blocos de motor.

Os três documentos de patentes mencionadas estão relaciona- dos a um processo dedicado de acabamento metalmecânico, que combina extrema pressão mecânica de brunimento da superfície do componente, com a deposição triboquímica ou mecanoquímica da película antidesgaste de dissulfeto de tungstênio (WS2) de baixo atrito.

Apesar das vantagens de redução de atrito e de desgaste em camisas/cilindro, a extrema pressão aplicada durante o condicionamento tribomecânico utilizado na técnica anterior, pode deformar a camisa/cilindro de sua forma circular ideal, nos blocos com paredes finas, normalmente utili- zados em blocos de motor de baixo peso. A fim de evitar o aumento do con- sumo de óleo lubrificante nos referidos furo/cilindro de blocos de motor de- formados, faz-se necessário a utilização de anéis de pistão com forças mais elevadas, o que compromete a redução de atrito.

Visando minimizar a redução de atrito acima mencionada, quan- do da utilização de anéis de pistão com maior carga, pode-se reduzir a rugo- sidade original do furo/cilindro dos blocos, o que pode não ser desejável. Isto se deve ao fato de que algum grau de rugosidade é desejável uma vez que a rugosidade pode/serve como reservatório de óleo lubrificante, permitindo com isso que as partes, anel de pistão e furo/cilindro de bloco, amaciem nas primeiras horas de funcionamento do motor.

Visando superar tais limitações, os inventores desenvolveram um processo de condicionamento tribomecânico melhorado, utilizando baixa pressão durante o processo de brunimento, e ainda assim alcançando signi- ficativa redução da fricção, conforme descrito adiante.

Objetivos da Invenção O objetivo da presente invenção é proporcionar um método para o condicionamento tribomecânico de um elemento de deslizamento de pare- des finas para blocos de motor de combustão interna, assegurando uma re- dução do consumo de combustível do motor e uma baixa deformação do mesmo.

Breve descrição da invenção Os objetivos da invenção são alcançados por um método para o condicionamento tribomecânico de uma camisa/cilindro de paredes finas para blocos de motores de combustão interna em que: (i) a pressão aplicada para brunimento do elemento de desliza- mento é compreendida entre 5 MPa e 15 MPa; e (ii) pelo menos uma parte da superfície interna do elemento de deslizamento, compreende uma nanocamada de lubrificante sólido, dotada de rugosidades, antes do brunimento, de Rpk, Rk e Rvk não inferior a 2/3 do original.

Descrição resumida dos desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri- ta com base em exemplos de execução representados nos desenhos. As figuras mostram: Figura 1 - é uma vista esquemática do elemento de deslizamen- to para utilização em um motor de combustão interna coberta por este inven- to;

Figura 2 - é o resultado de medição FMEP (teste comparativo) entre o cilindro padrão (base ou baseline) e o cilindro com condicionamento tribomecânico;

Figura 3 - é o resultado do teste comparativo entre a camisa pa- drão (base ou baseline) e a camisa com condicionamento tribomecânico na condição de força de atrito e pressão de combustão a 2500 rotações por minuto (rpm) a 0,93 MPa (9,3 bar) Figura 4 - é o resultado do teste comparativo para perda por a- trito entre a camisa padrão (base ou baseline) e a camisa com condiciona- mento tribomecânico;

Figura 5 - é uma vista esquemática do elemento de deslizamen- to camisa, de paredes finas, para uso em um motor de combustão interna coberta por este invento como testado em motor com camisa flutuante.

Descrição detalhada das figuras Como descrito no campo descrição do estado da técnica, já são conhecidos revestimento de dissulfeto de tungstênio (WS) visando minimizar a redução de atrito entre o tribo-sistema, anéis de pistão 10, camisa/cilindro 20 e pistão 30, e tal condicionamento tribomecânico através de um bruni- mento realizado com alta pressão, esta solução, entretanto, comprometendo a vedação de óleo/gás do referido tribo-sistema, devido a possíveis defor- mações em casos do cilindro ter paredes finas, entre 1,6 mm e 5 mm. A presente invenção supera o referido problema através da utili- zação de um processo de brunimento de baixa pressão e alta velocidade que proporciona uma superfície adequada para a redução de atrito e ao mesmo tempo proporcionando uma baixa/reduzida deformação do um ele- mento de deslizamento de paredes finas 20. Vale mencionar que o referido elemento de deslizamento 20 pode ser uma camisa de cilindro ou ainda um cilindro/furo de bloco de motor.

Cumpre notar que o processo possibilita trabalhar com uma pressão mais baixa, uma vez que foram criadas ferramentas mais longas e mesmo tendo um processo pouco mais demorado é compensado pela pres- são mais baixa. Note ainda que, se o mesmo comprimento da ferramenta fosse utilizado no processo de condicionamento tribomecânico, o tempo do processo seria 50% mais longo com esta configuração. Mesmo com um tempo de processo mais longo, a superfície ainda terá asperezas suficientes um em contato com os outros, entre a ferramenta e a peça, para formar o tribo-filme e para obter alguma melhoria rugosidade da superfície. A tabela I a seguir demonstra os valores encontrados de rugosi- dade antes e após o referido processo, onde se observa que diferente dos documentos do estado da técnica, a rugosidade é pouco reduzida.

Tabela I- Rugosidades pré e pós-tratamento Já a tabela II, demonstra as características do teste utilizado pa- ra a confirmação do tratamento de baixa pressão.

Tabela II- Características do teste de Camisa Flutuante A figura 2 mostra a medição pressão de fricção efetiva média ou FMEP (Friction Mean Effective Pressure) em cada regime. A camisa com condicionamento tribomecânico (b) apresentou 5 a 11% de redução FMEP.

Por repetição, a camisa padrão (baseline - a) também apresentou alguma redução, porém muito inferior se comparada com o elemento de deslizamen- to 20 com condicionamento tribomecânico (b). A pequena redução FMEP na repetição da camisa padrão (baseline - a) se deva ao fato de alguma transfe- rência da camada tribológica do revestimento para os anéis e para a saia do pistão. Tal hipótese será investigada em testes futuros. A economia de com- bustível em cada condição de operação pode ser estimado como (Δ FMEP / IMEP), o que levaria a uma economia de combustível de 0,13-0,27%. O teste de camisa flutuante permite a resolução das forças de atrito ao longo do curso. A Figura 3 demonstra um comparativo entre a ca- misa padrão (base/baseline - a) e a camisa 20 com condicionamento tribo- mecânico (b) na condição de força de atrito e pressão de combustão a 2500 rpm a 0,93 MPa (9,3 bar) aonde a força de atrito é medida ao longo do curso da manivela. Como já esperado, reduções de atrito maiores ocorreram no curso de expansão, especialmente perto do ponto de reversão superior, on- de as pressões de combustão são mais elevados e as velocidades mais bai- xas, o que conduz a um regime limítrofe de lubrificação.

Em termos de economia de combustível, mais importante do que as forças de atrito são as perdas por atrito. A Figura 4 mostra a FMEP ins- tantânea em cada ângulo do eixo da manivela. Através da figura 4, é possí- vel constatar que as maiores reduções FMEP aconteceram entre os ângulos 20°e 60° mas também existe praticamente ao longo de todo o curso do pis- tão. Como discutido nos testes recíprocos, a tribo-camada (b) parece ter al- gum efeito benéfico, mesmo em condições onde as velocidades são mais elevados e o regime de lubrificação tende a hidrodinâmico.

Após o teste, a camisa 20 com condicionamento tribomecânico (b) foi cortada e teve sua topografia medida em três posições 1,2,3 ao longo do curso dos anéis. Como pode ser visto na Figura 5, a região inferior 3, fora do curso do pistão foi assumida como representante da nova condição. No curso médio 2 a topografia se encontrou quase inalterada de modo que foi concluído que a tribo-camada foi preservada, o que permitiría a preserva- ção/manutenção da redução de atrito. Nos pontos de reversão, tal como es- perado, foi encontrado um maior desgaste e que demonstra que a tribo- camada poderia ter sido removida, mas embora as forças de atrito são ele- vadas nos pontos de inversão, as velocidades são baixas, assim como, há perdas por atrito. A tabela III apresenta os valores distintos das rugosidades en- contrados nas regiões 1, 2 e 3 da Figura 5.

Tabela III- Rugosidades após teste Adicionalmente, após análise microscópica das camisas 20 com condicionamento tribomecânico (b) foi possível constatar a presença de Tungstênio na superfície. A invenção refere-se ainda a um elemento de deslizamento, ob- tido pelo método ora definido.

Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidos, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Método para o condicionamento tribomecânico de cami- sa/cilindro de blocos de paredes finas (20) para motores de combustão in- terna, caracterizado pelo fato de que: (i) a pressão aplicada para brunimento do elemento de deslizamento de blocos de paredes finas (20) é compreendida entre 5 MPa e 15 MPa; e; (ii) pelo menos uma parte da superfície interna (21) do ele- mento de deslizamento de blocos de paredes finas (20), compreende uma nanocamada de lubrificante sólido, dotada de rugosidades, antes do bruni- mento, de Rpk, Rk e Rvk não inferior a 2/3 do original.

2. Elemento de deslizamento, caracterizado pelo fato de ser ob- tido pelo método definido na reivindicação 1.