Rolamentos de esferas – Distribuição de carga para rolamentos rolantes

Os rolamentos de esferas e outros rolamentos de rolamento estão instalados em várias máquinas. Os rolamentos instalados transferem as forças radiais ou axiais que ocorrem para o compartimento da máquina e, assim, permitem a utilização de vários componentes móveis. As forças que ocorrem e a carga resultante no rolamento já devem ser determinadas durante o processo de projeto. A distribuição da carga no rolamento e a geometria do ponto de contacto correspondente são cruciais para a vida útil, função e eficiência esperadas do rolamento. Neste artigo, iremos analisar a carga exercida num rolamento e como a geometria da superfície de contacto afeta a distribuição da carga no rolamento.

Fundamentos dos rolamentos de rolos

Os rolamentos de rolo são rolamentos rotativos que guiam as peças móveis em relação uma à outra e os prendem contra os componentes circundantes. Durante este processo, absorvem as forças e transferem-nas como um elemento de ligação entre os componentes inativos e móveis. As suas principais funções são transportar e orientar os componentes em movimento uns em relação aos outros. Neste caso, forças não insignificantes são exercidas nas superfícies do rolamento e nos elementos do rolamento.

Cargas exercidas nos rolamentos em contacto com o componente

A carga principal dos rolamentos é geralmente perpendicular ao plano de contacto. Esta carga concentra-se dentro do rolamento em superfícies de contacto comparativamente pequenas entre o corpo do rolamento e o anel interno ou externo. As forças acidentais levam a uma compressão superficial, que depende, entre outras coisas, da forma da corrida e do corpo de rolamento e também da direção da força e do número de elementos de rolamento sob carga ao mesmo tempo. A compressão da superfície resultante afeta a vida útil e o desgaste, bem como a capacidade de carga máxima permitida do rolamento. Para uma melhor apreciação, a extensão da compressão nas superfícies de suporte de pressão pode ser determinada utilizando as equações Hertz.

A compressão Hertz descreve a distribuição da pressão local que ocorre na superfície de contacto de duas corpos curvos sob carga. Utilizando os cálculos, é possível determinar a área da superfície de suporte de pressão, a deformação e a carga da superfície. Para o cálculo ideal, assumem-se as seguintes condições: um comportamento material linear-elástico, as superfícies de contacto são comparativamente pequenas, o contacto é livre de fricção e a pressão é exercida verticalmente. Na prática, estas condições nem sempre são cumpridas com precisão em rolamentos, mas a fórmula Hertz ainda fornece resultados suficientemente precisos para avaliar a compressão máxima da área. Com base nestes, os rolamentos de rolamento podem ser melhor concebidos e a carga máxima para rolamentos de esferas também pode ser determinada.

Impacto da geometria da superfície de contacto na distribuição da carga

A geometria da superfície de contacto muda dependendo da geometria da corrida e dos tipos de elementos de rolamento usados. Tem uma influência direta na distribuição da carga. Por exemplo, forma-se um chamado contacto de ponto para esferas, enquanto um contacto de linha se forma para elementos cilíndricos. O contacto de ponto leva a uma compressão sob carga. Tanto a bola como a pista deformam-se de forma elástica. Esta deformação cria uma superfície de contacto elíptica com uma distribuição de compressão diferente. A compressão está no seu máximo (deformação máxima) no centro da superfície de contacto criada pela deformação e depois diminui para fora.

Instruções para conceber rolamentos de esferas

O design do rolamento influencia significativamente a função e a vida útil dos rolamentos de esferas. O movimento relativo de um anel de rolamento pode ter um efeito negativo na vida útil. O movimento é frequentemente causado por uma montagem incorreta: O anel do rolamento não está alinhado correctamente ou não está devidamente fixado. Durante a instalação, é, portanto, essencial garantir que a fixação do rolamento de roletes dos anéis (anel interior e anel exterior) e também as anilhas no eixo ou orifício do alojamento estão devidamente instalados. Não permita que estes deslizem sob carga.

Mas não apenas uma instalação excessivamente solta, mas também uma instalação excessivamente apertada pode ter consequências negativas: Se os anéis dos rolamentos estiverem demasiado apertados ou deformados devido a força excessiva durante a montagem, isto leva a uma distribuição desigual da carga. Podem ocorrer picos de carga, resultando na falha prematura do material e no risco de fissuras. Um anel de rolamento deformado pode criar novas superfícies de contacto para a fricção e geração de calor, o que também afeta negativamente a vida útil.

Além de garantir o ajuste correto, o tipo de carga desejado também deve ser definido antes da instalação. Em alternativa, é possível avaliar a que tipo de carga o anel será exposto. O tipo de carga define como o anel do rolamento é fixado ou movido em relação à fonte de carga e qual o assento do rolamento a selecionar. Existem os seguintes tipos:

• Carga circunferencial: Uma carga circunferencial no rolamento ocorre quando o anel está a funcionar em relação à direção da carga. Todo o anel é sob tensão uma vez durante a revolução. Se o assento estiver solto, o anel pode migrar, pelo que deve ser selecionado um assento apertado.
• Ponto de carga: Um ponto de carga no rolamento ocorre quando o anel é posicionado em relação à direção da carga. O mesmo ponto está consistentemente sob carga. Mesmo quando o assento está solto, o anel não migra.

A tabela seguinte mostra os diferentes casos de carga dos rolamentos radiais:

Ambos os tipos de carga têm aplicações diferentes. No entanto, na maioria dos casos, a carga circunferencial será a opção de partilha de carga uniforme pretendida. As tolerâncias para rolamentos e sedes de rolamentos em geral podem ser encontradas no nosso blogue de ajustes ISO e tolerâncias para eixos e orifícios.

Soluções baseadas em design para rolamentos flutuantes e fixos

Para rolamentos cilíndricos, existem duas configurações comuns de rolamentos: Rolamentos flutuantes e rolamentos fixos. Os rolamentos fixos foram concebidos para absorver forças radiais e também axiais. Bloquear o eixo na direção axial impede que se mova. Rolamentos fixos adequados incluem rolamentos de esferas de contacto angular de linha dupla. Os rolamentos flutuantes são utilizados exclusivamente para absorver forças radiais. Ambos os tipos de rolamentos estão normalmente dispostos de modo a que possam idealmente absorver estas cargas e compensar as alterações térmicas no comprimento do eixo ou compartimento suportado. Os rolamentos flutuantes adequados incluem rolamentos cilíndricos de rolos e rolamentos de agulhas. A roda dentada do rolo pode mover-se ao longo do anel do rolamento sem nervuras.

As duas figuras seguintes mostram a diferente distribuição de carga quando se instala um rolamento de esferas de ranhura com pré-carga diferente (encaixe):

Devem ser utilizados, no mínimo, dois rolamentos para suportar um eixo. Estes rolamentos múltiplos consistem num rolamento fixo e num qualquer número de rolamentos flutuantes. Os rolamentos flutuantes de um eixo rotativo foram concebidos para absorver forças radiais enquanto permitem o movimento axial. Assim, a expansão térmica do eixo e do alojamento pode ser equilibrada.

As seguintes instruções aplicam-se ao projetar o rolamento e o encaixe:

• Verifique o alinhamento do eixo: Para um desvio do eixo, os rolamentos oscilantes são uma opção (no intervalo de compensação do rolamento oscilante).
• Garanta uma distribuição ideal da carga e uma distribuição uniforme nos elementos rolantes (os anéis não devem deslizar na direção circunferencial, tendo em conta rolamentos fixos e flutuantes).
• Garantir o runout e a planaridade.

Fatores de influência no desempenho e vida útil dos rolamentos

Para além da instalação correta, outros parâmetros afetam o desempenho e a vida útil dos rolamentos de esferas e rolamentos de rolo. Como já mencionado, a distribuição dinâmica da carga do rolamento também tem influência. Em baixo, iremos analisar a classificação de carga dinâmica para rolamentos e rolamentos de esferas, bem como a classificação de carga estática em detalhe. Também mostraremos como calcular a classificação de carga dinâmica e estática para rolamentos. Iremos então considerar brevemente a temperatura como exemplo para outros fatores influenciadores.

Influência da classificação de carga dinâmica e estática

Os rolamentos de esferas podem ser descritos pela classificação de carga dinâmica e estática. A classificação de carga dinâmica C é utilizada para calcular a vida útil nominal de um rolamento sob a influência de uma carga X. A norma de acordo com a norma ISO 281 é que o rolamento está a ser utilizado durante pelo menos 1 milhão de rotações. A carga estática nominal C₀, por sua vez, indica a carga máxima que pode ser exercida no rolamento em repouso sem deformação permanente (ou uma deformação máxima de 1/10000). Quanto maior for a capacidade de carga dinâmica, maiores serão as cargas que podem atuar sobre o rolamento em operação. Quanto maior for a classificação da carga estática, melhor será a proteção do rolamento contra deformações sob cargas pesadas.

A classificação de carga dinâmica é normalmente especificada pelo fabricante. A carga do rolamento dinâmico é calculada, que é então comparada com a carga nominal dinâmica. A carga do rolamento dinâmico é calculada da seguinte forma:

A classificação de carga dinâmica C deve ser maior ou igual à carga de rolamento dinâmico P determinada, caso contrário existe o risco de sobrecarga do rolamento. A carga estática nominal C₀ pode ser calculada da seguinte forma:

A carga do rolamento é afetada por diferentes temperaturas. As temperaturas elevadas reduzem a força material dos elementos de rolamento e corridas. Para este fim, existem fatores de redução de categoria que devem ser levados em consideração para utilizações em condições de temperatura mais elevada ao projetar rolamentos.