MANCAIS DE ROLAMENTO OU DESLIZAMENTO?

Antes de abordar especificamente os rolamentos, precisamos falar um pouco sobre mancais. Rolamentos, outrora conhecidos como mancais de rolamento, pois se diferenciam dos mancais de deslizamento, e daí se faz necessário discorrer tanto sobre mancais quanto da sua característica de funcionamento, se de rolamento ou deslizamento. Mancal é um ponto de apoio de um eixo, onde ocorre a transferência de cargas que atuam sobre o eixo para este ponto de apoio. Diz-se que um mancal é de rolamento quando a carga é transferida através de elementos que estão em contato por rolamento e não por deslizamento.

Nos mancais de deslizamento a área de lubrificação é relativamente grande e amortece vibrações e choques, permitindo menor jogo. Dispondo de uma tolerância mais aberta de ajuste, esses são de simples construção e fabricação, podendo ser inteiriços ou bipartidos. Os mancais de deslizamento de grande diâmetro são, com certeza, mais baratos que os mancais de rolamento. Isso é simples de se entender também que pelo fato de não possuírem elementos de rolagem, os mancais de deslizamento podem ser construídos com diâmetros menores e apresentam construção bem mais simplificada.

Mancais de deslizamento

É importante destacar que os mancais de deslizamento necessitam de excelente acabamento entre as superfícies de deslizamento ou escorregamento e o lubrificante deve ser selecionado de acordo com as condições de trabalho. Vale lembrar que a película de lubrificante só se forma após o movimento de deslizamento inicial, sendo este o motivo pelo qual o coeficiente de atrito de partida em um mancal de deslizamento apresenta valores notadamente mais significativos que em um mancal de rolamento, ou seja, enquanto em um mancal de deslizamento o coeficiente de atrito é da ordem de 0,12, num mancal de rolamento é de aproximadamente 0,02, vide figura 1, que apresenta as curvas do coeficiente de atrito em função da rotação, para diferentes pressões médias Pm, para mancais com lubrificação por anel com um diâmetro de eixo de 70 mm.

Analisando a figura 1, podemos observar o que ocorre em um mancal radial, o coeficiente de atrito µ diminui rapidamente com o aumento da rotação, isto é, o coeficiente de atrito na partida é de maior valor e vai diminuindo até um valor mínimo, que se dá no momento em que os metais de desencostam, vindo depois a aumentar conforme o aumento da rotação. À direita da linha vertical verde de referência localiza-se o campo onde acontece a lubrificação hidrodinâmica, ou seja, as superfícies de deslizamento são separadas por um filme de lubrificante. Desse modo, a pressão do lubrificante suporta a carga que atua sobre o eixo, de forma que não há desgaste metálico, que é o desejado.
Neste campo, a propriedade do lubrificante que tem importância é a viscosidade dinâmica. Os mancais de deslizamento são fabricados a partir de certos materiais selecionados em razão de possuírem características especiais como, por exemplo, absor ver choques, serem autolubrificantes, impregnados de óleo, entre outras.
Dos materiais usados para fabricação de mancais de deslizamento podemos citar, dentre os metais, o bronze, o latão, o bronze ao estanho, bronze sinterizado, ferro fundido cinzento,metal branco, liga de alumínio e liga de magnésio. Na figura 2 podemos ver um mancal de deslizamento, cujo material de contato entre eixo e mancal é o bronze e na figura 3 observamos as conhecidas bronzinas, buchas utilizadas em motores de combustão interna.

Há também uma vasta gama de buchas de elastômeros no mercado, aplicáveis principalmente para as áreas de saneamento básico, hidrelétrica, indústria alimentícia, indústria química e áreas de hidráulica em geral. São compostos à base de resinas e fibras sintéticas e possuem inúmeros benefícios, entre os quais estão:

• Material elástico, possui capacidade de absorver choques e desalinhamentos.

• É autolubrificante podendo operar a seco ou submerso.

• Possui ótima resistência ao desgaste e à abrasão.

• Não sofre corrosão.

• Tem baixo coeficiente de atrito.

• Material vendido em formato de tubos, podendo ser usinado por quem vai executar a montagem.

• Tem alta capacidade de carga.

A figura 4 apresenta um mancal de deslizamento tipo satélite com bucha de elastômero.

A resposta à pergunta: Mancais de rolamento ou deslizamento? Depende de vários fatores. Sendo preciso então estudar o caso, analisar as condições que envolvem o equipamento em questão e conhecer e verificar as principais aplicações de mancais de deslizamento e rolamento. Daqui em diante, estaremos abordando os mancais de rolamento, item de grande interesse para qualquer um que trabalhar com transmissão de energia através de movimento rotativo.

TIPOS CARACTERÍSTICOS DE ROLAMENTOS

Rolamentos fixos de uma carreira de esferas (figura 5) - É talvez o tipo mais conhecido, pois atende a um vasto campo de aplicações.

Trata-se de um rolamento que permite apoio de carga axial além da carga radial, sendo mais indicado para aplicações que requerem baixo ruído e vibração e máquinas de alta velocidade de rotação. Está disponível em vários tipos de construções, e além do tipo aberto, podese encontrar os blindados, os quais vêm lubrificados de fábrica.

Rolamentos axiais de esferas de escoras simples e de escora dupla (figura 6) - Os rolamentos axiais de esferas são constituídos por anéis em formato de arruelas com canal e gaiolas com esferas embutidas.

O anel que deve ser montado no eixo é denominado de anel interno e o outro a ser montado no alojamento do mancal é denominado de anel externo. Nos rolamentos de escora dupla, o eixo é instalado no anel central, também conhecido de anel intermediár io. Os rolamentos axiais de escoras simples suportam a carga axial em um só sentido, enquanto os rolamentos axiais de escoras duplas toleram cargas axiais nos dois sentidos. Nesses rolamentos é comum ter gaiolas de aço prensadas, enquanto que nos rolamentos pequenos e nos rolamentos grandes gaiolas usinadas.

Rolamentos axiais autocompensadores de rolos - Nestes rolamentos os rolos são trapezoidais e estão dispostos obliquamente na superfície de rolagem. Eles possuem auto-alinhamento justamente porque a pista do anel externo é esférica. Possuem grandes capacidades de carga axial e estando sob carga axial, permitem ainda a aplicação de cargas radiais moderadas. As gaiolas podem ser prensadas em aço ou usinadas de latão.

Rolamentos de duas carreiras de esferas de contato angular - Estes rolamentos permitem carga radial e em um único sentido à carga axial. Os anéis externo e interno juntamente com as esferas formam ângulos de contato que vão de 15º à 40º, de modo que, quanto maior o angulo de contato, maior a capacidade de suportar carga axial e quanto menor o angulo de contato, mais indicado para aplicações em altas rotações. Encontram-se também na concepção com duas carreiras de esferas que podem receber cargas axiais nos dois sentidos (figura 7).

As gaiolas são prensadas em aço, mas, para as aplicações que requerem maior precisão utiliza-se gaiolas de poliamida.

Rolamentos autocompensadores de esferas e de rolos (figuras 8 e 9) - A pista do anel externo é esférica e o anel interno possui duas pistas de rolagem.

O centro do raio da curvatura do anel externo está no centro do rolamento, de forma que as esferas, a gaiola e o anel interno se inclinam em relação ao anel externo. Fica fácil de perceber que esses rolamentos tendem a compensar erros de desalinhamento de mancais, pequenos desvios de usinagem ou mesmo pequenas deficiências de montagem. É importante entender que esses rolamentos são indicados em casos onde o eixo sofre algum tipo de flexão, que precisa ser compensada durante o funcionamento da máquina. Os rolamentos autocompensadores de rolos permitem o apoio da carga radial e em ambos os sentidos a carga axial, possuindo alta capacidade de carga radial e sendo indicados para aplicações com cargas pesadas e mesmo cargas de choque. Eles são também fabricados com furo cônico e podem ser montados diretamente sobre o eixo ou através de buchas. As gaiolas podem ser prensadas em aço, usinadas em latão ou poliamida.

Rolamentos de rolos agulha - Estes rolamentos são compostos por um grande número de rolos finos e alongados, com comprimento de rolo de 3 a 10 vezes o diâmetro. Esse tipo de construção possui maior capacidade de carga radial. Há no mercado uma grande variedade de rolamentos tipo agulha, alguns com rolos e sem anéis, com anel interno e sem anel interno, com e sem gaiola.

Rolamentos de rolos cônicos (figuras 10 e 11) - Os rolamentos de rolos cônicos permitem grandes cargas radiais e, em um único sentido, as cargas axiais, por isso costuma-se montar duplas destes rolamentos, montados invertidos, para que cada um suporte a carga axial em um sentido.

O anel interno tem formato de cone, enquanto o anel externo funciona mais como uma capa, e pelo fato de serem separáveis, os anéis podem ser montados separadamente em seus alojamentos. São também fabricados com duas e quatro carreiras de esferas. As gaiolas são normalmente prensadas em aço.

CARACTERÍSTICAS DOS ROLAMENTOS

Dimensionamento

Quando se projeta um equipamento ou uma máquina, normalmente se obtém os diâmetros mínimos dos eixos, e a partir daí já se tem uma idéia para os diâmetros dos furos dos rolamentos, ou seja, o diâmetro interno do anel interno do rolamento. Após esta idéia de diâmetro, é necessário passar para uma análise de dimensionamento do rolamento quanto à solicitação estática, à vida útil e mesmo em relação ao custo ou economia. Dentro da fase de dimensionamento de um rolamento fazse distinção entre a solicitação estática e a solicitação dinâmica, e é sobre estes conceitos que abordaremos agora. O cálculo da solicitação estática estuda o rolamento quando o mesmo está parado ou gira muito lentamente, e implica em verificar se a carga que se deseja aplicar sobre o rolamento está dentro dos parâmetros para o qual ele foi projetado, ou seja, verifica se a carga pode ou não causar deformações plásticas muito elevadas na pista de rolagem ou nos corpos rolantes. No cálculo da solicitação dinâmica, quando há movimento relativo entre os anéis é verificada a segurança contra uma fadiga prematura do material das pistas e dos elementos rolantes, e neste conceito começamos a tratar da vida de um rolamento. A vida de um rolamento é compreendida como sendo o número de revoluções ou de horas a uma determinada velocidade constante (rotações por minuto - rpm) que o rolamento alcança antes de apresentar o primeiro sinal de fadiga (escamas) em algum dos elementos girantes ou na pista de rolagem. É de conhecimento geral que rolamentos aparentemente idênticos, funcionando sob condições idênticas, apresentam vidas diferentes. As informações que os fabricantes apresentam sobre a capacidade de carga dinâmica de um rolamento estão baseadas na definição de vida nominal, que representa a vida alcançada por 90% ou mais dos rolamentos aparentemente idênticos de uma amostra realmente considerável, submetida às mesmas condições de operação. Os fabricantes definem várias outras vidas para os rolamentos como, por exemplo, vida de graxa para um rolamento com pré-lubrificação, vida de ruído e vida útil, que é a vida realmente alcançada pelo rolamento e depende de vários fatores.

Solicitação Estática

Comprova se o rolamento escolhido possui capacidade suficiente de carga estática e pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:

onde:

fs = fator de esforços estáticos;

Co= Capacidade de carga estática, valores dados em N,KN, Kgf;

Po =Carga estática equivalente,valores calculados em N,KN, Kgf.

Fs é um valor de segurança contra deformações elevadas nos pontos de contato entre o anel de rolagem e os elementos rolantes. Nos casos em que se deseja um giro particularmente suave e silencioso, o fator fs será mais elevado; nos casos em que as exigências são menores, o fator fs será menor. Cada fabricante apresenta valores de fs correspondentes aos seus produtos, mas como todos trabalham dentro de normas específicas e internacionais, esses valores são bem próximos, como, por exemplo:

Fs = 1,5 à 2,5 para exigências elevadas,

Fs = 1,0 à 1,5 para exigências normais,

Fs = 0,7 à 1,0 para exigências reduzidas.

A capacidade de carga estática Co está indicada nas tabelas fornecidas pelos fabricantes e indica a capacidade de carga estática do rolamento. A carga estática equivalente Po é um valor a ser calculado, e resulta em uma carga radial nos rolamento radiais ou uma carga axial nos rolamento axiais, sendo calculada pela seguinte fórmula:

valores calculados em N,KN, Kgf, onde:

Po = Carga estática equivalente,

Fr = Carga axial , valores dados em N,KN, Kgf;

Fa = Carga radial, valores dados em N,KN, Kgf;

Xo = Fator radial;

Yo = Fator axial.

Os fatores radiais e axiais são indicados em tabelas fornecidas nos manuais dos fabricantes.

Solicitação Dinâmica

Como já foi dito, o cálculo dos rolamentos em relação à solicitação dinâmica, segundo as normas, está ligado à vida do rolamento até a fadiga, ou seja, até a formação de escamas ou “pittings”. Para o cálculo da vida nominal, usa-se a seguinte fórmula :

Valores dados em106 rotações, sendo:

L10= L = vida nominal; valores dados em106 rotações ;

C= capacidade dinâmica; valores dados em N,KN, Kgf;

P = carga dinâmica equivalente; valores dados em N,KN, Kgf;

p = expoente de duração da vida nominal

A capacidade de carga dinâmica C está indicada nas tabelas fornecidas pelos fabricantes e possibilita que o rolamento alcance uma vida nominal L10 de 106 rotações.

A carga dinâmica equivalente P é um valor a ser calculado, resultando em uma carga radial constante, em grandeza e direção nos rolamento radiais, ou uma carga axial nos rolamento axiais, sendo calculada pela seguinte fórmula:

Valores calculados em N,KN, Kgf, onde:

P = Carga estática equivalente

Fa = Carga axial , valores dados em N,KN, Kgf;

Fr = Carga radial, valores dados em N,KN, Kgf;

X = Fator radial

Y = Fator axial

Os fatores radiais e axiais são indicados em tabelas fornecidas nos manuais dos fabricantes.

O valor do expoente de duração da vida nominal p é diferenciado para rolamentos de esferas ou de rolos, sendo p=3 para rolamentos de esferas e p=10/3 para rolamentos de rolos. Observe que se a rotação do rolamento for constante, a vida nominal pode ser expressa em horas, o que foi sempre muito comum ou o mais esperado. No entanto, nos casos de redutores de velocidade e levando-se em conta que atualmente também é muito comum o uso de inversores de freqüência para variar a rotação em motores e aplicar nas máquinas diferentes rotações e torques, analisaremos também como fazer o cálculo nestes casos, primeiramente vamos ver como fica a fórmula se a rotação for constante:

Valores dados horas, sendo:

L10= L = duração da vida nominal dada em horas;

L= vida nominal, valores dados em de 106 rotações;

n = rotação (freqüência de giro);valores dados e rpm.

Adequando a fórmula teremos:

Ou

Desta forma, nascem dois fatores, denominados fL e fn, apresentados a seguir:

A equação da vida nominal assume a seguinte forma simplificada:

Sendo:

fL = Fator dinâmico

C = Capacidade de carga dinâmica, valores dados em N,KN, Kgf;

P = Carga dinâmica equivalente, valores dados em N,KN, Kgf;

fn = Fator de rotação.

Observações

Os fatores de rotação e dinâmico são chamados também de coeficientes por alguns fabricantes. O fator fn é apresentado pelas tabelas dos fabricantes e está ligado à rotação que o rolamento irá trabalhar. O fator fL é um valor a ser alcançado, pois os fabricantes apresentam valores de fatores dinâmicos para grupos de equipamentos ou máquinas. Esses valores estão entre 2 e 3,5, sendo necessário consultar o manual do fabricante de rolamento para uma seleção correta desse índice, ou esse valor poderá ser dado em função da vida nominal desejada.

P, denominada Carga dinâmica equivalente é um valor calculado, e como foi mostrado previamente, depende da carga que atua sobre o rolamento. C, denominada Capacidade de carga dinâmica é a capacidade que o rolamento deve ter, os fabricantes apresentam em tabelas em seus manuais a máxima Capacidade de carga dinâmica que seus rolamentos suportam.

Solicitação Dinâmica Com Cargas e Rotações Variáveis

Nem sempre teremos uma carga e rotação constantes para um rolamento, como já foi dito anteriormente. Nestes casos, aproxima-se a curva do gráfico resultante da combinação de cargas e rotações variadas (figura 12).

Observe que é preciso isolar um período de funcionamento do equipamento onde as cargas são definidas e as rotações têm duração determinada, para nessas situações aplicar-se a seguinte fórmula:

Valores fornecidos em N,KN, Kgf, a rotação média (dada em rpm), é calculada pela fórmula:

Valores dados em rpm (rotações por minuto).

Carga mínima dos rolamentos

Se os rolamentos forem submetidos a cargas muito baixas, poderá acontecer escorregamento ou deslizamento, assunto que abordamos logo no início desse artigo. A carga mínima a que um rolamento está submetido corresponde a:

Rolamentos com gaiola P/C =0,02 , e P/C =0,04 para rolamentos sem gaiola, sendo:

C = Capacidade de carga dinâmica, valores dados em N,KN, Kgf;

P = Carga dinâmica equivalente, valores dados em N,KN, Kgf;

Observações sobre os cálculos

O procedimento de cálculo apresentado corresponde às indicações DIN ISO 76 e 281. Os fabricantes adotam índices diferentes e as mesmas fórmulas dispostas de forma diferente de acordo com os fatores apresentados por eles em seus manuais. Existem também fatores de correção da vida do rolamento relativos à temperatura de trabalho, à lubrificação, ao material, à vida ampliada, entre outros, fatores que não devem ficar de lado no momento da seleção do rolamento. O nosso objetivo aqui é trazer uma iniciação para aqueles que têm interesse no assunto, fornecendo uma base para quem deseja aprender mais, de maneira que a correta seleção de um rolamento se dará a partir dos catálogos de seleção e aplicação fornecidos pelos fabricantes. É importante também frisar que os catálogos editados pelos fabricantes estão conforme a última revisão da norma no momento da edição, de maneira que você poderá encontrar manuais de diferentes fabricantes e até de mesmos fabricantes com algumas diferenças, o que não impede que faça uma seleção a contento seguindo o manual que você possui ou vier a possuir. No final, apresentamos alguns fabricantes bastante conceituados no mercado .

TIPOS DE MONTAGENS DE ROLAMENTOS

Existem três tipos de montagem de rolamentos muito conhecidas na indústria e que não poderíamos deixar de abordar neste artigo, são elas:

Montagem com disposição em TANDEM,

Montagem com disposição em “O” (BACK TO BACK),

Montagem com disposição em “X” (FACE TO FACE),

Para exemplificar esses tipos de montagem estamos usando os rolamentos de uma carreira de esferas de contato angular e rolamentos de rolos cônicos, vide figura 13.

Esses rolamentos podem suportar cargas axiais atuando em apenas um sentido. Quando uma carga radial é aplicada ao rolamento, ela resulta em uma carga axial, que deve ser neutralizada. A maneira usada para neutralizar esta carga induzida é montar um segundo rolamento contra o primeiro que está montado. A montagem em pares é preferida quando apenas um rolamento não é suficiente para suportar a carga em questão. Para este caso, utiliza-se a montagem com disposição em tandem; agora, no caso de haver cargas nos dois sentidos, na mesma direção do eixo, e é necessário que haja uma certa folga axial, emprega-se a montagem com disposição em O ou X. Na montagem com disposição tipo tandem as cargas ficam em paralelo, e as cargas radiais e axiais ficam distribuídas entre os dois rolamentos de maneira uniforme. Esse tipo de disposição só suporta cargas axiais em um só sentido, de maneira que é comum ver um terceiro rolamento montado contra o par, para o caso de eventuais cargas axiais aparecerem no sentido oposto. Nos rolamento dispostos em O as linhas de carga divergem em direção ao eixo do rolamento, podendo, nesses casos, serem aplicadas cargas em ambos os sentidos, porém as cargas são suportadas apenas por um rolamento em cada sentido. As montagens com disposição em O possibilitam um arranjo relativamente rígido e são mais indicadas para absorver cargas de momento. Nos rolamentos dispostos em X, as linhas de carga convergem em direção ao eixo do rolamento. Nestes casos, também podem ser aplicadas cargas axiais em ambos os sentidos, todavia também serão suportadas por somente um rolamento em cada sentido. Esse tipo de montagem não é adequado para suportar cargas de momento e também não é tão rígido quanto à montagem em O, mas facilita a instalação quando há a necessidade de interferência no anel interno.

DIMENSÕES PRINCIPAIS DE UM ROLAMENTO

Os rolamentos são elementos de máquina de uso universal, vêm de fabrica prontos para serem instalados, e isto se dá porque as principais dimensões dos rolamentos de maior uso são normalizadas. Essas dimensões são normalizadas por institutos internacionais de padronização como a isso (International Organization for Standardization ) e DIN (Deutsches Institut fur Normung).

Os algarismos (letras e números) na ordem em que aparecem indicam o seguinte:

• O primeiro número da codificação básica ou a combinação de letra e número indica o tipo de rolamento, vide tabela 1.

• O segundo e terceiro números indicam a série de dimensões, dentro dessa padronização cada furo de rolamento reúne uma gama de diâmetros externos e larguras. No par de dois algarismos para a série de medidas, o primeiro corresponde à série de largura (para os rolamentos axiais é altura) e o segundo indica a série de diâmetros.

• Os dois números finais na designação básica, quando multiplicados por cinco, indicam o diâmetro do furo do rolamento em milímetros.

Os fabricantes incluem vários outros números ou letras à codificação do rolamento para dar maiores informações do mesmo aos projetistas, e estas codificações suplementares aparecem na forma de prefixos ou sufixos. Veja na figura 14, quatro exemplos de identificação de rolamentos.

Observações: Em certos casos, o número que indica o primeiro número da série de dimensões (no caso a série de largura) ou o tipo de rolamento é omitido.

GAIOLAS DE ROLAMENTOS

As principais funções das gaiolas são:

• Impor uma mesma distância dos elementos rolantes entre si: isto faz com que a carga seja distribuída de forma uniforme e mantenha o atrito e a geração de calor o mais baixo possível.

• Guiar os elementos rolantes, quando estão em zona livre de carga.

• Impedir que os elementos rolantes se soltem, no caso de rolamentos separáveis ou basculáveis.

As gaiolas dos rolamentos podem ser maciças ou de chapas de aço ou latão, sendo que as de chapa são mais leves que as maciças, possibilitando maior lubrificação, uma vez que há mais espaço para o lubrificante. As gaiolas maciças de latão ou resina fenólica têm como material básico para sua construção tubos de aços, ligas leves e resina. As gaiolas maciças de poliamida são produzidas por um processo de injeção, sendo apropriadas para rolamentos grandes. A injeção possibilita a obtenção de formatos de gaiolas que permitem construções com alta capacidade de carga; as gaiolas com este tipo de material se mostraram muito boas nas solicitações de golpe, desalinhamento de um anel em relação ao outro e elevadas acelerações.

fenólica têm como material básico para sua construção tubos de aços, ligas leves e resina. As gaiolas maciças de poliamida são produzidas por um processo de injeção, sendo apropriadas para rolamentos grandes. A injeção possibilita a obtenção de formatos de gaiolas que permitem construções com alta capacidade de carga; as gaiolas com este tipo de material se mostraram muito boas nas solicitações de golpe, desalinhamento de um anel em relação ao outro e elevadas acelerações. As figuras 15, 16 e 17 apresentam alguns tipos de gaiolas.

CONCLUSÃO

Neste artigo tentamos abordar a importância dos rolamentos, explanando o que é um mancal de rolamento e de deslizamento, deste último apresentamos o conceito de funcionamento e algumas aplicações. Sobre os rolamentos, apresentamos tipos principais e suas características, tentamos trazer uma noção básica sobre os primeiros conceitos de cálculo dos rolamentos, sem nos aprofundarmos muito, pois estamos ainda apresentando o assunto. Não podíamos deixar de fora as montagens padrão dos rolamentos, conhecidas também como montagens de pares de rolamentos, descrevemos a codificação básica dos rolamentos e finalmente tecemos algum comentário sobre as gaiolas dos rolamentos. Ainda há muito por falar, desde condições de trabalho, principais peças da caixa de mancal até os cuidados durante a manutenção, mas estes ficam para a próxima... até lá.