Avaliando modelos de contato rugosos para simulações tribodinâmicas multicorpos de mecanismos manivela-biela-pistão. - Nascimento, Isaac Vinícius do (2024)
As atuais demandas tecnológicas associadas a legislações ambientais mais rigorosas têm provocado alterações e impactos no projeto de componentes de engenharia que operam sob elevadas cargas termomecânicas e estão submetidos a fenômenos multifísicos complexos que afetam seu desempenho e durabilidade. Por exemplo, o mecanismo biela-pistão-cilindro em motores de combustão interna e compressores herméticos alternativos experimentam efeitos de atrito, desgaste e lubrificação nas juntas de revolução, influenciando significativamente o desempenho geral do sistema. Para projetar e otimizar tais componentes no contexto do rápido avanço de possíveis soluções tribológicas, os engenheiros precisam de ferramentas de simulação precisas e rápidas que possam capturar o comportamento tribodinâmico do sistema sob condições de trabalho realistas. Em particular, nos casos de sistemas que trabalham sob condições de lubrificação mista, as ferramentas de simulação atuais baseiam-se frequentemente em modelos de contato rugoso simplificados que não levam em consideração a deformação elastoplástica das asperezas da superfície, levando a previsões imprecisas de cargas e tensões de contato. Portanto, há uma necessidade de modelos tribodinâmicos que possam representar o regime de lubrificação mista e a mecânica de contato rugoso de forma mais realista e computacionalmente eficiente. Neste contexto, o presente estudo buscou analisar o comportamento tribodinâmico de um mecanismo crank-slider com juntas com folga lubrificadas operando sob condições de lubrificação mista. Para tanto, é proposta uma metodologia de modelagem tribodinâmica multicorpos que acopla os fenômenos tribológicos em juntas com folga lubrificadas com o modelo dinâmico de sistemas multicorpos, utilizando o formalismo da dinâmica multicorpos. Um modelo de lubrificação mista baseado na equação de Reynolds com modelagem de cavitação de filme fluido que atende ao princípio de conservação de massa e modelos de contato rugoso elástico e elastoplástico são implementados e utilizados para calcular os carregamentos hidrodinâmico e de contato entre as asperezas. Uma análise comparativa é realizada para avaliar a influência do modelo de contato no desempenho do sistema, considerando três configurações de juntas de revolução com folga lubrificadas. Os resultados da simulação indicam diferenças significativas, entre os modelos elástico e elastoplásticos estudados, no desempenho tribológico e no comportamento dinâmico das juntas. Em particular, para a configuração do mecanismo com todas as juntas com folga, a junta bloco - manivela (B-CS) foi a mais solicitada, sendo possível observar variações da ordem de mais de -50 % de diferença entre os modelos elástico e elastoplásticos no parâmetro de mínima espessura de filme de óleo (MOFT), quando os valores de aproximação de superfície foram baixos (h/ < 2), resultando em significantes diferentes picos de pressão e de perda de potência por contato. No geral, devido à robustez das formulações matemáticas e dos mecanismos físicos considerados, sugere-se a utilização dos modelos elastoplásticos KE ou JG quando se desejam análises tribodinâmicas multicorpos mais detalhadas, especialmente aquelas que envolvem efeitos de desgaste e falha.