Quando um veículo elétrico acelera, o motor gera forças máximas e enormes pressões atuam nas engrenagens do sistema de transmissão elétrico. Superfície encontra superfície, metal encontra metal. Se não houvesse película lubrificante para permitir que as engrenagens deslizassem mais facilmente, elas não apenas ficariam extremamente quentes, mas também se desgastariam rapidamente. "Sem uma película lubrificante, muitas coisas em nossa vida cotidiana seriam mais lentas, mais estridentes e mais bruscas", explica o Prof. Michael Moseler, Chefe da Unidade de Negócios de Tribologia do Fraunhofer IWM.



“O veículo elétrico certamente nunca alcançaria uma autonomia tão alta”, acrescenta o Dr. Kerstin Falk, que chefia a equipe de “Projeto de Lubrificação Molecular”. Juntos, eles estão pesquisando o comportamento de filmes lubrificantes em contatos tribológicos altamente tensionados, a fim de prever sua adequação para operação de baixo atrito.

Quer o material em questão seja metal, plástico ou cerâmica, a lubrificação ideal pode economizar mais de 20% de energia, pois as máquinas funcionam com menos resistência. Este também é um campo de pesquisa promissor em termos de sustentabilidade.

Não é, portanto, de admirar que as empresas parceiras do MicroTribology Center µTC, uma colaboração entre o Fraunhofer IWM e o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), estejam muito interessadas em reduzir ao máximo o atrito nos seus sistemas.

"Muitos sistemas tribológicos estão agora sendo projetados em seu limite de carga, onde ocorrem espessuras de filme lubrificante na faixa nanométrica e pressões na faixa gigapascal. Nossos parceiros estão se perguntando como calcular o atrito em um componente com contatos tribológicos altamente carregados, como convencionais abordagens de cálculo dinâmico de fluidos falham nessas condições extremas", diz Kerstin Falk, resumindo o problema.

Juntamente com sua equipe de simulação no MicroTribology Centrum μTC, Falk e Moseler encontraram uma resposta para esta pergunta. Eles publicaram suas pesquisas em Science Advances .

Compreender e otimizar o atrito

A forma como o atrito pode ser calculado e, portanto, mantido o mais baixo possível depende do regime de lubrificação que a empresa pretende para os seus componentes. Normalmente, ele deseja acionar seus tribossistemas – onde uma força pressiona os corpos primário e contra-corpo – sob condições elastohidrodinâmicas.

Uma película lubrificante, cuja espessura é muito maior que a rugosidade das duas superfícies, tem como objetivo reduzir o atrito. Neste caso, o atrito pode ser previsto com precisão usando uma abordagem de mecânica contínua. Isto envolve resolver a chamada equação de Reynolds para o lubrificante, que Osborne Reynolds derivou em 1886.

Além disso, são calculadas a equação de condução de calor para o sistema global e as equações elásticas lineares para ambas as superfícies. Os únicos dados materiais necessários são os módulos de elasticidade e as relações de Poisson dos parceiros de atrito, condutividades térmicas e capacidades térmicas de todos os materiais envolvidos, bem como leis constitutivas precisas - para a densidade do fluido e para sua viscosidade dinâmica para um campo de parâmetro consistindo em pressão, temperatura e taxa de cisalhamento local no fluido. Este é o estado da arte.

Entretanto, se o sistema tribológico for operado em lubrificação limite, com um filme lubrificante muito fino no qual os contatos de aspereza, ou seja, os picos de rugosidade, são separados apenas por algumas camadas atômicas do lubrificante, apenas um coeficiente de atrito aproximadamente estimado é válido. usado nos cálculos para os pontos de contato "secos".

“Isso é muito insatisfatório porque os cálculos com parâmetros de materiais estimados são imprecisos, levam a projetos abaixo do ideal e, em última análise, custam muito dinheiro às empresas”, diz Michael Moseler.

Kerstin Falk e Michael Moseler não ficaram satisfeitos com isso:Juntamente com quatro empresas parceiras do MicroTribology Centrum µTC, eles pesquisaram sua própria lei matemática para o comportamento de filmes lubrificantes extremamente finos em um projeto de três anos e desenvolveram ainda mais a equação de Reynolds, então falar. “Queríamos entender como o atrito se comporta na lubrificação limite”, explica Moseler.

O objetivo do projeto é esclarecer abaixo em qual espessura do filme lubrificante a mecânica do contínuo falha e como as equações subjacentes podem ser estendidas para que um filme lubrificante mais fino que a rugosidade da superfície possa ser calculado.

Para tanto, foi calculada a dinâmica molecular de um lubrificante hidrocarboneto em uma geometria de contato aspereza, por exemplo, duas superfícies de carbono tipo diamante (DLC) lubrificadas com um óleo base de polialfaolefina (PAO). Os resultados da simulação de dinâmica molecular foram então comparados com os da equação de Reynolds.

O resultado retumbante:para pressões entre os parceiros de atrito abaixo de 0,4 gigapascais e alturas de folga de lubrificação superiores a 5 nanômetros, a descrição de Reynolds concorda bem com os cálculos de referência de dinâmica molecular, desde que seja usada uma lei constitutiva exata para a viscosidade do lubrificante.

Em contraste com isto, Kerstin Falk e Michael Moseler conseguiram demonstrar que sob condições extremas de lubrificação, nomeadamente altas pressões de aprox. 1 gigapascal e pequenas alturas de folga de lubrificação de aprox. 1 nanômetro, a aderência do lubrificante às superfícies é reduzida e, portanto, o deslizamento entre um parceiro de atrito e o lubrificante deve ser incluído no cálculo para prever corretamente o atrito.

Isto requer uma lei de deslizamento não linear da parede. Isto relaciona as velocidades de deslizamento da parede (isto é, a diferença de velocidade entre um parceiro de atrito e o lubrificante adjacente) às tensões de cisalhamento locais no filme lubrificante.

Avanço na tribologia:tornando previsível o atrito dos limites

Com estes resultados de pesquisa, os pesquisadores apresentam agora um método inovador para prever o atrito sob condições limite de lubrificação. Uma informação adicional necessária para esta modelagem contínua preditiva não empírica de contatos tribológicos altamente carregados é a estrutura atômica das superfícies de atrito. Isto é determinado através de análises experimentais aprofundadas e é um pré-requisito para a lei de deslizamento da parede.

As novas descobertas do Fraunhofer IWM estão agora a ser utilizadas em projetos de acompanhamento para prever coeficientes de atrito e comportamento de atrito em aplicações específicas – por exemplo, em engrenagens e rolamentos – bem como para apoiar os parceiros de investigação na construção de conhecimentos especializados em simulação.

Eles podem então realizar simulações de componentes e bancadas de testes, reduzir incertezas no projeto de sistemas tribológicos e determinar com mais precisão os parâmetros de projeto. Este é um passo essencial em direção ao projeto de lubrificantes, superfícies e componentes baseado em conhecimento e deve ser extremamente interessante para fabricantes de lubrificantes e revestidores, bem como para fabricantes de rolamentos e engrenagens.

Mais informações: Andrea Codrignani et al, Rumo a uma descrição contínua da lubrificação em constrições nanométricas altamente pressurizadas:A importância de leis de escorregamento precisas, Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2649
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