Estudo dos sistemas de lubrificação

[Gabriel Capucho]

O que aprendi com o regulamento FSAE 2027:

GR.4.3.1 The Formula SAE Rules are the top level document and have priority over other levels of documents

GR.1.5 Good Engineering Practices Vehicles entered into Formula SAE competitions should be designed and fabricated in accordance with good engineering practices.

GR.2.2.1 SAE International and other competition organizing bodies may impound any onsite vehicle or part of the vehicle at any time during a competition

Todos os carros devem ser construídos com base em boas práticas de engenharia. Todos os participantes da equipe presentes nas competições estão sujeitos às punições e regulamentos da competição. A qualquer momento peças ou o veículo podem ser recolhidos e o acesso a estas pode ser permanentemente proibido pelo término da competição. A conduta dos membros da equipe é continuamente avaliada e qualquer atitude antidesportiva classifica a eliminação do campeonato.

GR.6.4.1 Unless otherwise specified, all rules apply to all vehicles at all times.

Toda fabricação e projeção de peças deve ser realizada por estudantes, profissionais e docentes podem auxiliar com informações e ideias, desde que sejam avaliadas pelos membros da equipe. Toda busca por informação é válida no âmbito acadêmico para projeção do veículo.

GR.9.1.4 Student Fabrication Students should do all fabrication tasks

Para ser elegível a participar o membro da equipe deve ter no mínimo 18 anos completos e estar cursando a universidade que está(ão) sendo representada(s) pela equipe em que este faz parte. Alunos graduados até 7 meses antes da competição permanecem elegíveis a participar da competição.

GR.9.3.1 Only First Year Vehicles may enter the Formula SAE Competitions

Todos os veículos utilizados na competição devem possuir um chassi novo a cada ano, não sendo permitido repetir de um ano de competição para outro, salvo exceções previamente autorizadas.
Todo o dimensionamento do veículo e peças presentes neles são regulamentados pela FSAE e devem constar em documentos enviados à organização.

O que aprendi com o TCC de Nathan Borges Rodrigues e Samuel Guimarães Batista Nogueira/ Aulas sobre injeção e lubrificação/ Curso do Hotmart

Os motores utilizados na FSAE são MCI de combustão interna de 4 tempos, respeitando o ciclo OTTO. Dentre todos os sistemas que regem o funcionamento do propulsor, um deles é o de lubrificação, ênfase do estudo. Este sistema é responsável por reduzir o desgaste das peças criando um filme de óleo entre as peças móveis do motor, utilizando do princípio de hidrodinâmica e alternativas de alimentação de óleo, como lubrificação por salpico onde a biela encosta no nível de óleo do carter, lubrificação por pressão, sendo a mais utilizada e a lubrificação por mistura, onde combustível e óleo se misturam na câmara de combustão. A lubrificação pressurizada consiste em uma bomba que alimenta as galerias que percorrem todo o bloco, cabeçote e comando de válvulas, mancais do virabrequim,mancais de biela e acessórios do motor.
Ambas as formas de lubrificação possuem um armazenamento do fluido lubrificante, chamado cárter, que possui diversas disposições e geometrias. Nele, está anexada a bomba de óleo que pressurizando o fluido, o distribui para as galerias principais e subsequentes do propulsor. Junto da bomba de óleo encontram componentes auxiliares como pescador e filtro de óleo que, fazem a sucção de óleo do reservatório cárter e retiram qualquer impureza que esteja presente ou em suspensão no fluido lubrificante.
Existem dois tipos de cárter que neste caso não está relacionado com sua geometria, diretamente. São eles: cárter úmido e cárter seco.
O modelo cárter úmido consiste no reservatório principal de todo óleo disponível na lubrificação das peças móveis.Existe uma bomba logo acima do cárter e um pescador que fica em contato com o nível de óleo, succionando fluido lubrificante para a bomba que distribui ao motor, passando pelo filtro de óleo, galerias principais, acessórios e retornando ao cárter, fechando o ciclo. Neste sistema, o cárter se dispõe na parte inferior do motor e com geometria que impossibilita acelerações laterais sem inclinação do corpo propulsor em conjunto. Por se tratar do impulsor da CBR 600 RR que faz parte de uma motocicleta, este sofre uma inclinação quando se realiza uma aceleração lateral, mantendo alinhadas no centro a resultante das forças e permitindo que a lubrificação seja realizada sem perdas de pressão de óleo.
Em contrapartida, o veículo utilizado pela equipe é um veículo 4 rodas, descartando o efeito de contra esterço realizado nas curvas, ocasionando no efeito de sloshing, ou acúmulo de óleo em uma das paredes por movimento de onda no interior do cárter ocasionando a queda da pressão de óleo, falta de lubrificação nas galerias e ressecamento do pescador. Esses fatores convergem para desgaste prematuro dos componentes móveis por atrito e danos graves aos pistões, mancais, bielas, válvulas e comando e até mesmo travamento do motor.
A solução encontrada pelo membro “Dudu” da equipe , foi substituir o cárter úmido pelo sistema de cárter seco, onde agora o óleo se encontra armazenado em um reservatório externo e o cárter serve como passagem temporária para o fluido lubrificante e mantém o ciclo de lubrificação. Neste sistema, existe uma bomba que ao invés de pressurizar óleo para as galerias do motor diretamente, envia para o reservatório , esvaziando continuamente o cárter do motor. Esse reservatório possui geometria cilíndrica e está disposto de forma vertical, que favorece o efeito ciclone, aumentando a velocidade vertical do escoamento do fluido através de movimentos cicloidais pelas paredes do componente, então o óleo afunilando na base do reservatório, é bombeado por outra bomba presente na saída que alimenta o propulsor e acessórios, retornando ao cárter e fechando o ciclo e eliminando o efeito sloshing, mantendo a pressão de óleo em níveis de trabalho durante toda a prova e qualquer aceleração lateral ou longitudinal que o carro possa realizar.
Posteriormente, Nathan e Samuel estudaram propriedades dos lubrificantes como: fluidez, oleosidade, inflamação, detergência e viscosidade, cuja análise conjunta destas características auxilia a definir o lubrificante ideal para as condições de trabalho do motor.
Ponto de inflamação em que o óleo sofre combustão
Ponto de fluidez é a temperatura mínima que o óleo flui apenas com a força da gravidade
Oleosidade é a aptidão do fluido nas galerias e superfícies.
Detergência é a capacidade de solvência de depósitos que durante o funcionamento do motor. Viscosidade é a facilidade que o óleo flui, sendo classificado como a característica mais importante do lubrificante.
Continuando o estudo, os acadêmicos abordaram as falhas de lubrificação que por ventura podem ocorrer durante o funcionamento ou projeção do propulsor. A primeira intercorrência abordada foi o Scuffing, que consiste no desgaste adesivo da parede do pistão em razão da falha do filme de óleo , e posteriormente o anel de lubrificação encosta na camisa do cilindro. A segunda falha abordada foi Pitting nos tuchos que ocasiona pequenos orifícios na peça afetada pela interação cíclica entre componentes e ocorre principalmente no tucho e eixo do comando de válvulas e causado pelo posicionamento incorreto do tucho, inadequado o filme de óleo que circula na região. Prosseguindo, abordaram a corrosão de bronzinas que possui como precursor o contato do lubrificante com ar, água ou agentes externos indesejados e intensificado pela alta temperatura de trabalho do motor, tornando o filme de lubrificação da bronzina um local corrosivo e por estar em contato contínuo com este, sofre fortemente o efeito. Por isso, é necessário sempre se atentar à duração do óleo no motor em relação a frequência de troca, manter filtros de óleo limpos e frequentemente trocados e garantir vedação total das galerias de lubrificação, impedindo que outro fluido entre no sistema. Em uma parte do presente estudo, abordaram as relações de lubrificação e eficiência do motor, destacando o IMEP, BMEP , FMEP e que toda máquina térmica têm descontado de seu trabalho realizado a potência efetiva por perdas térmica e mecânica.

O que aprendi com o projeto inicial do cárter seco
O projeto do cárter seco veio como alternativa utilizando conceitos de engenharia para solucionar o problema de queda de pressão de óleo que o motor sofria pelo efeito sloshing. Ele consiste em um sistema que o cárter possui dimensões rasas, pois não irá mais comportar o fluido lubrificante. A presença de uma bomba secundária na saída do cárter possui o papel de bombear o óleo para um reservatório externo, que ficou perpendicular ao eixo horizontal do carro. Esse reservatório possui geometria cilíndrica, alta e estreita, capacidade de 2.9 litros que se adequa ao manual da moto e à relação de metros percorridos de fluido no motor com a capacidade do reservatório. Existe também um volume de ar acima do nível de óleo que corresponde a 1 terço do volume de fluido, que foi corrigido posteriormente por ser insuficiente e ocasionar picos de pressão no sistema de lubrificação. A entrada de fluido ocorre por uma conexão tangencial à parede do reservatório para promover o escoamento cicloidal junto às paredes e facilitar tanto a dissipação de ar que é succionado em conjunto ,quanto o crescimento da velocidade que o óleo flui em direção ao fundo do reservatório. O diâmetro da entrada é propositalmente menor para dificultar a passagem de ar e gases para o interior do reservatório. Existem defletores paralelos ao fundo do reservatório em seu interior que reduzem o deslocamento do fluido em acelerações laterais de maior intensidade. As conexões são: An10 para entrada e An12 para saída. Na base inferior do cilindro, está uma segunda bomba que abastece as galerias do motor e acessórios com o fluido lubrificante. O abastecimento do sistema de lubrificação do motor é feito em ¾ do volume de óleo diretamente no reservatório e ¼ na região inferior do motor para que na partida inicial do motor nenhuma das bombas trabalhem secas. Existe um tubo plástico exterior e aderido à parede do reservatório que indica o nível de fluido no interior, acessório este regulamentado pela FSAE. Neste sistema, o cárter age como uma “conexão” da parte inferior do motor com o reservatório e não como um reservatório, igual nos motores convencionais e no projeto inicial do motor utilizado. Ressalta-se que existem outras alternativas para solução do problema como por exemplo, utilizar maiores quantidades de óleo no motor para que o efeito sloshing demore mais para porém não adentravam conhecimentos de engenharia como a estratégia utilizada.
Existe ainda uma necessidade de se aprofundar estudos sobre escoamento por ciclone, otimização na geometria do reservatório para aumentar sua eficiência em separar o óleo das bolhas de ar dissolvidas, além de aliviar o peso do carro. Estas e outras adequações de dimensionamento adentram meu projeto de trainee.