Como calcular o ajuste entre rolamentos, caixas de rolamentos e eixos

O ajuste entre rolamentos, eixos e caixas de rolamentos é um aspecto crítico nas aplicações de rolamentos e é um tópico de grande interesse para os usuários 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 esse princípio de seleção de ajuste é calculado, e alguns até preferem fazer os cálculos por conta própria.

De fato, o método de cálculo básico para selecionar o ajuste entre rolamentos, eixos e caixas de rolamentos pode ser realizado pela recombinação de conhecimentos anteriores a partir da perspectiva de como o ajuste afeta a operação do rolamento.

I. Condições de contorno para cálculo do ajuste do rolamento, do eixo e do alojamento do rolamento

Antes de realizar o cálculo para selecionar o ajuste entre rolamentos, eixos e caixas de rolamentos, é fundamental entender o objetivo real desse cálculo, que fornece uma definição clara do método de cálculo e das condições de limite.

Objetivo do ajuste

O objetivo geral do ajuste entre o anel interno do rolamento e o eixo e entre o anel externo do rolamento e a caixa do rolamento é garantir que não haja movimento relativo entre o rolamento e o eixo e entre a caixa do rolamento e o anel externo do rolamento.

Deve-se evitar o movimento relativo nas direções circunferencial e axial. É importante entender que é um desafio evitar o movimento relativo somente por meio do ajuste, portanto, outros elementos externos de design devem ser usados para garantir isso.

Por exemplo, os ombros do eixo e os degraus da caixa do rolamento são usados para limitar o movimento axial; projetos que usam ranhuras de travamento ou anéis O-ring para impedir o movimento relativo na direção circunferencial. Esses métodos geralmente servem como complemento quando o ajuste sozinho não consegue cumprir sua função, impedindo o movimento relativo e garantindo um certo grau de confiabilidade.

Limites adequados

Com base na discussão acima, sabemos que há um limite mínimo no encaixe de rolamentos e componentes relacionados. Se a força de ajuste for muito pequena, ela causará um movimento relativo entre o rolamento e a superfície de ajuste, deixando de cumprir sua função de fixação. Essa situação aumenta a probabilidade de deslocamento do rolamento.

Do ponto de vista da teoria de projeto de peças mecânicas: quanto mais apertado for o ajuste, maior será a força de ajuste e, consequentemente, mais significativo será o efeito de "fixação". Entretanto, há um grau de ajuste "frouxo" e "apertado".

Se o encaixe for muito apertado, embora possa garantir a fixação relativa da superfície de encaixe, outras dimensões dentro do rolamento e o material de aço do próprio rolamento será afetado. Portanto, a fixação não pode ser obtida apenas com o aumento do ajuste.

Por outro lado, em algumas aplicações, a "força de encaixe" gerada entre as duas superfícies de encaixe mútuo varia (por exemplo, em algumas situações de vibração). Portanto, quando a tendência de movimento relativo da superfície de encaixe ocorre durante as flutuações de força mencionadas acima, a "força de encaixe" necessária precisa ser maior.

Por que ela deve ser maior? Porque precisamos garantir que, durante os estágios "forte" e "fraco" do movimento relativo, essa força de ajuste não causará o movimento relativo das superfícies de ajuste. Por exemplo, se selecionarmos a "força de ajuste" de acordo com o estágio "forte" do movimento relativo, quando a vibração passar para o estágio "fraco", essa "força de ajuste" parecerá muito grande.

Por outro lado, se escolhermos a "força de ajuste" de acordo com o estágio "fraco", quando ele vibrar até o estágio "forte", descobriremos que essa força é insuficiente e que ocorreu um movimento relativo das superfícies de ajuste. Portanto, para atender ao pico, uma força de ajuste maior é inevitavelmente usada.

É por isso que, em condições de vibração, geralmente é recomendável usar um ajuste mais apertado para o rolamento relacionado.

É isso que precisamos discutir: há um limite máximo para o encaixe de rolamentos e componentes relacionados. Se a força de encaixe for muito grande, ela causará alterações em outras propriedades do rolamento, levando a problemas.

Concluindo, o objetivo final na seleção dos ajustes de tolerância do rolamento é a força de ajuste entre as superfícies de ajuste do rolamento. Se essa força de ajuste for muito pequena, poderá facilmente levar a um movimento relativo (deslocamento) entre o rolamento e os componentes de ajuste; se a força de ajuste for muito grande, poderá afetar o desempenho interno do rolamento (folga muito pequena, aumento da pré-carga).

Esse é o limite básico e a direção de cálculo para a seleção dos ajustes de tolerância entre o eixo do rolamento e a caixa do rolamento.

II. Força mínima de ajuste entre o rolamento, o eixo e o alojamento do rolamento

Exemplo: Rolamento de motor de rotação interna horizontal geral.

O sistema de eixo de um motor de rotação interna horizontal comum tem a configuração de rolamento mais simples. Outros tipos de sistemas de eixo podem ser deduzidos com base nesse modelo.

Quando um motor de rotação interna horizontal estiver funcionando, o eixo rotativo do motor girará com o anel interno do rolamento. Assim, a "rotação" é transmitida do rotor do motor para o anel interno do rolamento, o que implica que o anel interno do rolamento gira passivamente. Sendo assim, é necessária uma quantidade significativa de força motriz.

Essa força motriz engloba a força necessária para que o anel interno do rolamento, juntamente com o elemento rolante e a gaiola, gire. Portanto, a condição operacional mais exigente para fazer o anel interno do rolamento girar é durante a inicialização ou mudanças de velocidade. Nesse momento, a força motriz mínima é a aceleração centrífuga multiplicada pela massa do anel interno do rolamento.

A situação é um pouco diferente quando o rolamento gira em uma velocidade uniforme.

Quando um rolamento se move em uma velocidade constante, a força de acionamento necessária é mínima, principalmente para superar o atrito entre os corpos rolantes internos e as pistas. Portanto, a "força de ajuste" necessária é muito mais simples do que no cenário mencionado anteriormente.

Observando duas aplicações diferentes, os motores que mudam frequentemente de velocidade ou dão partida exigem muito mais "força de ajuste" do que aqueles que funcionam em uma velocidade constante. Isso explica por que os gráficos de ajuste recomendados anteriormente geralmente exigem um ajuste mais apertado para situações de velocidade variável ou de inicialização frequente.

Até agora, discutimos o "anel giratório" - o anel interno. Mas e quanto ao anel externo? Nos motores de rotor interno horizontal, o anel externo do rolamento geralmente é fixo e a caixa do rolamento também é fixa.

A única força que tende a girar o anel externo do rolamento é a rolagem dos rolos do rolamento dentro do anel externo. Em circunstâncias normais, geralmente há apenas atrito de rolamento entre os rolos do rolamento e o anel externo, de modo que essa força de ajuste só precisa exceder esse atrito de rolamento para superar a tendência de rotação do anel externo do rolamento.

Além disso, como o atrito de rolagem é muito pequeno, a força de ajuste exigida pelo rolamento para superar o atrito de rolagem também é muito pequena. Entretanto, há um atrito de deslizamento entre a caixa do rolamento e o anel externo do rolamento.

Ao mesmo tempo, a carga radial entre o anel externo do rolamento e o alojamento 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 o alojamento do rolamento.

Em conclusão, ao posicionar com segurança a pista externa do rolamento dentro do alojamento do rolamento, a tendência de movimento relativo pode ser superada por meio do atrito de deslizamento. Dessa forma, é fácil entender por que a pista externa do rolamento em um motor horizontal de rotação interna é geralmente instalada de forma frouxa.

Voltando ao tópico principal, é bastante simples calcular a força de atrito exercida na pista externa de um rolamento por corpos rolantes. É claro que minha experiência pessoal em engenharia sugere que esses cálculos geralmente não são necessários na prática, pois as tabelas de seleção de ajuste padrão geralmente são suficientes. Entretanto, os engenheiros que têm curiosidade em aprender podem tentar.

Aqui estão algumas perguntas adicionais a serem consideradas pelos engenheiros (o processo de pensamento foi descrito acima, basta segui-lo):

1. Por que o ajuste precisa ser apertado em condições de vibração e a pista externa precisa ser apertada?

2. Como deve ser selecionado o ajuste de tolerância 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. Todos são incentivados a pensar sobre o assunto por conta própria, e acredito que todos podem obter as respostas. (Uma pequena dica: considere a elasticidade).

Sob movimento uniforme, o encaixe da pista externa mencionado acima resultaria em órbita?

III. O ajuste máximo de interferência entre o rolamento, o eixo e o alojamento do rolamento.

Mencionamos o limite do ajuste máximo de interferência. Se a interferência for muito grande, poderá causar alterações em outros desempenhos do rolamento.

Em primeiro lugar, o fator mais importante é a mudança nas dimensões do próprio rolamento. Quando o rolamento estiver bem ajustado, a folga interna do rolamento diminuirá. Quando o folga do rolamento for muito pequena, o rolamento pode travar. Portanto, o primeiro requisito para o ajuste mais firme do rolamento é satisfazer o requisito de folga residual do rolamento.

Esses métodos são comumente usados em determinados campos, como na aplicação de rolamentos de caixas de engrenagens.

Em segundo lugar, os fatores afetados pelo ajuste apertado são os materiais do rolamento, como a rachadura do anel interno. Essa situação de fato ocorreu em aplicações práticas. Entretanto, em geral, o impacto do material do rolamento ocorre após o efeito de folga.

II. Conclusão

Este artigo discute principalmente os métodos básicos de cálculo de ajustes de rolamentos e componentes relacionados.

No entanto, é fundamental entender que, para sistemas de rolamentos de motores, esses cálculos complexos geralmente são desnecessários. Isso ocorre porque as tabelas de ajuste de tolerância recomendadas diariamente já consideraram os fatores mencionados acima. A seleção direta com base nesses princípios geralmente é suficiente. Escrevemos este conteúdo para informá-lo sobre como esses resultados de referência que usamos diariamente são derivados.

A menos que se trate de uma aplicação muito específica ou que você esteja particularmente entusiasmado com a compreensão do processo teórico, não recomendamos que cada seleção de ajustes seja submetida a uma análise tão complexa.

É claro que, para os engenheiros de caixas de engrenagens, especialmente ao calcular a pré-carga de rolamentos de rolos cônicos e rolamentos de esferas de contato angular, essas considerações se tornam inevitáveis e exigem uma compreensão cuidadosa.