211 P
f
CAPÍTULO 07 - MANCAIS DE ROLAMENTOS
7.1 - INTRODUÇÃO7.2 - DIMENSIONAMENTO
O projeto completo da máquina ou do aparelho já determina, em muitos dos casos, o diâmetro do furo dos rolamentos. Para uma determinação final das demais dimensões principais e do tipo construtivo deve, entretanto, ser constatado através de um cálculo de dimensionamento se as exigências quanto à vida útil, à segurança estática e à economia estão satisfeitas. Neste cálculo, a solicitação do rolamento é comparada à sua capacidade de carga. Na tecnologia dos rolamentos há uma diferenciação entre uma solicitação dinâmica e uma
estática.
Na solicitação estática o rolamento não apresenta ou há só um pequeno movimento relativo (n < 10 rpm). Nestes casos, deve ser verificada a segurança contra deformações plásticas muito elevadas das pistas e dos corpos rolantes.
A maioria dos rolamentos é solicitada dinamicamente. Nestes, os anéis giram um em relação ao outro. Com o cálculo do dimensionamento, é controlada a segurança contra uma fadiga prematura do material das pistas e dos corpos rolantes.
A vida nominal L10 conforme DIN ISO 281 raramente indica a duração realmente atingível. Construções econômicas exigem, no entanto, que a capacidade de rendimento dos rolamentos seja aproveitada ao máximo. Quanto mais for este o caso, mais importante é um correto dimensionamento dos rolamentos.
As capacidades dinâmica e estática mencionadas neste capítulo se aplicam a rolamentos de aço cromo temperados em estado padrão para temperaturas de serviços usuais de até 100 °C. A dureza mínima das pistas e dos cor pos rolantes corresponde a 58 HRC.
Sob temperaturas mais elevadas, a dureza do material se reduz e com isto, a capacidade de carga do rolamento.
7.3 - ROLAMENTOS SOLICITADOS ESTATICAMENTE
Quando se trata de solicitação estática, calcula-se o fator de esforços estáticos fs para comprovar que o rolamento selecionado possui uma capacidade de carga estática suficiente.
Co
s o
C0 - capacidade de carga estática [kN] P0 - carga estática equivalente [kN]
O fator de esforços estáticos fs é um valor de segurança contra deformações elásticas elevadas, nos pontos de contato dos corpos rolantes. Para rolamentos que devam ter um giro particularmente suave e silencioso, deverá ser alcançado um fator elevado de esforços estáticos. Se as exigências que se referirem à suavidade de giro forem menores, bastarão fatores fs menores. De um modo geral, devem ser atingidos os seguintes valores:
fs = 1,5...2,5 Para exigências elevadas fs = 1,0...1,5 Para exigências normais fs = 0,7...1,0 Para exigências reduzidas.
Os valores correspondentes aos rolamentos axiais auto-compensadores de rolos e aos de alta precisão estão dados na parte das tabelas.
A capacidade de carga estática C0 [kN] se encontra indicada nas respectivas tabelas dos rolamentos. Uma carga desta magnitude (nos rolamentos radiais uma carga radial e nos axiais uma carga axial e central), provoca uma pressão de superfície P0 calculada, no centro do ponto de contato mais carregado entre os corpos rolantes e a pista de:
4600 N/mm² em todos os rolamentos auto-compensadores de esferas 4200 N/mm² em todos os outros rolamentos de esferas
4000 N/mm² em todos os rolamentos de rolos.
A carga ocasionada por C0 produz, no ponto onde incide a maior carga, uma deformação plástica total dos corpos rolantes e da pista da ordem de 1 /10000 do diâmetro do corpo rolante.
A carga equivalente P0 [kN] é um valor calculado, ou seja, uma carga radial nos rolamentos radiais e uma carga axial e central nos rolamentos axiais. P0 ocasiona a mesma solicitação no ponto central de contato onde incide a maior carga entre os corpos rolantes e a pista como a solicitação realmente atuante.
P0 X 0 * Fr Y0 * Fa [kN] (1)
Onde P0 - carga estática equivalente [kN] Fr - carga radial [kN]
Fa - carga axial [kN] X0 - fator radial Y0 - fator axial
213
P
7.4 - ROLAMENTOS SOLICITADOS DINAMICAMENTE
O cálculo normalizado (DIN ISO 281) para os rolamentos dinamicamente solicitados tem por base a fadiga do material, como causa da falha. A fórmula para o cálculo de vida nominal é:
C L L 10 6 rotações 10 P (2) Onde L10 - L vida nominal [106 rotações]
C - capacidade dinâmica [kN] P - carga dinâmica equivalente [kN] p - expoente de duração da vida
L10 é a vida nominal em milhões de rotações, atingida ou superada por, no mínimo, 90% de um lote significativo de rolamentos iguais.
A capacidade dinâmica C [kN] conforme DIN/ISO281-1993 consta nas tabelas para cada rolamento. Uma carga desta magnitude resulta em uma vida nominal L10 de 106 rotações.
A carga dinâmica equivalente P [kN] é um fator calculado, ou seja, uma carga radial constante em tamanho e direção, em rolamentos radiais ou uma carga axial em rolamentos axiais. O resultado de P é a mesma duração de vida quanto à carga combinada realmente atuante.
P X * Fr Y * Fa [kN] Sendo P - carga estática equivalente [kN]
Fr - carga radial [kN] Fa - carga axial [kN] X - fator radial Y - fator axial
Os valores para X e Y e também as indicações para calcular a carga dinâmica equivalente estão indicados nas tabelas dos diversos tipos de rolamentos.
O expoente de duração de vida nominal p é diferenciado para rolamentos de esferas ou de rolos.
Onde p =3 para rolamentos de esferas p =10/3 para rolamentos de rolos
Se a rotação do rolamento for constante, a vida nominal pode ser expressa em horas: L *106
Lh10 Lh
Sendo Lh10 = Lh duração de vida nominal [h] L - vida nominal [106 revoluções] N - rotação (freqüência de giro) [min-1] Simplificando-se a fórmula, teremos:
L * 500 * 33 * 1 3 * 60 Lh n * 60 p 33 * 1 33 * 1 Lh C 3 p Lh p 3 C * ou * 500 P n 500 n P
Neste contexto significam: f L p Lh
500 índice dinâmico
Isto é fL = 1 para uma vida nominal de 500 horas
33 * 1
p 3
f n
n fator de rotação
Ou seja, fn = 1 em uma rotação de 33*1/3 rpm. A equação da vida nominal fica, portanto, com a forma simplificada:
Sendo fL- fator dinâmico
C f L * f n
P
C - capacidade de carga dinâmica [kN] P - carga dinâmica equivalente [kN] fn - fator de rotação ou fator dinâmico f
O fator fL a ser alcançado resulta de experiências com aplicações de rolamentos iguais ou semelhantes, que tenham demonstrado comprovada eficiência na prática. Nas tabelas, foram compilados os valores fL a serem atingidos para inúmeras aplicações. Estes valores levam em consideração não somente um período suficientemente longo de funcionamento até a fadiga, mas também outras exigências como o peso reduzido em construções leves, adaptação às peças contíguas, picos de carga extrema e outras (veja também outras publicações para aplicações especiais). Os valores fL são corrigidos de acordo com a evolução tecnológica.
215 n
n
utilizados no cálculo. Nos casos em que se utilizam fatores adicionais, o valor fz se encontra indicado. Ao invés de se utilizar P, calcula-se com fz × P. Do valor fL obtido, determina-se a vida nominal Lh.
Com os valores fL e Lh obtém-se os parâmetros para o dimensionamento, somente para aqueles casos onde a comparação entre os rolamentos testados em campo é possível. Para uma mais precisa determinação da vida útil, também os efeitos da lubrificação, temperatura e limpeza devem ser levados em consideração.
7.5 - CARGA E ROTAÇÃO VARIÁVEIS
Se, no decorrer do tempo houver alterações na carga e na rotação de um rolamento solicitado dinamicamente, este fato deve ser considerado no cálculo da carga equivalente. Neste caso, aproxima-se a curva do gráfico obtido mediante uma série de cargas isoladas e rotações com uma duração determinada q %. Neste caso, obtém-se a carga dinâmica equivalente P, aplicando-se a seguinte fórmula:
3 n1 q1 3 3 n2 q2 Onde nm P P1 . m . 100 P2 . m . 100 ... [kN] n n . q1 m 1 100 n . q2 2 100 ... [min -1]
3
Para simplificar, consta o expoente 3 nas fórmulas para rolamentos de esferas e de rolos. Se a carga for sujeita a alterações, mas a rotação permanecer constante, teremos:
P P
3 q1 3 q2 P P1 .
100 P2 .100 ... [kN]
Se, a uma rotação constante, a carga crescer de forma linear de um valor Pmin para um valor máximo Pmax, obtém-se:
P Pmin 2.Pmax
3
Figura 2 – Carga linear no tempo
O cálculo ampliado de vida não deve ser calculado com o valor médio da carga dinâmica equivalente. O melhor é determinar o valor Lh para cada duração sob condições constantes e, baseado nestas, obter-se a vida atingível.
7.6 - CARGA MÍNIMA DOS ROLAMENTOS
Sob uma carga muito baixa - por exemplo, em alta rotação em giro de teste pode surgir deslizamento que, com uma lubrificação deficiente pode provocar danificações. Para uma carga mínima para rolamentos radiais recomendamos:
Rolamentos P/C Esferas com gaiola 0,01 Rolos com gaiola 0,02
Sem gaiola 0,04
Tabela 1 – Carga mínima dos rolamentos
Onde P - carga dinâmica equivalente C - capacidade de carga dinâmica
217 6
rolamentos existe o perigo de deslizamento e uma solicitação elevada do lubrificante. O deslizamento pode danificar as superfícies funcionais, por um engraxamento ou pela formação de micro fissuras. Para um mancal ser econômico e seguro, deve ser aproveitada toda a sua capacidade de carga. Para isto é necessário que ao projetá-lo, se considere outras grandezas de influência, além da capacidade de carga, como é o caso do cálculo de vida.
7.6.1 - OBSERVAÇÕES
Os métodos de cálculo e símbolos acima expostos correspondem às indicações DIN ISO 76 e 281. A título de simplificação são utilizados nas fórmulas e tabelas para os rolamentos radiais e axiais, os símbolos C e C0 para a capacidade de carga dinâmica e estática assim como P e P0 para a carga dinâmica e estática equivalente. A Norma diferencia:
Cr fator de carga radial dinâmica Ca fator de carga axial dinâmica C0r fator de carga radial estática C0a fator de carga axial estática Pr carga radial dinâmica equivalente Pa carga axial dinâmica equivalente P0r carga radial estática equivalente P0a carga axial estática equivalente
No intuito de simplificar, deixou-se de indicar os índices "r" e "a" junto a "C" e "P", haja visto não existir, na prática, margem para dúvidas quanto à pertinência dos fatores de carga e cargas equivalentes para rolamentos radiais ou axiais.
A DIN ISO 281 restringe-se à indicação da duração da vida nominal L10 e à vida ampliada Lna em 106 rotações. A partir destes dados é possível ser deduzida a duração de vida nominal em horas Lh e Lhna. Na prática, é costume se tomar por base Lh, Lhna e em especial o fator dinâmico (fL). Devido a isto foram incluídos neste catálogo, como complementos valiosos, valores orientativos para fL e fórmulas para Lh e Lhna.
7.6.2 - DURAÇÃO ATINGÍVEL - MODIFICADA DA VIDA
Segundo DIN ISO 281 a duração atingível (modificada) da vida é obtida segundo a seguinte fórmula:
6 Ou expresso em horas:
Lhna a1 .a2 .a3 .Lh h
Onde Lna - duração atingível (modificada) da vida [106 rotações] Lhna - duração atingível da vida [h]
a1 -fator para a probabilidade de falha, a2 - fator para o material, a3 - fator para as condições em serviço
L - duração da vida nominal [106 rotações] Lh - a duração da vida nominal [h]
7.6.3 - DURAÇÃO DA VIDA ATINGÍVEL
Lna a1 .a23 .L 10 revoluções e Lhna a1 .a23 .Lh h
Sendo a1 - fator para a probabilidade de falha
a23 - fator para o material e as condições de serviço L - duração da vida nominal [106 rotações]
Lh - duração da vida nominal [h]
7.6.4 - FATOR A23
O fator a23 para a determinação da duração da vida atingível Lna ou Lhna, é obtido da relação
Sendo a23II - valor básico a23II s - fator de limpeza
a23 a23 II .s
O fator a23 considera as influências do material, tipo construtivo do rolamento, solicitação, lubrificação e limpeza.
O ponto de partida para a determinação do fator a23. O campo mais importante para a prática é o campo II do diagrama, que vale para limpeza normal (valor básico de a23 para s = 1).
219
Figura 3 - Esquema para a determinação de a23
7.6.5 - RELAÇÃO DE VISCOSIDADE Κ
No eixo de abscissas está indicada a relação de viscosidade κ como medida para a formação da película lubrificante.
k v v1
Onde v - viscosidade em serviço da película lubrificante no contato de rolagem
v1 - viscosidade de referência na dependência do diâmetro e do número de rotações A viscosidade de referência v1 é determinada através da figura 3, com o auxílio do diâmetro médio do rolamento (D + d)/2 e do número de rotações em serviço.
rolamento parado (sem influência de aquecimento externo). Isto é em parte considerado, colocando-se a metade do valor da viscosidade ½ obtida do diagrama V-T na fórmula.
v k .
v1
Viscosidade de referência v1
221 Diagrama V-T para óleos minerais
Figura 5 – Viscosidade para óleos minerais
7.6.6 - VALOR BÁSICO A23II
Para poder determinar com mais precisão o valor básico a23II é necessário ter-se o fator determinante K = K1 + K2.
O valor de K1 pode ser obtido do diagrama acima, na dependência do tipo construtivo do rolamento e do índice de solicitação fs*. O valor de K2 depende da relação de viscosidade κ e do índice fs*. Os valores do diagrama (abaixo) valem para lubrificantes não aditivados ou para lubrificantes com aditivos, cuja eficiência especial não tenham sido testados em rolamentos.
Com K = 0 até 6, a23II se situa em uma das curvas no campo II da figura 8.
Com K > 6, só pode ser esperado um fator a23 no campo III, quando se deverá almejar um valor de K menor e mediante uma melhora das condições, alcançar o campo II definido.
aptidão da graxa, deverá ser aplicado o limite inferior do campo II. Isso vale principalmente quando não se podem manter os intervalos de lubrificação.
Fator determinante K1, na dependência do índice fs* e do tipo construtivo do rolamento.
Para
a - Rolamento fixo de esferas
Figura 6 – K1 versus fs*
b - Rolamento de rolos cônicos, rolamento de rolos cilíndricos
c - Rolamento auto-compensador de rolos, rolamento axial auto-compensador de rolos 3 rolamento axial de rolos cilíndricos 1, 3
d - Rolamentos de rolos cilíndricos sem gaiola 1, 2
1 - V < 1 só é atingível em combinação com filtragem fina do lubrificante, de outra forma usar K1 > 6.
2 - Considere na determinação de v: o atrito é no mínimo o dobro do que nos rolamentos com gaiola. Isto leva a temperaturas mais altas do rolamento.
3 - Considerar a carga mínima
K2 se torna igual a 0 em positiva. Com K≥0,4 o desgas apropriados.
F
Figura 7 – k2 versus fs*
m lubrificantes com aditivos para os quais haja u aste se propaga no rolamento, se não for impe
Figura 8 – Valor de K em função de a23II e k
Campo
I: Transição para a durabilidade permanente
Premissa: máxima limpeza na fresta de lubrificação e cargas não muito elevadas, lubrificante adequado.
II: Limpeza normal na fresta de lubrificação
Através da utilização de aditivos comprovados em rolamentos, também são possíveis valores de a23 > 1 com k< 0,4 a23.
III: Condições de lubrificação inadequadas.
Contaminação do lubrificante, Lubrificantes inadequados.
7.6.7 - FATOR DE LIMPEZA S
O fator de limpeza s quantifica a influência da contaminação na duração da vida. Para a determinação de s, é necessário obter-se a grandeza de contaminação V figura 8.
Para uma limpeza normal (V = 1) sempre vale 1, ou seja a23II = a23.
Em uma limpeza melhorada (V = 0,5) e em uma limpeza máxima (V = 0,3), obtém-se, partindo do valor fs* e, na dependência da relação de viscosidade, um fator de limpeza de s ≥1.
Com s = 1, vale k ≥0,4. Com V = 2 (lubrificante moderadamente contaminado) e V = 3 (lubrificante fortemente contaminado) se torna s < 1 da área b do diagrama. A diminuição dos valores de s por altos valores de V atua tanto mais forte quanto menos seja solicitado o rolamento.
Diagrama para a determinação do fator de limpeza s
225
Figura 9c – Fator de limpeza
Onde a - diagrama para limpeza melhorada (V = 0,5) até máxima (V = 0,3)
b - diagrama para lubrificante moderadamente contaminado (V = 2) e lubrificante altamente contaminado (V = 3)
Um fator de limpeza s > 1 só é atingível em rolamentos sem gaiola, quanto ficar excluído qualquer desgaste no contato rolo/rolo, através de um lubrificante altamente viscoso e com máxima limpeza (pureza do óleo de no mínimo 11/7 segundo ISO 4407).
7.6.8 - GRANDEZA DETERMINANTE V PARA A AVALIAÇÃO DA LIMPEZA
A grandeza determinante V depende do corte transversal do rolamento, do tipo de contato no contato rolante e do grau de pureza do óleo. Se, na área de contato mais solicitada de um rolamento, forem sobre roladas partículas duras a partir de um determinado tamanho, as impressões deixadas nas áreas de contato de rolagem levam a uma fadiga prematura do material. Quanto menor for a área de contato tanto mais nociva é a ação de um determinado tamanho de partículas. Portanto, os rolamentos pequenos reagem com mais sensibilidade com o mesmo grau de contaminação que os maiores e os rolamentos com contato fixo (rolamentos de esferas) com mais sensibilidade do que os de contato linear (rolamentos de rolos).
Especialmente as partículas com uma dureza > 50 HRC agem como redutoras da duração da vida nos rolamentos. Estas partículas são de aço temperado, areia e resíduos de material de abrasão. Principalmente os últimos são extremamente danosos. Se, como em muitos casos de aplicação técnica, a maior parcela dos materiais estranhos contidos nas amostras de óleo estiver localizada na faixa de redução da duração da vida, a classe de pureza obtida com a contagem de partículas, pode ser comparada diretamente com os valores contidos na tabela. Se, entretanto, no exame do resíduo do filtro, for verificado que se trata quase que, p.ex., exclusivamente de contaminação mineral como areia de fundição ou grãos de material de abrasão especialmente redutores da duração da vida, os valores de medição deverão ser elevados em uma até duas classes de pureza, antes de determinar a grandeza de contaminação V. Ao contrário, se for comprovado que a maioria é de partículas macias, como madeira, fibras ou tinta no lubrificante, o valor de medição da contagem de partículas pode ser correspondentemente reduzido.
Para atingir a pureza do óleo exigida, deverá haver uma determinada taxa de resíduo no filtro. Esta é uma medida para a capacidade de separação do filtro em partículas de tamanho definido. A taxa de resíduo no filtro ßx é a relação entre todas as partículas > x µm antes do filtro com as partículas > x µm depois do filtro. Abaixo se encontra uma representação esquemática.
Uma taxa de resíduo no filtro ß3 ≥200, significa, p.ex. que no teste "multi-pass" (ISO 4572) de 200 partículas 3 µm, só uma única consegue passar pelo filtro.
227 7.6.9 - VALORES PARA A GRANDEZA DETERMINANTE DE CONTAMINAÇÃO V
(D-d) / 2 Mm
V Contato Pontual classe de pureza de óleo conforme
ISSO 44061
Valores orientativos para a taxa de resíduo no filtro
conforme ISO 4572 ≤12,5 0,3 11/8 β3 ≥ 200 0,5 12/9 β3 ≥ 200 1 14/11 β6 ≥ 75 2 15/12 β6 ≥ 75 3 16/13 β12 ≥ 200 > 12,5 ... 20 0,3 12/9 β3 ≥ 75 0,5 13/10 β3 ≥ 75 1 15/12 β6 ≥ 75 2 16/13 β12 ≥ 75 3 18/14 β25 ≥ 75 > 20 ... 35 0,3 13/10 β3 ≥ 75 0,5 14/11 β6 ≥ 75 1 16/13 β12 ≥ 75 2 17/14 β25 ≥ 75 3 19/15 β25 ≥ 75 > 35 0,3 14/11 β6 ≥ 75 0,5 15/12 β6 ≥ 75 1 17/14 β12 ≥ 75 2 18/15 β25 ≥ 75 3 20/16 β25 ≥ 75
Só devem ser consideradas partículas cuja dureza seja > 50HRC
Tabela 2 – Contaminação V
mancais, é necessário um processo de enxágüe antes da colocação em funcionamento dos mesmos.
Uma taxa de resíduo ß3 ≥200 (ISO 4572) significa, p.ex. que no assim chamado teste "multi-pass", de 200 partículas ≥3 µm só uma passa pelo filtro. Filtros maiores que ß25 ≥75 não deverão ser usados, pelas conseqüências negativas para os demais agregados também instalados no circuito do óleo. Lubrificação com graxa
A lubrificação com graxa é aplicada em 90% de todos os rolamentos, pois apresenta as seguintes vantagens:
Reduzido custo construtivo
Bom apoio das vedações, proporcionado pela graxa Alta durabilidade com uma baixa manutenção
Sob condições ambientais e de serviço normais, muitas vezes é possível uma lubrificação para a vida.
Deve ser prevista uma lubrificação a intervalos regulares, quando houver alta solicitação (rotação, temperatura, carga). Para tanto, devem ser previstos canais para suprir e drenar a graxa e um depósito para a graxa envelhecida e, quando os intervalos forem curtos,
eventualmente uma bomba e um regulador da graxa. Coeficiente de pressão-viscosidade α como função da viscosidade cinemática v, válido para a faixa de pressão de 0 a 2000 bar
Figura 10 - Coeficiente de pressão-viscosidade versus viscosidade
229
Figura 11 – Dependência da densidade dos óleos minerais em função da temperatura.
7.6.10 - LUBRIFICAÇÃO COM ÓLEO
Um método de lubrificação com óleo se oferece quando as peças adjacentes da máquina já são supridas com óleo. A dissipação do calor é necessária quando houver altas cargas, altas rotações ou um aquecimento do mancal devido a influências externas.
Na lubrificação com quantidades pequenas (lubrificação por quantidades mínimas), seja por gotejamento, névoa ou por ar-óleo, o atrito por "chapisco" e, com isto, os atritos no rolamento são mantidos bem reduzidos.
Na utilização do ar como meio de transporte, é obtido um suprimento dirigido e um fluxo auxiliar a vedação.
7.7 - PROCESSO DE SELEÇÃO DE ROLAMENTOS Inicialmente, devemos ter as seguintes informações: Desempenho e condições requeridas ao rolamento Condições de operação e meio
Dimensão do espaço para o rolamento Avaliação do tipo de Rolamento. Espaço permissível para o rolamento.
Devemos verificar neste item, quais os rolamentos disponíveis que se enquadram nas dimensões requeridas pelo projeto.
INTENSIDADE E DIREÇÃO DA CARGA
Ao selecionar o rolamento, verificar a direção da carga (radial ou axial) e a sua intensidade.
Tipo de Rolamento Capacidade de carga Capacidade de carga axial
1 2 3 4 1 2 3 4
Fixo de uma carreira de esferas Contato angular
Rolos cilíndricos Rolos cônicos
Auto compensadores de rolos
Tabela 3 – Capacidade de carga de cada rolamento
VELOCIDADE DE ROTAÇÃO E LIMITE DE ROTAÇÃO
A rotação máxima permissível varia em função do tipo de rolamento, da dimensão, do tipo e material da gaiola, carga e método de lubrificação.
DESALINHAMENTO DOS ANÉIS INTERNO E EXTERNO
231 FIXAÇÃO NA DIREÇÃO AXIAL E DISPOSIÇÃO
Em uma disposição de rolamentos, uma das peças é determinada como lado fixo e é usada para fixar o eixo posicionando axialmente o rolamento. Neste lado fixo, deve ser selecionado o tipo de rolamento que suporte a carga radial juntamente com a carga axial. Na outra posição, o rolamento é denominado lado livre, suportando somente a carga radial e devem permitir o deslocamento do eixo devido à dilatação ou contração pela variação de temperatura. A não observância desta norma poderá acarretar em uma carga axial anormal no rolamento, podendo ser a causa de uma falha prematura.
DIFICULDADE NA INSTALAÇÃO E REMOÇÃO
Os rolamentos de rolos cilíndricos que têm os anéis internos ou externos separáveis, de agulha ou de rolamentos cônicos, apresentam maior facilidade de instalação e remoção, facilitando a manutenção em equipamentos que requerem uma inspeção periódica. Rolamentos com furos cônicos também são fáceis de instalar, pois podem ser instalados com a utilização de buchas.
RUÍDO E TORQUE
Os rolamentos fixos de esferas são os mais adequados para as máquinas que requerem baixo ruído e baixo torque, como nos motores elétricos e instrumentos de medição.
RIGIDEZ
Ao aplicar uma carga no rolamento, ocorre uma deformação elástica nas áreas de contato entre os corpos rolantes e a pista. A rigidez do rolamento é determinada em função proporcional da carga no rolamento e a intensidade da deformação elástica no anel interno, no anel externo e no corpo rolante. Os rolamentos de contato angular de esferas e os rolamentos de rolamentos cônicos são os mais apropriados para casos onde devemos ter o aumento da rigidez pelo método de pré-carregamento, como em fusos de máquinas-ferramenta.
DISPONIBILIDADE E CUSTO
DIMENSÕES PRINCIPAIS - SISTEMAS DE DENOMINAÇÃO
Os rolamentos são elementos de máquinas utilizáveis universalmente, prontos para a montagem, devido ao fato de suas dimensões principais usuais serem normalizadas.
As normas ISO correspondentes a cada tipo de rolamento são: a ISO 15 para os radiais (exceto os de rolos cônicos), a ISO 355 para os rolamentos de rolos cônicos em dimensões métricas e a ISO 104 para os rolamentos axiais. Os planos dimensionais das normas ISO foram absorvidas na DIN 616 e DIN ISO 355 (rolamentos de rolos cônicos com dimensões métricas).
Nos planos de medidas da norma DIN 616, vários diâmetros externos e larguras são alocados a cada furo de rolamento. As séries usuais de diâmetro são 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4 (nesta ordem, com diâmetros crescentes). Em cada série de diâmetros há diversas séries de largura como, p.ex. 0, 1, 2, 3, 4 (correspondendo uma largura maior a cada número crescente).
No número de dois algarismos para a série de medidas, o primeiro corresponde à série de largura (nos rolamentos axiais à altura) e o segundo indica a série de diâmetro .
No plano de medidas para os rolamentos de rolos cônicos com dimensões métricas segundo DIN ISO 355, um dos algarismos (2, 3, 4, 5, 6) indica a faixa do ângulo de contato. Quanto maior o algarismo, tanto maior o ângulo de contato. As séries de diâmetros e de larguras são identificadas por duas letras.
Em casos de divergências com relação ao plano de medidas, como nos rolamentos integrais das séries 2344 e 2347, esta característica é informada nos textos preliminares às tabelas de medidas.
233
Figura 12 a– Denominação dos rolamentos
7.8 - TIPOS DE ROLAMENTOS
Os rolamentos são classificados de acordo com o tipo de carga que irão suportar, carga radial ou axial.
7.8.1 - ROLAMENTOS RÍGIDOS DE ESFERAS - ROLAMENTOS FAG FIXOS DE ESFERA Os rolamentos fixos de esferas de uma carreira suportam cargas radiais e axiais e são adequados para rotações elevadas. Os rolamentos fixos de esferas não são separáveis. A adaptabilidade angular é relativamente reduzida. Os rolamentos fixos de esferas vedados são livres de manutenção e possibilitam construções simples.
CARGA DINÂMICA EQUIVALENTE
X Y X Y 0,3 0,22 1 0 0,56 2 0,5 0,24 1 0 0,56 1,8 0,9 0,28 1 0 0,56 1,58 1,6 0,32 1 0 0,56 1,4 3 0,36 1 0 0,56 1,2 6 0,43 1 0 0,56 1
Tabela 4 – Carga dinâmica equivalente
Fatores radial e axial dos rolamentos fixos de esferas são relacionados por: Folga normal P0 Fr [kN] para Fa 0,8 Fr Fa P0 0,6.Fr 0,5.Fa [kN] para 0,8 Fr MEDIDAS DE MONTAGEM
Os anéis dos rolamentos só podem encostar-se aos rebordos do eixo e da caixa e não no rebaixo. O maior raio rg da peça contrária rsmin tem que ser, portanto, menor que a menor dimensão de canto rsmin (do rolamento).
A altura do rebordo da peça contrária deverá ser de tal forma que, mesmo com a maior dimensão de canto, ainda permaneça uma superfície de apoio com uma largura suficiente (DIN 5418).
235 MEDIDAS DE MONTAGEM CONFORME DIN 5418
Figura 13 - Montagens de anéis de rolamento
Por serem de construção simples, inseparáveis, adequados para operar em altas rotações, não exigirem muita manutenção e apresentarem um preço favorável, são os rolamentos mais usuais. Apresentam um grande número de tamanhos e construções.
As pistas profundas e a conformidade próxima entre as ranhuras das pistas e as esferas permite suportar cargas axiais relativamente pesadas em ambos os sentidos, além de cargas radiais.
7.8.2 - ROLAMENTOS DE ESFERAS DE CONTATO ANGULAR
Rolamentos FAG de contato angular de esferas de duas carreiras.
A pista do anel externo é esférica e o centro do raio é coincidente ao centro do rolamento. Desta forma, o anel interno e a gaiola com as esferas giram livremente ao redor do centro do rolamento, permitindo com isto a correção de erros de alinhamento.
Os rolamentos de contato angular de esferas de duas carreiras das séries 32B e 33B não têm ranhuras de enchimento, motivo pelo qual admitem cargas axiais em ambos os sentidos. Além dos rolamentos abertos, há ainda execuções básicas com blindagens (.2ZR) ou com anéis de vedação (.2RSR) em ambos os lados Os rolamentos que sejam fornecidos na execução básica vedada, podem também por razões técnicas de fabricação, ter no rolamento aberto, as ranhuras para os anéis de vedação ou os discos de blindagem. Os rolamentos de contato angular de esferas de duas carreiras têm, de um lado, ranhuras de enchimento; os rolamentos devem ser montados de maneira que a solicitação principal seja admitida pelas pistas de rolagem, que não tenham qualquer ranhura de enchimento. Os rolamentos de contato angular de esferas 33DA, com o anel interno bipartido, por seu elevado ângulo de contato de 45°, são adequados para admitir cargas axiais espec ialmente altas em sentidos alternados.
Figura 15 - Rolamentos de contato angular de esferas
As fórmulas para a capacidade de carga equivalente dependem do ângulo de contato dos rolamentos.
CARGA DINÂMICA EQUIVALENTE
Rolamentos de contato angular de esferas, das séries 32B e 33B com um ângulo de contato α de 25 °
P Fr 0,92.Fa [kN] para Fa 0,68
237
P 0,67.Fr Fa
1,41.Fa [kN] para
Fr 0,68
Rolamentos de contato angular de esferas, das séries 32B e 33B com um ângulo de contato α de 35° P Fr 0,66.Fa [kN] para Fa 0,95 Fr Fa P 0,6.Fr 1,07.Fa [kN] para Fr 0,95
Rolamentos de contato angular de esferas, das séries 32B e 33B com um ângulo de contato α de 45° P Fr 0,47.Fa [kN] para Fa 1,33 Fr Fa P 0,54.Fr 0,81.Fa [kN] para 1,33 Fr
CAPACIDADE DE CARGA ESTÁTICA
O fator radial é 1; os fatores axiais dependem do ângulo de contato. Rolamentos de contato angular de esferas, das séries 32B e 33B com um ângulo de contato α de 25 °
P0 Fr 0,76.Fa [kN]
Rolamentos de contato angular de esferas, das séries 32B e 33B com um ângulo de contato α de 35 °
P0 Fr 0,58.Fa [kN]
Rolamentos de contato angular de esferas, das séries 32B e 33B com um ângulo de contato α de 45 °
P0 Fr 0,44.Fa [kN]
aço. Os rolamentos híbridos de cerâmica das séries HCB719, HCB70 e HCB72 têm as esferas do mesmo tamanho, porém de cerâmica. Os rolamentos para fusos de alta velocidade das séries HS719 e HS70 como também os rolamentos híbridos de cerâmica das séries HC719 e HC70 têm esferas menores de aço ou de cerâmica. Estes rolamentos se destacam pela aptidão para uma rotação mais elevada, atrito e geração de calor mais reduzido, menos necessidade de lubrificante e com isto uma duração de vida mais alta. Com os rolamentos para fusos de alta velocidade HSS719 e HSS70, como com os rolamentos híbridos de cerâmica HCS719 e HCS70, obtém-se soluções extremamente econômicas. Estes rolamentos têm anéis de vedação de ambos os lados. São lubrificados com graxa para a vida e livres de manutenção. Os rolamentos para fusos da execução universal são para a montagem em pares na disposição em X, O ou Tandem ou para a montagem em grupos em qualquer das disposições. Os pares de rolamentos da execução universal UL têm, antes de montados, uma leve pré-carga nas disposições em X ou em O. Nos ajustes interferentes a précarga do par de rolamentos aumenta (para as tolerâncias de usinagem dos assentamentos, vide a publicação FAG n° AC 41130). Ao pedir os rolamentos na execução universal deverá ser mencionado a quantidade de rolamentos e não a de pares ou de pos.
Os rolamentos de esferas de contato angular possuem as pistas dos anéis internos e externos deslocadas entre si no sentido do eixo do rolamento. Isto significa que são particularmente adequados para suportar cargas combinadas, isto é, cargas radiais e axiais atuando simultaneamente.
ROLAMENTOS DE ESFERAS DE CONTATO ANGULAR DE UMA CARREIRA (5)
Figura
A esferas e os anéis in 30° ou 40°. Quanto maior o â quanto menor o ângulo de cont
7.8.3 - ROLAMENTOS DE AG Os rolamentos de agulh finos e compridos com respeito rolo é de 2,5 vezes ou mais o agulha. Apesar da sua pequen de carga e são, portanto extrem radial estiver limitado.
7.8.4 - ROLAMENTOS DE RO Os rolamentos de rolo formados pelas pistas do anel de centro do rolamento. Quan de carga axial. É necessário u duas carreiras. São usados par
16 – Ângulo de contato em rolamentos esféricos
nterno e externo formam ângulos que podem va ângulo de contato, maior será a capacidade d
tato melhor será para altas rotações.
GULHAS
has são rolamentos de rolos com rolos cilíndrico ito ao seu diâmetro. A ISO usa a definição que o o diâmetro do rolo. Usa se, em referência a eles, ena seção transversal esses rolamentos têm ele mamente apropriados para arranjos de rolamento
Figura 17 – Rolamentos de agulhas
OLOS CÔNICOS
os cônicos são projetados de forma que o v interno e externo, e pelos rolos, coincidam em u ndo se aplica uma carga radial, dá-se origem a usar dois rolamentos em oposição, em alguma c
ra cargas combinadas, ou seja, carga radial e ax
239 variar de 15°, 25°,
de carga axial, e
cos que são muito o comprimento do , o termo rolos de evada capacidade os onde o espaço
vértice dos cones um ponto na linha uma componente combinação ou de
O ângulo de contato α determina a capacidade de carga axial do rolamento. Quanto maior o ângulo, maior a capacidade de carga axial.
ângulo intermediário: C = 20°; ângulo grande: D = 28°;
ângulo normal: sem sufixo = 17°.
Figura 18 – Rolamentos de rolos cônicos de uma carreira de (25) em pares de quatro carreiras (27) rolos cônicos cruzados.
7.8.5 - ROLAMENTOS AXIAIS
Podem suportar somente cargas axiais. As cargas radiais não podem ser aplicadas, devido à sua construção.
ROLAMENTOS AXIAIS DE ROLOS CILÍNDRICOS
Os rolamentos axiais de rolos cilíndricos podem suportar cargas axiais pesadas, são insensíveis a cargas de choque e possibilitam arranjos de rolamentos rígidos que necessitam de pouco espaço axial. Os rolamentos das séries 811 e 812 são utilizados principalmente quando a capacidade de carga dos rolamentos axiais de esferas é insuficiente.
Os rolamentos axiais de rolos cilíndricos são rolamentos de sentido único, suportando somente cargas axiais atuando em um sentido. Seu formato e desenho são simples, sendo fabricados em construções de uma carreira e de duas carreiras.
241 ROLAMENTOS AXIAIS DE AGULHAS
Os rolamentos axiais de agulhas podem suportar cargas axiais elevadas, são insensíveis as cargas de choque e proporcionam arranjos rígidos que necessitam de espaço axial reduzido. São rolamentos de escora simples, suportando somente cargas axiais em um sentido. Para aplicações em que os componentes associados são inadequados para serem utilizados como pista, os conjuntos também podem ser combinados com anéis de diferentes construções.
7.9 – EXEMPLO RESOLVIDOS
1. Selecionar um rolamento para motor elétrico, com as seguintes características: • Diâmetro do eixo, entre 50 ~ 70mm;
• Diâmetro do alojamento, entre 80 ~130mm; • Força Radial = 1000 kgf; • Força Axial = 200 kgf;
• Temperatura de Trabalho = 80° C;
• Local com pequena concentração de impurezas; • Rotação = 3600 rpm;
• Vida mínima exigida de 10.000 horas.
Para o nosso exemplo poderemos definir o tipo de rolamento mais adequado para a aplicação requerida.
Espaço permissível para o rolamento.
Diâmetro Interno = 50 ~70 mm: poderemos utilizar qualquer rolamentos entre XX10 ~XX14;
Diâmetro Externo = 80 ~ 130mm: qualquer rolamento entre XX10 ~ XX14, exceto X313 (D = 140mm) e X314 (D = 150mm).
Largura = Neste exemplo, não foi especificada a largura permitida. Intensidade e direção da carga.
Tabela 5a – Exercício resolvido 1
Todos os rolamentos acima atenderiam a exigência do projeto quanto à capacidade de carga.
Velocidade de rotação.
Vamos comparar o limite de rotação dos rolamentos 6310, 21310, NU310 e 7310B: Rolamento Cr (kgf) Cor (kgf)
6310 6.000 7.500
21310 2.800 3.800
7310B 5.000 6.700
NU310 5.600 6.700
Tabela 5b – Exercício resolvido 1
Neste caso, o rolamento 21310 não atende às exigências de rotação do equipamento. Desalinhamento
Não exigido para o exemplo dado. Fixação na direção axial
Definir se é livre ou lado fixo. Dificuldade na instalação e remoção
Verificar as dimensões dos encostos nas tabelas de dimensões dos rolamentos. Ruído
Os rolamentos de esferas são os mais adequados quando o nível de ruído é importante. Rigidez
Os rolamentos de contato angular são os mais indicados, no entanto, esta exigência não é requerida para esta aplicação.
Disponibilidade e custo.
Tabela comparativa de custos entre rolamentos de tipos diferentes com o mesmo dimensional.
Rolamento 6310 22310 30310 NU2310 7310B Custo (unidade:x) 1,00 2,60 1,80 2,80 1,90
Tabela 5c – Exercício resolvido 1
243
p
Diante do exposto acima, o rolamento fixo de uma carreira de esferas é o mais indicado e atende às exigências: das dimensões requeridas, da rotação, da carga radial e axial e aos requisitos da aplicação.
Além disso, tem o menor custo comparado aos outros tipos de rolamentos com o mesmo tamanho e a vantagem da fácil localização para compra.
Resultado do Exemplo:
Definição do Tipo Especificação do Tipo
Rolamento Fixo de uma Carreira de Esferas 6310
Tabela 5d – Exercício resolvido 1
2. Um rolamento rígido de esferas 6309 feito de aço padrão da SKF deverá trabalhar a uma velocidade de 5 000 r/min sob uma carga radial constante Fr = 8 000 N. Vai ser utilizada a lubrificação com óleo, possuindo o óleo uma viscosidade cinemática ηc = 20 mm2/s à temperatura de trabalho. A confiabilidade desejada é de 90 % e assume-se que as condições de trabalho são de extrema limpeza. Quais serão as vidas L10, Lna e Lnaa? a) Vida nominal L10 (para 90 % de confiabilidade)
C
L
10
P
A partir das tabelas de produtos, as capacidades de carga dinâmica para o rolamento 6309, C = 52 700 N. Uma vez que a carga é puramente radial, P = Fr = 8 000 N e por conseguinte.
L10 = (52 700/8 000)3 = 286 milhões de revoluções b) Vida nominal ajustada Lna
Lna = a1 a23 L10
Como é necessária uma confiabilidade de 90 %, será preciso calcular a vida L10a e a1 = 1. O fator a23 é calculado da seguinte maneira: para o rolamento 6309, utilizando d e D das tabelas de produtos, dm = 72,5 viscosidade de óleo requerida à temperatura de trabalho para uma velocidade de 5 000 r/min, ν1 = 7 mm2/s κ = η/η1 = 2,7 valor de a23 = 1,92.
L10a = 1 x 1,92 x 286 = 550 milhões de revoluções
c) Vida nominal de acordo com a teoria de vida da SKF Lnaa = a1 aSKF L10
extrema limpeza ηc = 1 e por conseguinte para κ = 2,7 o valor de aSKF é 14 para que de acordo com a teoria de vida da SKF
L10aa = 1 x 14 x 286 = 4 000 milhões de revoluções
Para obter as vidas correspondentes em horas de trabalho, é necessário multiplicar por [1 000 000/(60 n)]
onde n = 5 000 r/min. As diferentes vidas são então L10h = 950 horas de trabalho L10ah
= 1 800 horas de trabalho L10aah = 13 300 horas de trabalho
Se no exemplo tivéssemos calculado para condições de contaminação tais que ηc = 0,2, aSKF seria 0,3 e
L10aa = 1 x 0,3 x 286 = 86 milhões de revoluções
Ou L10aah = 287 horas de trabalho
3. O apoio de um eixo de hélice de navio possui diâmetro d=140mm . Ele suporta uma esforço axial normal de FaN=40 kN a uma rotação de nN=375 rpm e uma carga axial e uma carga axial máxima de Fav=53 kN a uma rotação nv=500 . A duração da carga normal corresponde a 75% do total e a duração da carga máxima 25% da duração total. A vida de trabalho destes equipamentos chega a 50.000 h de funcionamento. Selecione os mancais de rolos angulares adequados para este sistema.
Resolução:
d 30mm
245 F
F
Y
F
K
a2500
N
n 1500rpm
F
ar2000
N
F
br3000N
a) Rolamento A - SKF 30206 C(N) =40200 e=0,37 Y=1,6 B - SKF 33206 C(N) = 64400 e=0,35 Y=1,7 Testando se a disposição pertence ao grupo 2a, 2b ou 2c
F
arY
aF
brY
bF
arY
a2000
1,6
3000
1,7
F
brY
b1250N
1765N
condição2a
Assim:0,5F
0,5
3000
1,7
882,4
br ba ba bF
baN
F
AaF
BaK
aF
Aa882,4
2500
F
Aa3382N
Cálculo da carga dinâmica equivalente
247 r a 1 F
Cálculo do tempo de vida: (Pág 28)
1000000 C 10 3 L 60 n P Rolamento A: 1000000 40200 10 La 60 1500 3 62 La 5614 horas de trabalho Rolamento B: 1000000 64400 10 Lb 60 1500 3 3000 Lb 305500 horas de trabalho
b) Pelos resultados obtidos observa-se que o rolamento A: SKF 30206 não suporta um tempo de vida de 32000 horas, já que seu limite é de 5614 horas. Já o rolamento B: SKF 33206 poderia ser utilizado. No entanto, seu limite de vida é de 305500 horas é muito maior que o necessário, o que significa um maior custo. Desta forma, o ideal para esta situação é escolher um rolamento que possua uma capacidade dinâmica C, entre os valores de Ca = 40200N e Cb = 64400N, já que a capacidade dinâmica é proporcional ao tempo de vida. Assim sendo: os rolamentos SKF 31306 e SKF32206 que possuem capacidades dinâmicas de 47300N e 49500N, respectivamente, são mais recomendados para esta situação.
Verificando o rolamento SKF 31306
Considerando que tanto o rolamento B quanto A são iguais: SKF 31306
3
P
3
Considerando o pior hipótese, ou seja, a carga dinâmica equivalente P iguala 4100N Temos:
1000000 47300 10
L 60 1500 3
4100
Lb 38550 horas de trabalho
Assim verifica-se que o rolamento SKF 31306 é suficiente para onde são necessários um tempo de vida de 32000 horas
4. O mancal de um garfo de um roda em balanço contém dois rolamentos radiais de esferas série 62 . O diâmetro do eixo foi calculado em 25 mm. A figura mostra as medidas calculadas em mm. A carga radial radkraft F é de 2,5 kN. Selecione estes rolamentos, para as condições normais de trabalho sendo que a capacidade de carga de ambos rolamentos é determinada em função das cargas radiais Far eFbr e que um dos rolamentos deve suportar toda a carga axial.
Resolução:
Figura 20 - Exercício proposto 4
F 5Ton
d 0,05m
a)49,05
10 N
C
0S
0 1,3S
0 0Carga estática equivalente para rolamento axial de esfera
P
0F
a249
3
3 0
O rolamento selecionado segundo a tabela da pagina 600 é o SKF 51210 que possui uma capacidade de carga estática superior a requerida, ou seja, Co=106000N > 63770N
b) Para o rolamento SKF 51210 e
F
a24,53 10 N
, qual o So?
P
0F
aC
o106000 N
S
C
0P
0S
04,32
106000
24,53 10
7.10 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS1. O eixo de um carrinho para combustível de forno suporta m=1,5 t devido ao peso próprio e carga F p Quando o forno estiver funcionando ele suporta temperatura t=300o C. Pelos cálculos para o dimensionamento do eixo, chegou-se ao valor de d=35 . Selecione os rolamentos de esfera para este carrinho.
Figura 21 - Exercício proposto 1
