A partir desta edição contamos com a colaboração do engenheiro Antonio Lenda. Esta é a primeira parte de seu artigo sobre vibrações, um tema importante para se evitar a perda de horas de serviço, bem como custos elevados.

Os problemas relacionados com vibração provocam, normalmente, a perda de muitas horas de serviço até que as causas sejam encontradas e corrigidas. O custo das horas dispendidas para solucionar o problema, além do tempo de equipamento parado, faz com que este assunto mereça a devida importância.

As vibrações geradas por um determinado modelo de motor de combustão interna e os métodos utilizados para minimizá-los ou anulá-los, são problemas dos engenheiros projetistas de motores. Por outro lado, mesmo sem conhecer esses problemas de engenharia, o especialista em motores deve ter conhecimento sobre as vibrações mais comuns no motor diesel.

São dois os tipos de vibrações geradas pelo motor e que devem ser anuladas: as vibrações lineares e as vibrações torcionais. Para compreender melhor o funcionamento dos dispositivos balanceadores e amortecedores, devemos conhecer um pouco da teoria sobre vibrações.

Vibração

Qualquer sistema mecânico que possua massa e elasticidade pode apresentar movimento relativo. Esse movimento é denominado vibração e volta a se repetir após um curto período de tempo. Um motor produz vários tipos de vibrações durante a sua operação, devido às forças desenvolvidas durante a combustão , reação ao torque aplicado, tolerância de fabricação dos componentes rotativos, etc.

Para ilustrar o que vem a ser vibração, vamos usar um peso (massa) (Fig. 1) colocado na extremidade de uma mola (elasticidade). O peso permanece em repouso pelo período de tempo em que não existir uma força externa que provoque movimento do conjunto, desta forma o fenômeno de vibração não existe.

Quando o peso é deslocado de sua posição de repouso e solto, ocorre a vibração. O peso irá manter um movimento alternativo em torno de sua posição de neutro (repouso), até que a força de atrito force-o a parar.

O sistema ilustrado na figura é um exemplo típico de "vibração livre". Se uma força externa permanecer atuando sobre o conjunto, esta provocará o que se denomina "vibração forçada". Devido ao fato de ocorrer sobre um eixo reto, o movimento do peso também é denominado de "vibração linear".

Em um equipamento ou motor esse tipo de vibração é identificado pelo ruído ou pela trepidação. Sua origem e natureza são difíceis de serem definidas sem os instrumentos adequados. Os sentidos humanos não têm capacidade para perceber a relação entre a magnititude da amplitude e o período de ocorrência de um ciclo. Para que possamos pesquisar anomalias provocadas pelas vibrações, devemos conhecer suas grandezas fundamentais.

Grandezas Fundamentais da Vibração

O tempo requerido para que o peso complete um ciclo integralmente é denominado de "período". Se o peso necessita de um segundo para completar um ciclo, a "freqüência"da vibração deste sistema é de um ciclo por segundo, portanto, "freqüência"; é a quantidade de ciclos completados na unidade de tempo.

A distância total percorrida pelo peso, que vai de um pico até o oposto, é denominada "amplitude de pico a pico", medida em mils, onde mil é igual a 0,001 pol. A média ou "root-mean-square" (RMS) também é utilizada para medir vibração (1 RMS = 0,707 vezes a amplitude de pico a pico). Essas medidas, embora importantes na teoria, possuem valores práticos limitados. (Fig. 3)

Outro método comum de se medir a magnititude da vibração é através de sua "velocidade". Note que no exemplo proposto não existe somente movimento mas, também, a mudança de sentido. Isto significa que a velocidade do peso se altera constantemente. Nos limites do movimento, a velocidade é zero. No ponto médio do percurso, a sua velocidade é máxima.

A velocidade é, pois, uma característica extremamente importante da vibração e, pelo fato de não ser constante, foi escolhido um ponto para especificá-la: é quando o peso passa pelo ponto médio de sua trajetória. A velocidade é expressa em polegadas por segundo.

A "aceleração da vibração", outra característica importante, é a taxa (razão) de mudança de velocidade. No exemplo, observe que a aceleração é máxima no limite de curso onde a velocidade é zero. Assim que a velocidade aumenta, a aceleração diminui até chegar ao valor zero no ponto médio do curso. ( Fig. 4)

A aceleração é medida em unidades "g". Um unidade "g" é igual à força de gravidade na superfície da Terra (980,65 cm/seg2; 386 pol/seg2, 32,174 pés/seg2). A relação entre a velocidade máxima e a amplitude de pico a pico é dada por:
Vmax = 52,36 D.F. 10-6 onde:
Vmax = velocidade máxima da vibração em pol/seg2.
D = amplitude de pico a pico em mils (0,001 pol).
F = freqüência em ciclos por minuto (cpm).

A medida da aceleração ou "gs" é comumente utilizada onde as forças relativamente grandes são aplicadas. Em freqüências altas (em torno de 60.000 cps), essa é a melhor maneira de se quantificar a vibração. A aceleração pode ser calculada por:
Gmax = 142. D.F2. 10-8 onde :
Gmax = aceleração máxima dada em pol/seg2.
D. = amplitude de pico a pico em mils (0,001 pol).
F = freqüência em ciclos por segundo (cpm).

Fontes de Vibrações

No motor de combustão interna, as vibrações são provocadas pela força gerada pela expansão dos gases durante a combustão, pela inércia dos componentes em movimentos alternativos e pela força centrífuga gerada pela rotação do virabrequim. (Fig. 5)

Os contra-pesos têm a finalidade de balancear a força centrífuga gerada pelo virabrequim. Auxiliam a minimizar as forças de inércia, que são geradas pelo movimento da biela e do pistão, devido à existência do braço de alavanca girando a altas rotações. Essa força é mais intensa quando o pistão está próximo a um dos pontos mortos em cada ciclo e tem que inverter o sentido do seu movimento, em alta velocidade.

Qualquer concentração de massa (como um compressor de ar) montada sobre um motor, irá vibrar com uma freqüência qualquer quando submetida a um movimento súbito. A freqüência na qual um componente entra em vibração é denominada de "natural". Se existir uma fonte externa (no caso o motor diesel) vibrando na mesma freqüência, o compressor terá a sua amplitude de vibração aumentada. Esta condição é conhecida como ressonância.

Algumas vibrações verticais e torcionais requerem métodos especiais para serem compensadas e amortecidas. Se isso não for conseguido, o resultado pode ser a fadiga e a falha prematura de algum componente do motor ou do equipamento.

Os dispositivos utilizados para minimizar as vibrações geradas em um motor de combustão interna são os balanceadores e os amortecedores, termos freqüentemente usados como sinônimos, mas que, na realidade, têm finalidades completamente diferentes. Os balanceadores são utilizados para minimizar as vibrações lineares, enquanto os amortecedores são utilizados para anular as vibrações torcionais. As vibrações lineares são mais críticas nos motores de quatro cilindros e nos motores de oito cilindros em "V" de 60º.

Engenheiro Antonio Lenda,
consultor da SET POINT.