BR112019027407B1 - Sistema mecânico, e, método para fabricação do sistema mecânico - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um sistema mecânico (1) que compreende um mancal (4) e um eixo (10) acoplado ao mancal (4), especificamente para um motor de combustão interna, sendo submetido a pressões de contato médias menores que 200 MPa. O eixo (10) tem pelo menos uma área (12) provida de um revestimento de superfície antigripagem (20), com uma dureza de superfície pelo menos o dobro daquela do mancal (4), e uma microtexturização (30) compreendida em um conjunto de microcavidades individuais (31) distribuídas na dita área (12). A invenção também se refere a um método para fabricação de tal sistema mecânico (1).

Description

[001] A presente invenção se refere um sistema mecânico que compreende um eixo acoplado a um mancal que recebe o dito eixo, particularmente equipando um motor de combustão interna. A invenção também se refere a um método para fabricação de tal sistema.

[002] O campo da invenção é o de sistemas mecânicos para fixação de um eixo que realiza um movimento oscilatório ou rotacional. Como um exemplo não limitante, a invenção se refere a sistemas de eixo de mancal equipando motores de combustão interna, particularmente no setor automotivo, como sistemas que compreendem um eixo de pistão ou um eixo de braço oscilante.

[003] O principal problema observado em tal tribossistema, que é submetido a estresses repetidos e intensos, se refere a um fenômeno de desgaste de superfície de contato entre o mancal e o eixo que o atravessa.

[004] Tradicionalmente, um eixo de pistão é produzido a partir de aço, com baixa rugosidade de superfície e um revestimento de DLC (carbono do tipo diamante, diamond-like carbon), ao passo que o orifício do mancal é opcionalmente equipado com um anel de liga de cobre. Alternativamente, o orifício do mancal pode ser produzido a partir de aço, uma liga de alumínio ou um material compósito.

[005] Para o eixo, as degradações de superfície tomam a forma de desgaste sutil no revestimento, que potencialmente pode se tornar gripagem. Para o mancal, o dano toma a forma de desgaste que leva ao aumento do espaço entre as peças.

[006] Uma vez que esse espaço se torna grande demais, o motor se torna barulhento e tem seu desempenho piorado. Portanto, é importante que as duas superfícies opostas não se tornem desgastadas, de modo que o revestimento antigripagem desempenhe seu papel e o espaço entre as mesmas seja preservado.

[007] Para preservar esse espaço, uma das dificuldades surge do fato de que o revestimento antigripagem é mais duro que o mancal, que é bem mais macio. Uma restrição industrial conhecida para remediar esse problema é minimizar o fator de rugosidade de pico, que pode ser chamado de parâmetro RPk. No estado da técnica, o revestimento antigripagem deve ter um RPk de menos que 0,08 μm.

[008] Até o presente momento, o problema de danos a revestimentos DLC em eixos não foi completamente resolvido.

[009] Para encorajar lubrificação, é conhecido o uso de usinagem macroscópica no orifício com uma função de reservatório de lubrificante, geralmente óleo. Isso possibilita garantir que óleo seja adicionado a fim de dissipar a geração de calorias pelo atrito na interface de contato entre o eixo e o orifício.

[0010] Ademais, estruturas de superfície micrométricas podem ser usadas para captar detritos gerados na superfície de contato. Isso possibilita limitar o desgaste abrasivo relacionado a partículas advindas da superfície do eixo ou mancal.

[0011] O documento número EP1411145 descreve um exemplo de um eixo que compreende um revestimento de superfície antigripagem. Esse documento descreve uma rugosidade de superfície que compreende picos e vales que são ligados entre si. Em outras palavras, esse documento não descreve microtexturas formadas por um conjunto de microcavidades separadas.

[0012] O documento número US2003/128903 descreve um sistema mecânico que compreende dois elementos deslizantes, como um mancal e um eixo acoplado ao mancal, equipando um motor de combustão interna. Como exemplos, o mancal pode ser produzido a partir de ligas CuPb, AlSiSn ou similares. Pelo menos um dos elementos deslizantes compreende microtexturas formadas por um conjunto de microcavidades separadas. O único exemplo de revestimento mencionado naquele documento é MoS2, sob o contexto de que o uso de tal revestimento é caro e não possibilita alcançar a durabilidade desejada devido ao desgaste do mesmo. Aquele documento não considera o uso de tal revestimento como uma solução satisfatória e busca uma alternativa na forma de microcavidades.

[0013] O documento número FR2974399 descreve outro exemplo de um sistema mecânico equipando um motor de combustão interna, que compreende um eixo de pistão articulado em uma biela de virabrequim. O eixo de pistão é provido de texturas de superfície e um revestimento do tipo DLC, que compreende uma ranhura que forma um canal de drenagem de lubrificante, e um conjunto de estrias interseccionadas. Tais texturas são complexas e, portanto, custosas de executar. Adicionalmente, tal documento não incluir quaisquer testes demonstrando o desempenho obtido, ou mesmo quaisquer valores numéricos a respeito do dimensionamento das texturas.

[0014] O documento número WO2007/031160 descreve outro exemplo de um sistema mecânico equipando um motor de combustão interna, que compreende dois elementos cujas superfícies de contato realizam fricção entre si. O primeiro elemento pode ser um munhão de virabrequim, ao passo que o segundo elemento é um orifício de biela.

[0015] Preferencialmente, um dos elementos compreende um revestimento de superfície com propriedades de lubrificação seca, ao passo que o outro elemento compreende cavidades destinadas a captar detritos advindos do revestimento e/ou de lubrificante líquido adicional. De acordo com uma modalidade específica, ambos elementos compreendem cavidades.

[0016] Novamente, esse documento não apresenta testes demonstrando o desempenho obtido. Ademais, esse documento não menciona especificamente as características dimensionais das cavidades para obter desempenho satisfatório durante o serviço.

[0017] Portanto, a eficácia das soluções acima não foi demonstrada para a aplicação pertinente. Além disso, essas soluções podem gerar custos de produção significativos.

[0018] O objetivo da presente invenção é propor uma solução satisfatória em termos de resistência a gripagem e desgaste.

[0019] Para tanto, um objeto da invenção é um sistema mecânico que compreende um mancal e um eixo acoplado ao mancal, particularmente equipando um motor de combustão interna, submetidos a pressões de contato médias menores que 200 MPa, distinguido pelo fato de que o eixo compreende pelo menos uma área provida de: um revestimento de superfície antigripagem, com uma dureza de superfície que é pelo menos o dobro daquela do mancal, e uma microtextura formada por um conjunto de microcavidades separadas, distribuídas pela dita área.

[0020] De acordo com outros recursos vantajosos da invenção, consideradas sozinhas ou em combinação: O revestimento de superfície antigripagem do eixo tem uma dureza de superfície que é pelo menos três vezes aquela do mancal.

[0021] O revestimento de superfície antigripagem do eixo tem uma dureza de superfície que é pelo menos seis vezes aquela do mancal.

[0022] Cada uma das microcavidades tem um comprimento maior entre 15 e 100 micrômetros, e uma profundidade entre 50 nm e 100 μm. Portanto, a profundidade das microcavidades pode ser seletivamente maior ou menor do que a espessura do revestimento de superfície.

[0023] Cada uma das microcavidades tem uma razão de forma menor ou igual a 1, definida como a razão entre a profundidade e o comprimento maior.

[0024] -As microcavidades são distribuídas dentro da dita área com uma densidade de superfície entre 5 e 30%, essa densidade de superfície sendo definida como a razão entre a área total das microcavidades e a área total da dita área incluindo essa microcavidades.

[0025] A profundidade das microcavidades externas é menor do que a espessura do revestimento de superfície. Em outras palavras, as microcavidades externas são confinadas à espessura do revestimento.

[0026] A profundidade das microcavidades externas é maior do que a espessura do revestimento de superfície. Em outras palavras, as microcavidades externas podem penetrar o material-base do eixo, abaixo do revestimento.

[0027] Todas as microcavidades têm a mesma geometria, com dimensões (profundidade e comprimento ou diâmetro) similares. Na prática, o grau de similaridade entre as dimensões das microcavidades depende da precisão do processo de criação de microtexturas usado. Dentro do contexto da invenção, presume-se que as microcavidades têm dimensões similares quando as variações dimensionais permanecem entre o dobro (X2 = +100%) e metade (dividido por 2 = -50%) das dimensões médias das microcavidades. Como um exemplo, essa definição exclui variações dimensionais na ordem do próximo decimal (X10 = +900%) ou do decimal anterior (dividido por 10 = -90%).

[0028] Todas as microcavidades compreendem pelo menos: um primeiro tipo de microcavidades com uma primeira geometria; e um segundo tipo de microcavidades com uma segunda geometria diferente da primeira geometria, com diferentes formatos e/ou dimensões. Os formatos correspondem particularmente a vários cortes transversais: circular, elíptico, retangular, triangular, etc. No contexto da invenção, presume-se que as microcavidades do segundo tipo têm dimensões diferentes quando as dimensões das mesmas são maiores que o dobro (X2 = +100%) ou menores do que a metade (dividido por 2 = -50%) das dimensões médias das microcavidades do primeiro tipo.

[0029] As microcavidades são distribuídas dentro da dita zona em um padrão predeterminado de modo a formar uma rede retangular, quadrada, triangular ou hexagonal de microcavidades na superfície do material. O espaçamento entre o centro de uma microcavidade e os centros das microcavidades vizinhas dentro de um dado padrão estão entre 1 e 10 vezes o valor de uma das dimensões longitudinais (comprimento ou diâmetro) das microcavidades.

[0030] As microcavidades são distribuídas dentro da dita área em um padrão aleatório. O espaçamento entre o centro de uma microcavidade e os centros das microcavidades vizinhas compreendem aleatoriamente entre 0,1 e 10 vezes o valor de uma das dimensões longitudinais das microcavidades.

[0031] O eixo tem uma superfície externa cilíndrica inteiramente coberta pelo revestimento de superfície e pelas microtexturas.

[0032] O eixo tem uma superfície externa cilíndrica que compreende uma área localizada única coberta pelo revestimento de superfície e pelas microtexturas, essa área pelo menos parcialmente cobrindo a porção de superfície destinada a realizar fricção com o mancal.

[0033] O eixo tem uma superfície externa cilíndrica que compreende uma pluralidade de áreas distintas coberta pelo revestimento de superfície e pelas microtexturas, essas áreas pelo menos parcialmente cobrindo a porção de superfície destinada a realizar fricção com o mancal.

[0034] O revestimento de superfície antigripagem tem uma dureza de superfície que é pelo menos o dobro daquela do eixo.

[0035] O revestimento de superfície antigripagem é produzido a partir de carbono amorfo do tipo DLC.

[0036] O revestimento de superfície antigripagem é do tipo nitreto (CrN, MoN, ...).

[0037] O revestimento de superfície antigripagem é do tipo carboneto (CrC, SiC, ...).

[0038] O eixo é um eixo de pistão, alojado em um pistão e dentro de um mancal pertencente a uma biela de virabrequim.

[0039] O eixo é um eixo de braço oscilante alojado dentro de um mancal pertencente a um braço oscilante.

[0040] O eixo é um munhão alojado em um mancal de linha.

[0041] O eixo é um pino de manivela alojado em um mancal de extremidade grande.

[0042] O mancal de linha/mancal de extremidade grande pode ser equipado com casquilhos de mancal.

[0043] O mancal pode ser produzido a partir de aço, cobre ou uma liga de cobre e alumínio, ou uma liga de alumínio, ou materiais compósitos etc.

[0044] Um objeto adicional da invenção é um método para fabricação de um sistema mecânico como descrito acima, distinguido pelo fato de que compreende: uma etapa de revestir consistindo em aplicar revestimento de superfície antigripagem à dita área do eixo, e uma etapa de criação de microtexturas consistindo em formar todas as microcavidades na dita área.

[0045] De acordo com diferentes modalidades de tal método: A etapa de revestir é executada antes da etapa de criação de microtexturas.

[0046] de revestir. A etapa de criação de microtexturas é executada antes da etapa

[0047] O revestimento de superfície é aplicado somente na dita área.

[0048] As microtexturas são aplicadas somente à dita área.

[0049] O revestimento de superfície é aplicado para além da dita área

[0050] As microtexturas são aplicadas para além da dita área.

[0051] A etapa de criação de microtexturas é executada com uma instalação de criação de microtexturas que mantém configurações constantes. Por exemplos, quando a instalação de criação de microtexturas é uma máquina de ablação a laser, as mesmas configurações de potência, fluência, frequência de repetição e formatação do feixe de laser são mantidas, assim como as de movimento relativo entre o feixe de laser e o eixo, velocidade relativa entre o feixe e o eixo, e distância entre a cabeça e a superfície do eixo.

[0052] A etapa de criação de microtexturas é executada com uma instalação de criação de microtexturas configurado sucessivamente com duas configurações diferentes, ou é sucessivamente executada com duas instalações de criação de microtexturas com diferentes configurações, de modo que o conjunto de microcavidades compreenda, pelo menos: um primeiro tipo de microcavidades e um segundo tipo de microcavidades com diferentes geometrias.

[0053] Surpreendentemente, no campo de pressões de contato em que o sistema mecânico que compreende o eixo acoplado ao mancal opera, a saber, em pressões de contato médias menores que 200 MPa, a profundidade das microcavidades pode ser maior ou menor do que a espessura do revestimento sem que isso diminua as melhorias à resistência a desgaste ou gripagem apresentadas no restante do documento. De maneira similar, a ordem em que as etapas de revestimento e de criação de microtexturas são executadas não tem influência sobre a melhoria de desempenho provida pela invenção.

[0054] A invenção será mais bem compreendida mediante leitura da descrição a seguir, dada somente como um exemplo não limitante e feita com referência às Figuras anexas, em que: A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um sistema mecânico de acordo com a invenção, que compreende uma biela e um eixo de pistão de acordo com a invenção; A Figura 2 é uma vista em elevação do eixo ao longo da seta II da Figura 1; A Figura 3 é um corte transversal ao longo da linha III-III na Figura 2; A Figura 4 é uma vista em escala maior do detalhe IV na Figura 3; A Figura 5 é uma vista similar à Figura 4 para uma segunda modalidade da invenção; A Figura 6 é uma vista similar à Figura 4 para uma terceira modalidade da invenção; As Figuras 7 e 8 são vistas similares às Figuras 2 e 3 para uma quarta modalidade da invenção; As Figuras 9 e 10 são vistas similares às Figuras 2 e 3 para uma quinta modalidade da invenção; As Figuras 11 e 12 são vistas similares às Figuras 2 e 3 para uma sexta modalidade da invenção; As Figuras 13 a 18 são vistas detalhadas que mostram modalidades alternativas diferentes das microtexturas.

[0055] As Figuras 1 a 4 retratam um sistema mecânico 1 de acordo com a invenção, projetado para equipar um motor de combustão interna de um veículo motor.

[0056] O sistema mecânico 1 compreende uma biela 2 e um eixo de pistão 10, também de acordo com a invenção.

[0057] A biela 2 compreende uma extremidade grande que forma um primeiro mancal 3, e uma extremidade pequena que forma um segundo mancal 4, que compreende um anel de bronze 5 que delimita um orifício cilíndrico 6.

[0058] O eixo de pistão 10 se destina a ser instalado no mancal 4, mais especificamente no orifício 6 do anel de bronze 5.

[0059] Alternativamente, o mancal 4 pode não ter o anel 5. O eixo 10 é então alojado diretamente no orifício do mancal 4.

[0060] O eixo de pistão 10 compreende uma superfície externa cilíndrica 11 provida de uma camada fina de revestimento antigripagem 20 produzida a partir de carbono amorfo DLC. Alternativamente, o revestimento 20 pode ser produzido a partir de nitreto de molibdênio MoN ou Mo2N, ou qualquer outro material antigripagem.

[0061] O revestimento 20 constitui um tratamento de endurecimento de superfície com uma função tribológica. O revestimento 20 possibilita melhorar a resistência a gripagem do eixo 10 em comparação a um eixo não tratado. Em outras palavras, o revestimento 20 tem uma superfície externa 21 com uma resistência a gripagem melhor do que a da superfície 11.

[0062] Ademais, o revestimento 20 tem uma dureza de superfície maior do que aquela da superfície 11 do eixo 10. Preferencialmente, o revestimento 20 tem pelo menos o dobro da dureza da superfície 11.

[0063] Ademais, o revestimento 20 tem uma dureza de superfície maior do que aquela da superfície 11 da haste 10. Preferencialmente, o revestimento 20 tem pelo menos o dobro da dureza da superfície 11.

[0064] Adicionalmente, o revestimento 20 tem uma dureza de superfície maior do que aquela do orifício 6 do mancal 4. Preferencialmente, o revestimento 20 tem pelo menos o dobro da dureza do mancal 4.

[0065] Portanto, o revestimento 20 possibilita evitar gripagem do eixo de pistão 10 no mancal 4 da biela 3.

[0066] O eixo de pistão 10 compreende uma subcamada 18 formada entre a superfície 11 e o revestimento 20. A título de exemplos não limitantes, a subcamada 18 pode ser composta de cromo ou nitreto de cromo.

[0067] O eixo de pistão 10 compreende adicionalmente microtexturas externas 30 formadas por um conjunto de microcavidades separadas 31 (cavidades em escala micrométrica), distribuídas de maneira uniforme na superfície 11. As microtexturas 30 se destinam a reduzir a velocidade de desgaste do eixo revestido 10 e do mancal 4. Na prática, reduzir a velocidade de desgaste é um dos desafios principais para preservar propriedades antigripagem do revestimento 20 e manter os espaçamentos entre o eixo 10 e o mancal 4 e, portanto, preservar a função mecânica.

[0068] As microcavidades 31 formam um padrão externo descontínuo na superfície 11. As microcavidades 31 têm a mesma geometria, de formato de domo com um corte transversal circular, que delimita uma área cuja profundidade diminui da extremidade do domo para o centro.

[0069] Conforme mostrado na Figura 4, as microtexturas 30 são formadas na camada de revestimento 20, de modo que as microcavidades 31 sejam abertas na superfície 21 do revestimento 20.

[0070] Cada uma das microcavidades 31 tem dimensões substancialmente iguais, que são muito pouco diferentes tendo em vista a precisão do feixe de laser. Dentro do contexto da invenção, presume-se que as microcavidades 31 têm dimensões similares quando as variações dimensionais permanecem entre o dobro (X2 = +100%) e metade (dividido por 2 = -50%) das dimensões médias das microcavidades 31. Como um exemplo, essa definição exclui variações dimensionais na ordem do próximo decimal (X10 = +900%) ou do decimal anterior (dividido por 10 = -90%).

[0071] A fim de obter um desempenho desejado, as microcavidades 31 têm um diâmetro entre 15 e 100 micrômetros, e uma profundidade entre 50 nm e 100 μm. Quando as dimensões são menores ou maiores, o comportamento tribológico do eixo 10 no mancal 4 não é satisfatório

[0072] Vantajosamente, cada uma das microcavidades 31 tem uma razão de forma menor ou igual a 1. Essa razão de forma, definida como a razão de forma entre a profundidade e o maior comprimento, é ideal e reduz de maneira eficaz a velocidade de desgaste do revestimento antigripagem 20 no eixo 10 e do desgaste do mancal 4.

[0073] Ademais, as microcavidades 31 são distribuídas por toda a superfície 11 com uma densidade de superfície entre 5 e 30%. Essa densidade de superfície é definida como a razão entre a área da superfície 11 que é coberta pelas microcavidades 31 a a área total da superfície 11.

[0074] Na prática, a subcamada 18 é primeiro aplicada à superfície 11, por exemplo, deposição por desintegração de catodo de magnetron reativa ou não reativa.

[0075] Em seguida, a camada de revestimento 20 é aplicada sobre a camada 18, por exemplo, por deposição a vácuo de acordo com um processo de deposição física de vapor (PVD, physical vapor deposition) ou um processo de deposição química de vapor auxiliada por plasma (PACVD, plasma-assisted chemical vapor deposition).

[0076] Finalmente, a criação de microtexturas 30 é executada de maneira determinística na superfície 21 do revestimento 20, com o uso de um protocolo LASER (Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), mais especificamente chamada de ablação a laser.

[0077] Alternativamente, a criação de microtexturas 30 pode ser executada deterministicamente por replicação de deformação plástica (por exemplo, com uma ferramenta com padrões positivos de criação de microtexturas a ser executada), por tratamento química (com uma porta ou máscara), ou qualquer outra técnica que possibilite obter as características desejadas para a criação de microtexturas 30 em termos de formato, dimensões, densidade d distribuição.

[0078] No exemplo das Figuras 1 a 4, a superfície 11 é completamente coberta pelo revestimento 20 e pelas microtexturas 30. Em outras palavras, é provável que a superfície 11 inteira forme uma área de fricção 12 provida do revestimento 20 e das microtexturas 30.

[0079] Uma série de testes foi conduzida em um leito de testes dedicado a eixos de pistão, projetado para simular um tribossistema de um eixo de pistão em uma biela de virabrequim de um motor de combustão interna. Os testes têm configurações diferentes de materiais e de dimensionamento de microtexturas. Criou-se um protocolo para distinguir as várias soluções testadas.

[0080] Para cada teste, o eixo testado é produzido a partir de aço de baixa liga temperado cuja dureza de superfície é de 635 HV. O eixo e o mancal têm um diâmetro de 25 mm, com um espaçamento diametral de 20±5 μm. A largura do mancal é de 19 mm. O mancal é equipado com um anel 5 oposto ao eixo 10.

[0081] Alguns eixos têm um revestimento de carbono amorfo DLC do tipo a-C:H hidrogenado, com uma espessura de 2 μm em uma subcamada de nitreto de cromo de 0,7 μm de espessura. Outros eixos têm um revestimento de carbono amorfo DLC do tipo ta-C não hidrogenado com uma espessura de 0,7 μm em uma subcamada de Cr de cerca de 0,3 μm de espessura. A razão de dureza entre o revestimento de a-C:H de DLC e o eixo é 3,5, ao passo que a razão de dureza entre o revestimento ta-C de DLC e o eixo é 7.

[0082] As microtexturas são formadas de microcavidades em formato de domo produzidos por um laser de femtossegundo.

[0083] Os testes são executados em um ambiente aquecido a 180 °C, em uma carga de 15 kN, isto é, uma pressão de Hertz aplicada de 37 MPa, 45 MPa e 52 MPa, respectivamente, para alumínio, cobre e aço ou antagonistas de aço revestido. A duração de cada teste é de 4 horas.

[0084] Os testes são detalhados nas Tabelas 1, 2 e 3 abaixo.

[0085] A Tabela 1 mostra a influência dos materiais de superfície sobre o contato. Mais especificamente, a mesma mostra a razão de dureza dos materiais, a observação das superfícies e o dano aos revestimentos e o desgaste do eixo e/ou do mancal, caso haja. As superfícies testadas não contêm microtexturas. A razão de dureza definida pela razão de dureza entre o revestimento de eixo e o mancal varia de 1 a 20.

[0086] Todas as várias configurações de materiais não texturizados têm uma inadequação aos requisitos. Essa inadequação pode estar relacionada a desgaste de revestimento no eixo quando a dureza de revestimento de Hv1 é pelo menos o dobro daquela da superfície do mancal Hv2 (testes 1 a 3 e 5). Para uma razão de dureza Hv1/Hv2 menor ou igual a 1, a escamação do revestimento no eixo e o desgaste de mancal de 15 μm de profundidade também tornam essa configuração inadequada (teste 4).

[0087] Esses exemplos ilustram o problema apresentado por superfícies lisas e a influência da razão de dureza de antagonistas.

[0088] A Tabela 2 mostra a influência da densidade de microtexturas sobre o eixo revestido, com razões de dureza entre 5 e 16,7. Microcavidades de 50 μm de diâmetro e 500 nm de profundidade são produzidas no eixo.

[0089] Densidades entre 5 e 30% (testes 6 a 11, 14 a 17 e 19 a 22) mostram muito pouco desgaste (<0,1 μm) no revestimento de eixo, o que ilustra o efeito vantajoso obtido pela invenção. Simultaneamente, o desgaste não é mensurável no mancal. Portanto, as microtexturas de testes 6 a 11, 14 a 17 e 19 a 22 conferem proteção ao eixo revestido sem gerar danos ao mancal, independentemente da natureza do material que constitui o mancal.

[0090] Por outro lado, para uma densidade acima de 30% (testes 12, 13, 18 e 23), observa-se dano significativo ao mancal, o que faz com que essas configurações sejam consideradas inadequadas.

[0091] A Tabela 3 mostra a influência dos parâmetros dimensionais de microtexturas, isto é, o tamanho (comprimento maior) e a profundidade das microcavidades.

[0092] Os testes 24 a 32, executados com microtexturas cuja maior dimensão varia de 50 a 90 μm, até profundidades de 500 nm a 50 μm, são adequados aos critérios da invenção. Para esses testes, mediu-se muito pouco desgaste (<0,1 μm) no revestimento de eixo.

[0093] Os testes 33 e 34, conduzidos com tamanhos de microtexturas maiores que 100 μm na maior dimensão, possibilitam observar o desgaste de revestimento no eixo para testes 33 e 34, o que os torna inadequados aos requisitos da invenção.

[0094] O teste 36 é executado com a texturização macroscópica descrita na Patente FR2974399. O mesmo demonstra uma inadequação devido ao desgaste de mancal de 4 μm e ao desgaste de eixo de pelo menos 0,2 μm. A textura descrita naquele documento não atende aos critérios desejados para a invenção, a saber, à proteção a desgaste ao revestimento do eixo e do mancal.

[0095] Legenda de designações de coluna na Tabela de resultados: A Número de teste B Natureza do revestimento no eixo C Natureza do anel antagonista D Razão de dureza Hv1/Hv2 eixo - Hv1: dureza DO revestimento de superfície antigripagem do - Hv2: dureza do mancal antagonista do eixo E Tipo de texturização F Densidade das texturas (%) G Dimensões das texturas (μm) H Profundidade (μm) I Fator de forma J Desgaste de eixo K Desgaste de anel L Adequado (C) ou inadequado (NC) M Motivo da inadequação Tabela 1 - Efeitos dos materiais e respectivas durezas sobre o desgaste do eixo e do mancal

Tabela 2 - Efeitos da densidade das microtexturas sobre o desgaste do eixo e do mancal

Tabela 3 - Efeitos das dimensões das microtexturas sobre o desgaste do eixo e do mancal

[0096] Outras modalidades de um eixo 10 equipando um sistema mecânico 1 de acordo com a invenção são mostradas nas Figuras 5 a 18. Alguns elementos que formam parte do eixo 10 são comparáveis àqueles da primeira modalidade descrita acima e, a título de simplificação, usam as mesmas referências numéricas.

[0097] A Figura 5 mostra um eixo 10 sem uma subcamada entre a superfície 11 e o revestimento 20.

[0098] A Figura 6 mostra um eixo 10 para o qual a etapa de criação de microtexturas é executada antes da etapa de revestir. Uma primeira criação de microtexturas 40 formadas de microcavidades 41 é executada na superfície 11 do eixo 10. A fina camada de revestimento 20 é então aplicada à superfície 11 de modo que a superfície 21 do revestimento tenha microtexturas 30 formadas pelas microcavidades 31 que estão localizadas acima das microcavidades 41 e possuem geometria substancialmente igual. Mais especificamente, após aplicar o revestimento 20, as microcavidades 31 resultantes têm geralmente o mesmo formato, com dimensões muito pouco diferentes dada a aplicação do revestimento 20 em comparação com as microcavidades 41 iniciais.

[0099] As Figuras 7 e 8 mostram um eixo 10 cuja superfície 11 é inteiramente coberta pelo revestimento 20, ao passo que a criação de microtexturas 30 é executada somente em uma área central 12 da superfície 11. Na prática, a interface de contato entre o eixo 10 e o orifício 6 é localizado nessa área 12. Portanto, é possível reduzir o tempo e o custo de fabricação do eixo 10 limitando-se as microtexturas 30 a esta área 12.

[00100] As Figuras 9 e 10 mostram um eixo 10 que compreende duas áreas 12 distintas tratadas de acordo com a invenção. As áreas 12 são localizadas na parte central do eixo 10 em dois setores angulares opostos. Cada uma das áreas 12 é provida de um revestimento 20 e microtexturas 30, ao passo que o resto da superfície 11 não recebe tratamentos 20 e 30, mas pode receber outros tratamentos. Por exemplo, cada setor angular pode se estender ao longo de um ângulo entre 15° e 160°. Alternativamente, o eixo 10 pode compreender uma única área 12, que se estende, por exemplo, ao longo de um setor angular entre 15° e 240°.

[00101] As Figuras 11 e 12 mostram um eixo 10 para o qual os tratamentos 20 e 30 são executados somente em uma área central 12 ao passo que o resto da superfície 11 não recebe os tratamentos 20 e 30, mas pode receber outros tratamentos.

[00102] No contexto da presente invenção, uma “área 12” é definida como uma superfície do eixo 10 coberta tanto pelo revestimento 20 quanto pelas microtexturas 30. O revestimento 20 pode se estender para além da dita área 12. De maneira similar, as microtexturas 30 podem se estender para além da dita área 12.

[00103] Preferencialmente, a área 12 corresponde a uma área de fricção entre o eixo 10 e o mancal 4. A área 12 pode se estender para além da área de fricção em comprimentos variáveis. A área 12 pode também corresponder a somente uma parte da área de fricção. Nesse caso, o restante da área de fricção pode ser coberto somente com o revestimento 20 ou somente com as microtexturas 30, ou pode até não ser modificado de nenhuma forma.

[00104] A Figura 13 mostra microtexturas 30 formadas de microcavidades 32 na forma de estrias alongadas, com um corte transversal retangular.

[00105] A Figura 14 mostra microtexturas 30 formadas de microcavidades 33 com um corte transversal triangular.

[00106] A Figura 15 mostra microtexturas 30 formadas de microcavidades 34 com um corte transversal elíptico.

[00107] A Figura 16 mostra microtexturas 30 formadas de microcavidades 31 e 35 de dois tipos diferentes. As microcavidades 31 e 35 têm cortes transversais circulares, mas o diâmetro das microcavidades 31 é maior do que o diâmetro das microcavidades 35. As microcavidades 31 e 34 têm dimensões diferentes.

[00108] No contexto da invenção, presume-se que as microcavidades 35 do segundo tipo têm dimensões diferentes quando as dimensões das mesmas são maiores que o dobro (X2 = +100%) ou menores do que a metade (dividido por 2 = -50%) das dimensões médias das microcavidades 31 do primeiro tipo. No caso presente, o diâmetro de as microcavidades 35 é menor do que a metade do diâmetro das microcavidades 31.

[00109] A Figura 17 mostra microtexturas 30 formadas de microcavidades 31 e 34 de dois tipos diferentes. As microcavidades 31 têm um corte transversal circular, ao passo que as microcavidades 34 têm um corte transversal elíptico. As microcavidades 31 e 34 têm formatos diferentes.

[00110] Nas Figuras 16 e 17, as microcavidades de tipos diferentes são distribuídas de forma alternada em fileiras regulares. Alternativamente, as microcavidades de diferentes tipos podem ser distribuídas deterministicamente em outros padrões geométricos.

[00111] A Figura 18 mostra microtexturas 30 formadas de microcavidades 31 distribuídas de maneira aleatória, e não de maneira predeterminada. Como um exemplo não limitante, tal padrão aleatório pode ser obtido por um processo de jateamento do tipo shot peening.

[00112] Nas Figuras 16 e 17, as microcavidades de tipos diferentes são distribuídas de forma alternada em fileiras regulares. Alternativamente, as microcavidades de diferentes tipos podem ser distribuídas deterministicamente em outros padrões ou distribuídas aleatoriamente como na Figura 18.

[00113] Independentemente da modalidade, o sistema mecânico 1 se destina a operar sob pressões de contato médias abaixo de 200 MPa na interface entre o mancal 4 e o eixo 10, que compreende pelo menos uma área 12 provida tanto de um revestimento de superfície antigripagem 20 com uma dureza de superfície que é pelo menos o dobro da dureza de superfície 11 do eixo 10, quanto de microtexturas 30 formadas de um conjunto de microcavidades separadas, distribuídas descontinuamente dentro da dita área 12.

[00114] Na prática, o sistema mecânico 1 pode ser configurado diferentemente das Figuras 1 a 18 sem afastamento do escopo da invenção.

[00115] Além do mais, as características técnicas das várias modalidades e variantes mencionadas acima podem, como um todo ou em parte, serem combinadas umas com as outras.

[00116] Portanto, o sistema mecânico 1 e o método de produção do mesmo podem ser adaptados em termos de custo, funcionalidade e desempenho.

Claims (15)

1. Sistema mecânico (1) que compreende um mancal (4) e um eixo (10) acoplado ao mancal (4), equipando um motor de combustão interna, o referido sistema mecânico sendo submetido a pressões de contato médias menores que 200 MPa, caracterizado pelo fato de que o eixo (10) compreende pelo menos uma área (12) provida de: um revestimento de superfície antigripagem (20), com uma dureza de superfície pelo menos o dobro daquela do mancal (4), e uma microtextura (30) formada por um conjunto de microcavidades separadas (31, 32, 33, 34, 35) distribuídas pela dita área (12).

2. Sistema mecânico (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o revestimento de superfície antigripagem (20) do eixo (10) tem uma dureza de superfície pelo menos três vezes aquela do mancal (4).

3. Sistema mecânico (1) de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o revestimento de superfície antigripagem (20) do eixo (10) tem uma dureza de superfície que é pelo menos seis vezes aquela do mancal (4).

4. Sistema mecânico (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que cada uma das microcavidades (31, 32, 33, 34, 35) tem um comprimento maior entre 15 e 100 micrômetros, e uma profundidade entre 50 nm e 100 μm.

5. Sistema mecânico (1) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que cada uma das microcavidades (31, 32, 33, 34, 35) tem uma razão de forma menor ou igual a 1, definida como a razão entre a profundidade e o comprimento maior.

6. Sistema mecânico (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as microcavidades (31, 32, 33, 34, 35) são distribuídas dentro da dita área (12) com uma densidade de superfície entre 5 e 30%, essa densidade de superfície sendo definida como a razão da área total coberta pelas microcavidades (31, 32, 33, 34, 35) para a área total da dita área (12) incluindo as microcavidades (31, 32, 33, 34, 35).

7. Sistema mecânico (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que as microcavidades (31, 32, 33, 34, 35) são distribuídas dentro da dita área (12) em um padrão predeterminado de modo a formar uma rede retangular, quadrada, triangular ou hexagonal de microcavidades na superfície, com espaçamento entre o centro de uma microcavidade e os centros das microcavidades vizinhas dentro de um único padrão que é entre 1 e 10 vezes o valor das dimensões longitudinais das microcavidades.

8. Sistema mecânico (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o eixo (10) tem uma superfície externa cilíndrica (11) completamente coberta pelo revestimento de superfície (20) e as microtexturas (30).

9. Sistema mecânico (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o eixo (10) tem uma superfície externa cilíndrica (11) que compreende uma única área (12) localizada coberta pelo revestimento de superfície (20) e as microtexturas (30), essa área (12) cobrindo pelo menos parcialmente a porção da superfície (11) destinada a friccionar contra o mancal (4).

10. Sistema mecânico (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o eixo (10) tem uma superfície externa cilíndrica (11) que compreende diversas áreas distintas (12) cobertas pelo revestimento de superfície (20) e as microtexturas (30), essas áreas (12) cobrindo pelo menos parcialmente a porção da superfície (11) destinada a friccionar contra o mancal (4).

11. Método para fabricação do sistema mecânico (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que compreende: uma etapa de revestir o eixo (10), que consiste em aplicar o revestimento de superfície antigripagem (20) dentro da dita área (12) do eixo (10), e uma etapa de criar microtexturas no eixo (10), que consiste em formar todas as microcavidades (31, 32, 33, 34) dentro da dita área (12) do eixo (10).

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de revestir é executada antes da etapa de criar microtexturas.

13. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a etapa de criar microtexturas é executada antes da etapa de revestir.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que a etapa de criação de microtexturas é executada com uma instalação de criação de microtexturas mantendo configurações constantes.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que a etapa de criação de microtexturas é executada com uma instalação de criação de microtexturas configurada sucessivamente com duas configurações diferentes, ou é sucessivamente executada com duas instalações de criação de microtexturas com configurações diferentes, de modo que todas as microcavidades (31, 32, 33, 34, 35) compreendam pelo menos: um primeiro tipo de microcavidades (31) e um segundo tipo de microcavidades (34; 35) com diferentes geometrias.

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