Rolamentos simples – uma análise tribológica das superfícies de deslizamento e abordagens baseadas no design

O atrito é geralmente um parâmetro de perda em designs mecânicos que podem levar ao aumento do desgaste e falha dos componentes. É frequentemente causada pelo contacto com superfícies que se movem na direção oposta. A instalação de rolamentos simples é uma das formas de facilitar o movimento de baixa fricção entre estes componentes. Mas como funcionam os rolamentos simples? Como é minimizada a fricção através de rolamentos simples e quais são as abordagens baseadas no design para otimizar o movimento de baixa fricção? Este artigo fornece uma visão do mundo da tribologia (teoria da fricção) e da sua importância para a utilização de rolamentos simples.

O que é a tribologia e porque é que uma análise faz sentido para rolamentos simples?

A tribologia também é chamada teoria da fricção e, em termos simples, lida com o comportamento da fricção de diferentes superfícies umas contra as outras. A tribologia distingue-se em três áreas centrais: Fricção, desgaste e lubrificação.

O que é fricção?

Fricção é a resistência ao movimento entre duas partículas ou superfícies de contacto de um corpo. É feita uma distinção geral entre fricção externa e interna. A fricção externa inclui fricção estática, fricção de deslizamento e fricção de rolamento. A fricção interna de um corpo, gás ou líquido é chamada fricção viscosa e causa a dutilidade do material.

Em particular, a fricção externa influencia o comportamento de desgaste dos materiais e, na maioria dos casos, leva a um desgaste mais elevado ou mais rápido. O desgaste é a perda progressiva de material devido a uma causa mecânica. Ocorre quando os corpos esfregam demasiado tempo ou demasiado. Isto pode acontecer, por exemplo, quando dois componentes desprotegidos tocam uns nos outros e se movem simultaneamente em relação uns aos outros. Fricção e desgaste são os chamados parâmetros de perda. O desgaste é normalmente evidente por uma alteração na superfície do material. A lubrificação é aplicada neste ponto: Os lubrificantes atuam como um agente de libertação redutor da fricção. Protegem as superfícies de contacto e, assim, minimizam a fricção e o desgaste. As partículas de calor e desgaste são removidas ao mesmo tempo.

A principal tarefa dos rolamentos simples é garantir o movimento de baixa fricção de duas superfícies móveis uma contra a outra. Os rolamentos simples tornam isto possível pelo material dos próprios rolamentos simples, pelo armazenamento de lubrificantes ou por uma estrutura especial. Além de reduzir a fricção, a utilização de lubrificantes também melhora a suavidade e as características gerais de funcionamento de um rolamento. Uma análise tribológica é, portanto, bastante útil.

Visão geral dos tipos de desgaste

Existem vários tipos de desgaste induzidos por diferentes causas:

• Adesão: é criada uma ligação atómica entre os corpos. Causa: Interação molecular das diferentes superfícies.
• Abrasão: O corpo da base é riscado ou micromaquinado. Causa: A irregularidade atinge o pico no corpo oposto, partículas duras no meio intermédio.
• Reação triboquímica: Os corpos de base e os corpos opostos reagem com partículas ambientais e lubrificantes. Causa: As superfícies são ativadas quimicamente devido à fricção. Um dos modos de desgaste de falha mais comuns.
• Decomposição superficial: Formam-se fissuras, que continuam a crescer até que as partículas individuais se separem. Causa: Tensão alternada em áreas de superfície do corpo.

Lubrificantes

Os lubrificantes são utilizados para reduzir a fricção, ao mesmo tempo que reduzem a corrosão. A construção de uma interface de lubrificante reduz ou impede o contacto direto entre dois parceiros de fricção. Na maioria dos casos, o lubrificante baseia-se num óleo base, que é ajustado para as utilizações previstas respetivamente por aditivos adicionais. Os lubrificantes estão disponíveis em versões sólidas, líquidas ou gasosas com viscosidade diferente.

Óleos

Os óleos consistem num óleo base, por exemplo, óleo mineral, éster ou poliglicol e vários aditivos. São bons condutores térmicos e podem ser utilizados a altas temperaturas e velocidades, por exemplo, em rolamentos e correntes simples. Os aditivos são utilizados para ajustar propositadamente as propriedades do óleo, por exemplo, para reduzir o desgaste ou a corrosão. Os óleos também podem ser utilizados para limpar uma vez que absorvem partículas de sujidade.

Massas lubrificantes

As massas lubrificantes são feitas de um óleo base e um espessante (também chamado sabão). O espessante determina as características de desempenho. As massas lubrificantes permanecem diretamente no ponto de lubrificação e contrabalançam permanentemente a fricção. Proporcionam proteção contra a entrada de humidade e sujidade.

Lubrificantes sólidos

Lubrificantes sólidos, por exemplo grafite ou sulfureto de molibdénio, são utilizados na forma sólida. Produzem fricção muito baixa e têm resistência a altas temperaturas. Os lubrificantes sólidos são, por exemplo, utilizados sempre que não é possível utilizar lubrificantes líquidos, como num ambiente de vácuo ou a temperaturas extremas.

Classes de viscosidade

Viscosidade é uma propriedade definida para líquidos e gases (coletivamente referidos como fluidos) e representa o atrito interno de líquidos. A viscosidade é o resultado das forças atrativas das partículas no fluido e é gerada pela fricção interna dos fluidos. Por conseguinte, a viscosidade afeta diretamente a fricção. Os óleos de motor, os fluidos de transmissão e os lubrificantes industriais têm classes de viscosidade específicas; por exemplo, são classificados de acordo com a SE (Society of Automotive Engineers) ou ISO.

No entanto, a viscosidade também depende da temperatura do lubrificante. Por conseguinte, os diferentes níveis de viscosidade são frequentemente indicados para dois estados. Para óleos de motor como SE 5W-30 ou SE 15W-40, o primeiro número indica fluidez a temperaturas frias e o segundo número indica viscosidade à temperatura de funcionamento. Por exemplo, quanto mais baixo for o número, mais fino é o óleo.

De um modo geral, existem as seguintes viscosidades:

• Baixa viscosidade: Materiais altamente líquidos, como água ou gasolina, que fluem fácil e rapidamente sem resistência. Utilizado para cargas compressivas baixas e velocidades de deslizamento elevadas.
• Viscosidade média: Materiais viscosos, como óleo de colza ou melaço, que fluem mais lentamente e com resistência percetível.
• Alta viscosidade: Substâncias pastosas, tais como adesivos, que são muito espessos e, portanto, fluem forte e lentamente com alta resistência. Muitas vezes exibem propriedades plásticas. Utilizado para cargas compressivas elevadas e velocidades de deslizamento baixas.

Fundamentos do rolamento simples

Os rolamentos simples são robustos e fiáveis. As superfícies de deslizamento especiais permitem um movimento de fricção reduzido do componente em contacto. Ao contrário dos rolamentos rolantes, um componente suportado por um rolamento plano desliza numa superfície do rolamento. As forças a serem absorvidas não são distribuídas sobre pontos individuais, como num rolamento de esferas, mas sobre uma área maior. Forças mais elevadas podem ser absorvidas como resultado. Os rolamentos simples também se caracterizam por um design simples e compacto, bem como pelas propriedades de absorção de ruído e vibração. Os rolamentos simples podem ser realizados em várias formas, por exemplo, buchas, placas ou barras. A fricção de deslizamento, que atua contra a força de empurrar, ocorre durante o movimento de deslizamento. Por conseguinte, vale a pena lubrificar rolamentos simples com um meio intermédio de redução da fricção.

Isto pode ser, por exemplo, qualquer um dos seguintes:

• Gás (separa as superfícies a temperaturas extremamente baixas)
• Óleo (por exemplo, para rolamentos lisos hidrodinâmicos)
• Lubrificantes sólidos (por exemplo, a altas temperaturas ou forças centrífugas)
• Campos magnéticos (por exemplo, em salas limpas).

Seleção do rolamento simples

Existem vários tipos de rolamentos simples. Por exemplo, a MISUMI tem rolamentos planos sem manutenção nos quais as buchas são diretamente embebidas com lubrificante ou estão equipadas com lubrificante incorporado, ou buchas guia com lubrificação. Isto não requer ou requer apenas uma relubrificação rara. Recomenda-se a utilização de rolamentos simples sem manutenção para cargas pesadas e condições exigentes. Existem várias versões de materiais: bronze sinterizado, moldes, liga de cobre, plástico, bem como várias variantes de camada composta.

As formas comuns incluem:

• Reto: pode ser facilmente montado se não for necessário apoio adicional, por exemplo, movimento axial do eixo
• Com flange: As flanges proporcionam estabilidade e uma montagem fácil
• Versões de prensa (padrão, orifício de parafuso) para ligações permanentes entre o rolamento e o compartimento, melhor distribuição da carga
• As anilhas protegem as superfícies dos rolamentos, distribuem a pressão uniformemente
• Placas deslizantes: Proporcionam uma grande área de contacto para uma melhor distribuição da pressão e fricção reduzida

A tabela seguinte fornece uma visão geral de várias formas:

Tal como no exemplo aqui, podem ser utilizados rolamentos simples numa alavanca de cames:

Consulte o nosso artigo, Rolamentos simples – Poupança de custos através de produtos eficientes em termos de custos para obter mais informações sobre a seleção de rolamentos simples.

Abordagens baseadas em design para otimizar a lubrificação

Existem várias abordagens baseadas no design para garantir uma lubrificação eficaz. Num ambiente poeirento e agressivo, recomenda-se, por exemplo, a colocação de um vedante nos rolamentos simples. Isto mantém a função e a lubrificação. Ao utilizar vedantes, é vantajosa uma superfície lisa da superfície deslizante. Ao mesmo tempo, uma superfície lisa também significa que os óleos não aderem bem. A escolha do lubrificante deve ser ajustada em conformidade.

As ranhuras também podem ser utilizadas para otimizar o desempenho da lubrificação. As ranhuras de lubrificação, por exemplo, ao longo da superfície deslizante, podem funcionar como reservatório para lubrificantes e, assim, garantir um fornecimento contínuo de lubrificante. Ao utilizar aditivos sólidos, recomenda-se também a utilização de ranhuras ou orifícios na zona de descarga, uma vez que alguns sólidos tendem a formar pastas, o que reduz a vida útil do rolamento simples. Dependendo do lubrificante, também deve ser selecionada uma forma de ranhura adequada e devem ser adicionados orifícios de lubrificação, conforme necessário. Os bolsos em forma de diamante são adequados para lubrificação com massa lubrificante, tampas esféricas para lubrificantes líquidos e óleos lubrificantes e perfurações ou orifícios de lubrificação quando são utilizados óleos lubrificantes e massas lubrificantes.

A seleção do material também pode ser importante para otimizar a lubrificação ou minimizar o atrito de deslizamento, mesmo sem adicionar um lubrificante. As superfícies mecanicamente lisas, por exemplo, têm um bom comportamento de rebordo, o que reduz a fricção. No entanto, como já mencionado, os óleos não aderem bem neste caso. Os metais sinterizados têm estruturas e propriedades especiais que facilitam a lubrificação. A sua estrutura porosa suporta a entrada de lubrificantes através da criação de um reservatório de lubrificante. Outra abordagem é utilizar um tratamento de superfície. As camadas deslizantes de PTFE, grafite ou cerâmica podem melhorar a lubrificação dos rolamentos lisos. Por exemplo, a cerâmica também oferece resistência a altas temperaturas e o PTFE oferece uma boa resistência química, o que também expande a gama de aplicações de rolamentos simples.