Já alguma vez se perguntou porque é que o ajuste preciso entre rolamentos, veios e caixas é tão crucial nas máquinas? Este artigo explora os fundamentos do cálculo destes ajustes, detalhando como os vários ajustes afectam o desempenho e a fiabilidade dos sistemas mecânicos. Ao compreender estes princípios, os engenheiros podem garantir um funcionamento ótimo e a longevidade das máquinas. Mergulhe para conhecer os factores críticos e os métodos utilizados para determinar o ajuste perfeito para os seus componentes mecânicos.
O ajuste entre rolamentos, eixos e caixas de rolamentos é um aspeto crítico nas aplicações de rolamentos e é um tópico de grande interesse para os utilizadores de rolamentos. No trabalho prático, o princípio de seleção padrão para o ajuste pode satisfazer as necessidades da aplicação.
No entanto, muitos engenheiros têm curiosidade em saber como se calcula este princípio de seleção de ajuste, e alguns preferem mesmo fazer os cálculos eles próprios.
De facto, o método de cálculo básico para selecionar o ajuste entre rolamentos, veios e caixas de rolamentos pode ser realizado através da recombinação de conhecimentos anteriores a partir da perspetiva de como o ajuste afecta o funcionamento do rolamento.
Antes de efetuar o cálculo para selecionar o ajuste entre rolamentos, veios e caixas de rolamentos, é crucial compreender o verdadeiro objetivo deste cálculo, que fornece uma definição clara do método de cálculo e das condições de fronteira.
O objetivo geral do ajuste entre o anel interior da chumaceira e o veio, e o anel exterior da chumaceira e a caixa da chumaceira, é garantir que não há movimento relativo entre a chumaceira e o veio, e entre a caixa da chumaceira e o anel exterior da chumaceira.
O movimento relativo nas direcções circunferencial e axial deve ser evitado. É importante compreender que é difícil evitar o movimento relativo apenas através do encaixe, pelo que devem ser utilizados outros elementos de conceção externos para o garantir.
Por exemplo, os ombros do veio e os degraus da caixa da chumaceira são utilizados para limitar o movimento axial; os modelos que utilizam ranhuras de bloqueio ou O-rings para impedir o movimento relativo na direção circunferencial. Estes métodos servem normalmente como um suplemento quando o encaixe por si só não consegue cumprir a sua função, impedindo o movimento relativo e assegurando um certo grau de fiabilidade.
Limites de encaixe
A partir da discussão acima, sabemos que existe um limite mínimo no encaixe de rolamentos e componentes relacionados. Se a força de encaixe for demasiado pequena, provocará um movimento relativo entre a chumaceira e a superfície de encaixe, deixando de cumprir a sua função de fixação. Esta situação aumenta a probabilidade de deslocação do rolamento.
Do ponto de vista da teoria da conceção de peças mecânicas: quanto mais apertado for o ajuste, maior será a força de ajuste e, consequentemente, mais significativo será o efeito de "fixação". No entanto, existe um grau de ajuste "solto" e "apertado".
Se o encaixe for demasiado apertado, embora possa assegurar a fixação relativa da superfície de encaixe, outras dimensões no interior do rolamento e o material de aço do próprio rolamento será afetado. Por conseguinte, a fixação não pode ser conseguida apenas através do aumento do ajuste.
Por outro lado, em algumas aplicações, a "força de encaixe" gerada entre as duas superfícies de encaixe mútuo irá variar (por exemplo, em algumas situações de vibração). Assim, quando a tendência para o movimento relativo da superfície de encaixe ocorre durante as flutuações de força acima mencionadas, a "força de encaixe" necessária tem de ser maior.
Porque é que deve ser maior? Porque precisamos de garantir que durante as fases "forte" e "fraca" do movimento relativo, esta força de ajuste não causará o movimento relativo das superfícies de ajuste. Por exemplo, se seleccionarmos a "força de ajuste" de acordo com a fase "forte" do movimento relativo, quando a vibração passar para a fase "fraca", esta "força de ajuste" parecerá demasiado grande.
Por outro lado, se escolhermos a "força de ajuste" de acordo com a fase "fraca", quando vibrar para a fase "forte", verificaremos que esta força é insuficiente e que ocorreu um movimento relativo das superfícies de ajuste. Assim, para atender ao pico, uma força de encaixe maior é inevitavelmente usada.
É por isso que, em condições de vibração, é geralmente recomendado utilizar um ajuste mais apertado para a respectiva chumaceira.
É isto que temos de discutir: existe um limite máximo para o encaixe de rolamentos e componentes relacionados. Se a força de encaixe for demasiado grande, provocará alterações noutras propriedades da chumaceira, levando a problemas.
Em conclusão, o objetivo final na seleção dos ajustes de tolerância do rolamento é a força de ajuste entre as superfícies de ajuste do rolamento. Se esta força de ajuste for demasiado pequena, pode facilmente levar a um movimento relativo (deslocamento) entre o rolamento e os componentes de ajuste; se a força de ajuste for demasiado grande, pode afetar o desempenho interno do rolamento (folga demasiado pequena, aumento da pré-carga).
Este é o limite básico e a direção de cálculo para a seleção dos ajustes de tolerância da chumaceira-eixo e da chumaceira-caixa.
Exemplo: Rolamento de motor horizontal geral de rotação interna.
O sistema de eixo de um motor de rotação interna horizontal comum tem a configuração de rolamentos mais simples. Outros tipos de sistemas de eixo podem ser deduzidos com base neste modelo.
Quando um motor de rotação interna horizontal está a funcionar, o eixo rotativo do motor roda com o anel interior do rolamento. Assim, a "rotação" é transmitida do rotor do motor para o anel interior do rolamento, o que implica que o anel interior do rolamento roda passivamente. Assim sendo, é necessária uma força motriz significativa.
Esta força motriz engloba a força necessária para que o anel interior do rolamento, juntamente com o corpo rolante e a gaiola, gire. Por conseguinte, a condição de funcionamento mais exigente para fazer rodar o anel interior do rolamento é durante o arranque ou as mudanças de velocidade. Nesta altura, a força motriz mínima é a aceleração centrífuga multiplicada pela massa do anel interior do rolamento.
A situação é ligeiramente diferente quando a chumaceira roda a uma velocidade uniforme.
Quando um rolamento se move a uma velocidade constante, a força de acionamento necessária é mínima, principalmente para superar a fricção entre os corpos rolantes internos e as pistas. Por conseguinte, a "força de ajuste" necessária é muito mais simples do que no cenário acima referido.
Olhando para duas aplicações diferentes, os motores que mudam frequentemente de velocidade ou arrancam requerem muito mais "força de ajuste" do que os que funcionam a uma velocidade constante. Isto explica porque é que as tabelas de ajuste recomendadas anteriormente requerem frequentemente um ajuste mais apertado para situações de velocidade variável ou de arranque frequente.
Até agora, falámos sobre o "anel rotativo" - o anel interior. Mas e o anel exterior? Nos motores de rotor interior horizontal, o anel exterior do rolamento é normalmente fixo e a caixa do rolamento também é fixa.
A única força que tende a rodar o anel exterior do rolamento é o rolamento dos rolos do rolamento dentro do anel exterior. Em circunstâncias normais, normalmente só existe atrito de rolamento entre os rolos da chumaceira e o anel exterior, pelo que esta força de encaixe só precisa de exceder este atrito de rolamento para ultrapassar a tendência de rotação do anel exterior da chumaceira.
Além disso, como o atrito de rolamento é muito pequeno, a força de encaixe exigida pelo rolamento para superar o atrito de rolamento também é muito pequena. No entanto, existe um atrito de deslizamento entre a caixa da chumaceira e o anel exterior da chumaceira.
Ao mesmo tempo, a carga radial entre o anel externo do rolamento e a caixa do rolamento pode ser considerada a mesma que a carga radial interna do rolamento. Além disso, há um lubrificante dentro da pista do rolamento para reduzir o atrito, enquanto não há lubrificante entre o anel externo do rolamento e a caixa do rolamento.
Em conclusão, ao posicionar com segurança a pista exterior da chumaceira dentro da caixa da chumaceira, a tendência para o movimento relativo pode ser ultrapassada através do atrito de deslizamento. Assim, é fácil compreender porque é que a pista exterior da chumaceira de um motor horizontal de rotação interna é geralmente montada de forma solta.
Voltando ao tema principal, é bastante simples calcular a força de atrito exercida na pista exterior de um rolamento por corpos rolantes. É claro que a minha experiência pessoal de engenharia sugere que tais cálculos não são geralmente necessários na prática, uma vez que as tabelas de seleção de ajuste padrão são normalmente suficientes. No entanto, os engenheiros com curiosidade em aprender podem querer experimentar.
Seguem-se algumas questões adicionais a considerar pelos engenheiros (o processo de pensamento já foi delineado acima, basta segui-lo):
1. Porque é que o encaixe tem de ser apertado em condições de vibração e a pista exterior tem de ser apertada?
2. Como deve ser selecionada a tolerância de ajuste para um motor vertical?
3. Como deve ser selecionada a tolerância de ajuste para um motor de rotação externa?
O conteúdo acima não forneceu respostas para as perguntas acima. Encorajamos todos a reflectirem sobre o assunto por si próprios e creio que todos podem obter as respostas. (Uma pequena dica: considere a elasticidade).
Em caso de movimento uniforme, o referido encaixe da pista exterior resultaria em órbita?
Mencionámos o limite do ajuste máximo de interferência. Se a interferência for demasiado grande, pode provocar alterações no desempenho de outros rolamentos.
Em primeiro lugar, o fator mais importante é a alteração das dimensões do próprio rolamento. Quando o rolamento está bem ajustado, a folga interna do rolamento diminui. Quando a folga do rolamento for demasiado pequena, a chumaceira pode bloquear. Por conseguinte, o primeiro requisito para o ajuste mais apertado da chumaceira é satisfazer o requisito de folga residual da chumaceira.
Estes métodos são habitualmente utilizados em certos domínios, como na aplicação de rolamentos de caixas de velocidades.
Em segundo lugar, os factores afectados pelo ajuste apertado são os materiais dos rolamentos, como a fissuração do anel interior. Esta situação ocorreu efetivamente em aplicações práticas. No entanto, geralmente, o impacto do material da chumaceira ocorre após o efeito de folga.
Este artigo aborda principalmente os métodos básicos de cálculo dos ajustes de rolamentos e componentes relacionados.
No entanto, é fundamental compreender que, para os sistemas de rolamentos de motores, esses cálculos complexos são normalmente desnecessários. Isto deve-se ao facto de as tabelas de ajuste de tolerância recomendadas diariamente já terem considerado os factores acima mencionados. A seleção direta com base nestes princípios é normalmente suficiente. Escrevemos este conteúdo para o informar como são obtidos estes resultados de referência que utilizamos diariamente.
A menos que se trate de uma aplicação muito específica, ou que esteja particularmente entusiasmado com a compreensão do processo teórico, não recomendamos que cada seleção de encaixes seja submetida a uma análise tão complexa.
É claro que para os engenheiros de caixas de velocidades, particularmente quando calculam a pré-carga de rolamentos de rolos cónicos e rolamentos de esferas de contacto angular, estas considerações tornam-se inevitáveis e requerem uma compreensão cuidadosa.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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