BRPI0901045A2 - anel de controle de óleo (1) formado por, um corpo ferroso com altura menor que 2.0 milìmetros para motores de combustão interna - Google Patents

Abstract

ANEL DE CONTROLE DE óLEO (1) FORMADO POR, UM CORPO FERROSO COM ALTURA MENOR QUE 2.0 MILìMETROS PARA MOTORES DE COMBUSTãO INTERNA A presente invenção refere-se a um anel de controle de óleo (1) formado por um corpo ferroso com altura menor que 2.0 milímetros, ideali- zado para motores de combustão interna, que compreende duas superfícies de contato externas (102) onde cada superfície (102) contém uma primeira (22) e uma segunda (23) arestas de extremidade, duas faces inclinadas (3) onde cada face inclinada (3) contém uma terceira extremidade (32), uma seção transversal periférica (4) voltada para a parede do cilindro (5) e uma seção circular interna (6) voltada para o lado do pistão (7), onde cada super- fície de contato (102) possui, uma altura (h) entre a primeira (22) e a segunda (23) arestas de extremidade compreendida em até 0.15 milímetros e o ângulo da face inclinada (3) estar compreendido entre 8 e 12 graus e ainda pela seção transversal periférica (4) ser maciça, sem a presença de fendas, furos e ou outros tipos de áreas de drenagem de óleo. O anel (1) permite uma melhor distribuição da pressão de contato do conjunto e portanto uma melhor conformabilidade do anel com a parede do cilindro.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DECONTROLE DE ÓLEO (1) FORMADO POR, UM CORPO FERROSO COMALTURA MENOR QUE 2.0 MILÍMETROS PARA MOTORES DE COMBUS-TÃO INTERNA".

A presente invenção refere-se a um anel de controle de óleoformado por um corpo ferroso com altura de até 2.0 milímetros, idealizadopara motores de combustão interna e que permite uma melhor distribuiçãoda pressão de contato, e consequentemente raspagem de óleo, dada a as-sociação de seu design construtivo e das características elásticas de seumaterial base ou do auxílio de elementos de expansão elástica, conseguin-do com isso uma melhor conformabilidade do anel com a parede do cilindro.

Descrição do Estado da Técnica

Os motores de combustão interna são mecanismos transforma-dores de energia utilizados pela imensa maioria dos veículos automotores, ecompreendem basicamente duas partes principais: um ou mais cabeçotes eo bloco do motor. Na base do(s) cabeçote(s) estão localizadas as câmarasde combustão (em motores a diesel em geral as câmaras de combustão es-tão nas cabeças dos pistões) e no bloco do motor estão localizados os cilin-dros e o conjunto da árvore de manivelas ou conjunto do virabrequim. Oconjunto da árvore de manivelas é composto por pistões, bielas e pelo vira-brequim.

O motor converte a energia produzida pela combustão da mistu-ra (combustível e ar) nas câmaras de combustão, em energia mecânica ca-paz de imprimir movimento às rodas.

Como a força motriz necessária para movimentar o automóvelprovém da queima da mistura ar/combustível na câmara de combustão, e afim de assegurar uma combustão homogênea e sem queima de óleo e aindaevitar a passagem em demasia de gases do cilindro para o cárter, faz-senecessária a utilização de anéis para prover uma boa vedação da folga exis-tente entre o pistão e a parede do cilindro.

Normalmente, são utilizados três anéis, sendo: dois anéis decompressão e um anel de óleo. Os anéis de compressão têm a função im-pedir a passagem dos gases da combustão para o interior do cárter e o anelde óleo tem a função de raspar o excesso de óleo da parede do cilindro edevolvê-lo ao cárter.

Outra função importante dos anéis é servir de ponte de trans-missão de calor desde o pistão até a parede do cilindro / camisa aonde o-corre a dissipação de caloria através do sistema de arrefecimento.

Os anéis de óleo podem ser de uma, duas ou de três peças,sendo mais comumente utilizados em motores de combustão interna os doisúltimos tipos. Como principais características, o anel de uma peça utiliza-sedas propriedade elásticas inerentes ao material base a fim de atender à for-ça de expansão solicitada para a aplicação, enquanto o anel de duas peçascompreende basicamente um corpo e um elemento elástico e o anel de trêspeças compreende basicamente um corpo suporte e dois segmentos de a-nel para atender à mesma finalidade.

Atualmente, os anéis de óleo encontrados no estado da técnicapossuem fendas ou furos distribuídos ao longo da seção transversal periféri-ca do corpo. Estas fendas ou furos têm a função de drenar o excesso deóleo acumulado entre as duas faces externas de trabalho do anel e aumen-tar a flexibilidade do anel através da redução de rigidez da seção transversalque contém as fendas, provendo maior conformabilidade da peça / conjuntopara com a parede do cilindro.

Entretanto, atualmente, motivados pela busca por maior eficiên-cia energética, as tendências de projeto de motores têm apontado para aconfecção de motores menores, com redução de perdas de potência porfricção. Para acompanhar estes desenvolvimentos, os anéis de óleo tempassado a apresentar alturas cada vez mais reduzidas, assim como meno-res carregamentos e /ou força de expansão.

Seguindo ainda estas tendências de redução de atrito no fun-cionamento do motor, é possível manter uma pressão de contato apropriadana interface anel / cilindro, reduzindo a área de contato do anel, mesmo soba atuação de cargas de expansão reduzidas. Entretanto, dificuldades quantoà fabricação, manuseio das peças e mesmo uma eventual quebra em traba-Iho são alguns obstáculos que devem ser vencidos em projetos que temcomo objetivo a redução da área de contato dos anéis de controle de óleo.

O anel definido no pedido de patente brasileiro Pl 9202268 pro-cura solucionar o problema de redução da área de contato utilizando perfisde superfície de contato tronco-cônicas.

Já a patente US 7.117.594 procura solucionar o problema acimamencionado através do uso de um perfil de uma superfície de contato esca-lonada, em forma de degraus.

Todavia, as mudanças de design associadas a essa tendênciade diminuição de altura e carregamento, tal como propostas pelo estado datécnica podem trazer ainda outros efeitos indesejáveis, como a diferença deflexibilidade entre as regiões que possuem ou não fendas ao longo da seçãotransversal do anel possibilitando assim uma variação da pressão de contatoaplicadas à parede do cilindro que podem gerar um contato insuficiente oudesigual entre o anel e o a parede do cilindro e mesmo do elemento elásticopara com o anel no caso de anéis de duas peças.

A patente norte-americana US 6.454.271 descreve um anelcombinado de óleo, sem furos ou fendas na seção transversal, com corpode formato em "I" e que utiliza expansor retangular ou trapezoidal com alturaaxial menor e ainda assim capaz de alcançar altos níveis de pressão, usan-do-se da remoção das áreas de drenagem de óleo para possibilitar a cons-trução do design proposto. Já o pedido de patente japonês JP 2007170455descreve um anel de óleo de duas peças que possui o espaçamento da se-ção transversal periférica reduzida (0,6 milímetros ou menor), onde a elimi-nação das áreas de drenagem de óleo permite maior robustez construtivado anel.

Assim, observa-se que ainda não foi desenvolvido um anel decontrole de óleo que tenha uma espessura máxima de até 2.0 milímetros ecom uma seção transversal periférica maciça, ou seja, que não possua furosou fendas para escoamento de óleo, de modo a solucionar dificuldades deconformação das superfícies do anel para com a parede do cilindro e/ ou doanel para com o elemento elástico no caso do uso do mesmo, sendo aindacapaz de manter níveis adequados de pressão de contato, mesmo sob bai-xo carregamento devido ao uso de perfil que propicie contato reduzido doanel com a interface do cilindro.

Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por objetivo proporcionar um anel decontrole de óleo formado por um corpo ferroso para alturas menores que 2.0milímetros e por um elemento elástico para motores de combustão interna,onde a seção transversal periférica do corpo é maciça, isto é, não possuifendas ou furos em sua superfície.

A presente invenção tem por objetivo também prover um anel decontrole de óleo que, devido ao uso de face periférica de trabalho com su-perfície de contato reduzida e a ausência de furos e fendas em seu corpo,permita uma melhor distribuição da pressão, garantindo uma espessura a-dequada da película de óleo entre o anel e a parede do cilindro, possibilitan-do a redução da pressão de projeto do anel e portanto, as conseqüentesperdas de potência do sistema por fricção.

Ainda, a presente invenção tem por objetivo prover um anel decontrole de óleo onde o uso de perfil de face periférica de trabalho com su-perfície de contato reduzida, associado ao uso de ângulo cônico mais ele-vado da face de contato contra a parede interna do cilindro, visa minimizar odesgaste radial que aumenta a largura axial da face de contato, provendoassim, a manutenção da pressão de projeto e consequentemente do contro-le da película de óleo entre o anel e a parede do cilindro durante a vida útildo motor.

Adicionalmente, a presente invenção oferece a possibilidade deredução de custos ao prover um anel de controle de óleo que, sem a pre-sença de fendas ou furos no corpo do anel, pela eliminação das etapas deprocesso relacionadas à usinagem das áreas de escoamento do anel.

Breve Descrição da Invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anelde controle de óleo, formado por um corpo ferroso com altura menor que 2.0milímetros para motores de combustão interna, compreendendo:duas superfícies de contato externas, cada qual contendo umaprimeira e uma segunda arestas de extremidade;

duas faces inclinadas cada qual contendo uma terceira arestade extremidade;

uma seção transversal periférica voltada para a parede do cilin-dro; e

uma seção interna voltada para o lado do pistão,cada superfície de contato possuindo uma altura entre a primei-ra e a segunda arestas de extremidade compreendida entre 0,15 milímetrosmáximo; o ângulo de cada face inclinada estando compreendido entre 8 e12 graus e ainda pela seção transversal periférica sendo maciça, ou seja,ausente de furos e fendas.

Também, os objetivos da presente invenção são alcançados porum anel de controle de óleo, formado por um corpo ferroso com alturas me-nores que 2.0 milímetros para motores de combustão interna, que compre-ende duas superfícies de contato externas e similares que dispõem cadauma de um perfil composto por uma parte paralela de no máximo 0,15 mmassociado a uma face secundária com inclinação entre 8 e 12 graus, contémainda uma seção circular voltada para o canalete do pistão e faces de as-sentamento laterais, perfazendo uma seção transversal periférica maciça,sem fendas, furos ou quaisquer outro tipo de região de drenagem de óleo.

As características acima mencionadas, além de outros aspectosda presente invenção, serão mais bem compreendidas através dos exem-plos e da descrição detalhada das figuras que se seguem.

Descrição Resumida dos Desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des-crita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos.

As figuras mostram:

figura 1 - é uma vista da seção transversal de um anel de óleopara motores de combustão interna do estado da técnica.

Figura 2 - é uma vista do perfil de face de trabalho escalonadade um anel de óleo para motores de combustão interna do estado da técni-ca.

Figura 3A - é uma ilustração das regiões do anel que fazem con-tato com o pistão durante a fase de produção do anel.

Figura 3B - é uma ilustração das regiões do anel que não fazemcontato com o pistão devido às regiões das fendas de drenagem de óleodurante o funcionamento do motor e ou operações de processamento dosanéis.

Figura 4 - é um gráfico comparativo da mudança do momento deinércia de uma seção transversal de um anel de óleo pelo uso ou não defendas e ou áreas de drenagem de óleo.

Figura 5A - é uma vista em detalhe do perfil da superfície decontato do anel do estado da técnica.

Figura 5B - é uma vista em detalhe do perfil da superfície decontato do anel da presente invenção.

Figura 6 - é uma vista esquemática da seção transversal do anelde óleo para motores de combustão interna da presente invenção.

Figura 7 - é uma vista em detalhe dos perfis da superfície decontato do anel da presente invenção.

Figura 8 - é uma vista em detalhe dos perfis de uma segundaconcretização da superfície de contato do anel de óleo para motores decombustão interna da presente invenção.

Figura 9 - é uma vista esquemática em corte de um pistão equi-pado com um anel no interior do cilindro de um motor de combustão interna.

Descrição Detalhada das Figuras

Como pode ser visto a partir da figura 1 o estado da técnicadescrito pelo pedido de patente brasileiro Pl 9202268 procura definir um a-nel de controle de óleo 100 que possibilite uma eficiente raspagem de óleopor meio da superfície de contato no formato tronco-cônico 11. Apresentaainda, como ilustrado na figura 1, rasgos oblongos 16 para o retorno do óleopara o carter do motor.

No entanto, com a diminuição da largura e da carga tangencialdos anéis de controle de óleo nos últimos anos, associados aos avanços datecnologia de motores de combustão interna e seus componentes, entreeles os anéis, a quantidade de óleo lubrificante raspada pelos anéis reduziu-se significativamente. As áreas de escoamento podem servir agora comotrajeto para o óleo lubrificante, que vai do canalete do pistão à parede docilindro e não vice-versa como originalmente pretendido.

Além disso, com a redução da seção transversal do anel, asvantagens trazidas pela variação do momento da inércia gerada pela influ-ência das áreas de escoamento (fendas ou furos), são muito minimizadas,como podemos claramente verificar através da figura 4.

Pior do que isso, para o futuro, com os cada vez menores valo-res da altura e de carga tangencial aplicadas em anéis de baixa fricção, apresença de fendas ou furos 30 podem causar uma redução excessiva narigidez estrutural do anel, levando a deformações locais ao longo da periferi-a, gerando regiões "sem contato" durante o funcionamento do anel no mo-tor, como pode ser visto na figura 3B, o que é extremamente indesejável.

Os esforços em fornecer uma melhor distribuição das áreas deescoamento de óleo, aumentando sua freqüência e reduzindo sua dimen-sões, pelo uso de técnicas de fabricação avançadas, por exemplo Laser,ainda não apresentam capabilidade de funcionamento e operação adequa-das, além de apresentar elevado custo de produção.

No intuito de aumentar a uniformidade do contato do anel com aparede do cilindro ao longo de todo seu comprimento, alguns desenvolvi-mentos foram introduzidos na fabricação, como por exemplo, a lapidação daface de contato do anel no fim do processo de produção, a fim de garantirum contato do anel em toda sua periferia contra a parede do cilindro. Entre-tanto, mesmo com bons resultados após esta operação, ocorrências de con-tato desigual poderiam acontecer durante a operação, isto porque o cilindroapresenta deformação circular, enquanto que a lapidação do anel é feitadentro de um cilindro quase perfeito e em alguns casos com carregamentomaior do que o de funcionamento.

A figura 3B exemplifica o problema da falta de contato do anelcom uma superfície abrasiva, devido às regiões de escoamento do anel ouentalhes, em um processo de lapidação. Durante este processo, mesmo queo anel esteja deslizando em uma superfície circular abrasiva a fim de distri-buir o contato, as áreas dos fendas 30 não tocam a superfície abrasiva co-mo as áreas da ponte 31 mostradas, isto devido à não homogeneidade daseção transversal resultante da presença das fendas no corpo do anel e daeventual variabilidade resultante dos processos de fabricação destas. Mes-mo com o ajuste correto dos parâmetros da operação de lapidação (carga,abrasivo, camisas, tempo), as áreas dos fendas 30 são artificialmente "em-purradas" de encontro à superfície abrasiva, a linha de contato formada po-de visualmente demonstrar o contato como exemplificado na figura 3A, masuma vez que a força é removida a superfície das áreas das fendas voltam àsua forma inicial e a eventual falta de contato na região das fendas podeocorrer durante a operação do motor semelhantemente como já apresenta-do na figura 3B. Como anteriormente mencionado, quando em operação, ocilindro do motor deforma-se desde sua forma circular e a conformabilidadevariável do anel, torna mais problemática a obtenção de contato, e portantoda vedação ao longo de todo o perímetro da peça.

A fim de aumentar a robustez do produto quanto à vedação,uma solução da presente invenção é a possibilidade de uma maior remoçãoradial 21 durante a operação de lapidação sem significativo aumento da fai-xa de contato, dado o maior ângulo cônico do perfil. Quando em funciona-mento, a parte plana 102 garante uma faixa adequada de contato e minimi-za o risco de lascas que poderiam ocorrer se fosse mantido o vértice 21.

O aperfeiçoamento nas operações de retifica e brunimento doscilindros, associados aos anéis de baixa carga, podem levar a um aumentodo tempo da operação do motor para o "amaciamento" das peças. O perío-do de amaciamento é necessário porque, embora com todo o cuidado paraproduzir partes coincidentes, a variabilidade inerente da produção e as de-formações de operação do motor exigem que ocorra algum desgaste antesde casar as superfícies de deslizamento da peça. O consumo de óleo lubrifi-cante é maior até que o ajuste apropriado seja alcançado.

Como pode ser visto através da figura 5A, o estado da técnicaapresenta uma solução para anéis de óleo, onde o perfil da superfície decontato 16, dotado de face inclinada 17 (entre 30'e 4°)onde tal configuraçãopermite apenas um contato pontual na aresta 18 com a parede do cilindro,podendo ocasionar a quebra da mesma e consequentemente causar danosà parede do cilindro além de ser mais suscetível ao aumento da região decontato devido ao desgaste radial.

De acordo com uma concretização preferencial e como pode servisto a partir da figura 5B, o anel de controle de óleo 1 objeto da presenteinvenção é formado por um corpo ferroso 12, tal como ferro fundido ou umaço qualquer, com altura menor que 2.0 milímetros e por um elemento resili-ente/ elástico 8, tal como uma mola helicoidal, mola plana ou ainda outromeio expansor, para motores de combustão interna ou mesmo utilizar-sedas próprias características mecânicas de seu material base para prover aforça de expansão necessária a este tipo de aplicação.

O anel 1 possui ainda em seu corpo 12, duas superfícies decontato externas 2 cada qual contendo uma região triangular 21 (que seráposteriormente removida em um processo de lapidação final), uma face decontato paralela 102 e ainda uma segunda face, inclinada 3, uma seçãotransversal periférica 4 voltada para a parede do cilindro 5 e uma seção cir-cular 6 voltada para o lado do pistão 7. As superfícies 2 se projetam de en-contro a parede Ido cilindro quando o conjunto está montado.

Como ainda pode ser visto na figura 5B, cada superfície de con-tato 2 do anel de controle de óleo 1 apresenta inicialmente uma distância d3de especificação máxima 0,15 mm formada desde a aresta 22 até a arestade 23, onde se inicia a face inclinada 3. Ó ângulo da face inclinada 3 deveestar compreendido entre 8 e 12 graus, preferencialmente a 10 graus emrelação ao comprimento axial do anel.

Durante a fabricação do anel, a extremidade triangular 21 é re-movida para que o anel atinja seu formato final, por lapidação da face decontato ou ainda outro processo similar. Alternativamente, pode ser usadauma fita de aço ou outro material já com o perfil desejado.

O processo de acabamento ou remoção, consiste na remoçãode aproximadamente 25 Dpmicrometroda extremidade triangular 21 da su-perfície de contato 2, definindo a superfície de contato 102 na forma plana,paralela à parede do cilindro que pode variar de 0,10 a 0,15 milímetros.

A figura 6 ilustra a seção transversal do anel de óleo 1 da pre-sente invenção, através da qual é possível identificar que a seção transver-sal periférica 4 não apresenta fendas ou furos de escoamento, isto é, é ma-ciça, fato este que possibilita ao anel uma conformabilidade ao cilindro maishomogênea e eficiente, frente ao descrito no estado da técnica.

A seção transversal periférica 4 constante ou maciça proporcio-na um melhor contato entre o anel e o cilindro e/ou entre o anel e o elemen-to elástico, no caso de anel tipo duas peças, por eliminar a flexibilidade ex-cessiva e não uniforme causada pelas fendas no anel. Em conseqüênciadeste melhor contato, as falhas relacionadas ao contato não uniforme daface de trabalho e ao eventual embutimento da mola, devido o natural des-gaste quando em operação, no canal do anel no caso de anel tipo 2 peças,são extremamente reduzidos. Adicionalmente, eliminando as fendas ou osfuros, a presente invenção tem uma produção mais barata, eliminando anecessidade de operações de fabricação e acabamento das áreas de esco-amento (fendas ou furos).

A figura 7 ilustra o detalhe das superfícies de contato 102 doanel 1 da presente invenção. Ainda como pode ser visto pela figura 6, assuperfícies de contato 102 estão orientadas de maneira que as duas primei-ras regiões das faces inclinadas 3 estejam voltadas uma de frente para aoutra, ou seja, assimétricas, conforme indicação de sentido 9, em uma mon-tagem que foca principalmente a redução de atrito das superfícies de conta-to para com a parede do cilindro.

A figura 8 ilustra uma outra concretização para as superfícies decontato 102, onde as superfícies de contato 102 estão orientadas de manei-ra que as duas faces inclinadas 3 estejam voltadas para um mesmo sentido,ou seja, simétricas, conforme indicação de sentido 10. Esta montagem alémde viabilizar redução de atrito quando do funcionamento da peça, possibilitauma melhor raspagem de óleo pelo anel na parede do cilindro, implicandoem menor consumo de lubrificante.

A utilização dos perfis de superfície de contato conforme descri-tos nas figuras 7 e 8, juntamente com a eliminação das áreas de drenagemde óleo (fendas ou furos), figura 6, apresenta melhor solução em relação aocontrole de óleo, evitando um problema encontrado nos anéis do estado datécnica figura 2, onde o perfil escalonado da face de contato 200 atua comoum acumulador de óleo, retendo o fluido e ocasionando o acumulo de óleona parte superior do anel de óleo. Através da solução proposta, o óleo lubri-ficante não se acumula (ou se acumula menos) na parte superior e é melhorredistribuído ao longo do seu campo de atuação.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de-ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí-veis variações, como por exemplo, o uso de tratamentos superficiais e reco-brimentos cerâmicos e metálicos, com a finalidade de melhorar as caracte-rísticas de resistência ao desgaste, corrosão e diminuição das forças de atri-to, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí in-cluídos os possíveis equivalentes.

Claims (7)

1. Anel de controle de óleo (1), formado por um corpo terroso(12) com altura menor que 2.0 milímetros para motores de combustão inter-na, compreendendo:duas superfícies de contato externas (102), cada qual contendouma primeira (22) e uma segunda (23) arestas de extremidade;duas faces inclinadas (3) cada qual contendo uma terceira ares-ta de extremidade (32);uma seção transversal periférica (4) voltada para a parede docilindro(5); euma seção interna (6) voltada para o lado do pistão (7),o anel (1) sendo caracterizado pelo fato de que cada superfíciede contato (102) possui uma altura (h) entre a primeira (22) e a segunda(23) arestas de extremidade compreendida entre 0,15 milímetros máximo; oângulo de cada face inclinada (3) estar compreendido entre 8 e 12 graus èainda pela seção transversal periférica (4) ser ausente de furos e fendas.

2. Anel (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato das faces inclinadas (3) estarem orientadas no sentido assimétrico.

3. Anel (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato das faces inclinadas (3) estarem orientadas no sentido simétrico.

4. Anel (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato da distância (d1) entre a primeira (22) e a segunda (23) arestas de ex-tremidade das superfícies de contato (102) ser de no máximo 0,15 milímetros.

5. Anel (T)1 de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizadopelo fato do ângulo das rampas de controle (3) ser de 10 graus.

6. Anel (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelouso de elemento elástico (8) como veículo gerador de força de expansão.

7. Anel (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de a face 102, ser obtida em uma fita utilizada para manufatura do anel.