ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS II

AT-102

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

alansulato@ufpr.br

MANCAIS DE ROLAMENTOS

E DESLIZAMENTO

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

A primeira utilidade de um "rolamento" que poderia nos vir à cabeça seria servir como elemento auxiliar no transporte (até por causa dos carrinhos de "rolimã" da infância). E nisso os "rolamentos" são bem antigos.

Alguns historiadores situam o início do seu uso por volta do ano 4.000 A.C., ajudando os Scandinavos a deslizar com seus trenós. Outros historiadores preferem apontar o seu início por volta de 3.500 A.C., quando os Sumérios utilizaram um cubo de roda construído em madeira montado sobre um eixo também de madeira, conforme uma ilustração de uma biga usada por este povo.

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Já os egípcios apresentam diversas provas do seu uso datada de cerca de 1.800 A.C., que mostra um egípcio na ponta da pedra entornando um lubrificante no chão. Essa ilustração é freqüentemente referida como a mais antiga figura de um "engenho de lubrificação" trabalhando.

Nas civilizações clássicas, Grécia e Roma, temos grandes aplicações de "elementos rolantes". Porém é na civilização Romana onde os mais espetaculares desenvolvimentos são encontrados.

Com a revolução industrial, houve um grande avanço sobre o desenvolvimento deste elemento.

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Rolamentos são normalmente elementos metálicos que

apresentam forma cilíndrica compostos por vários sub-

elementos. São vazados em sua parte central visando

o acoplamento em um eixo. Possuem principalmente a

função de sustentar (apoio) um sistema de transmissão

de torque suportando muitas vezes esforços simples

ou combinados.

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Funcionamento esquemático de um rolamento

Eixo Rolamento

Apoio

Restringe alguns movimentos.

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Este elemento apresenta uma grande variedade de

tamanhos, conseqüentemente pode ser utilizados em

diversos campos de aplicação na área industrial.

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Rolamentos de pequenas dimensões

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Rolamentos e mancais de tamanho comum

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Rolamento de grande dimensão

ROLAMENTOS

INTRODUÇÃO:

Sistemas que utilizam rolamentos

ROLAMENTOS

CONSTITUIÇÃO:

Os rolamentos também denominados mancais de

rolamento são em geral, constituídos por alguns sub-

elementos:

Anéis,

Interno,

Externo.

Corpos rolantes,

Gaiola ou separador.

ROLAMENTOS

CONSTITUIÇÃO:

Anel interno

Anel externo

Corpos rolantes

Gaiola

ROLAMENTOS

CONSTITUIÇÃO:

ROLAMENTOS

CONSTITUIÇÃO:

Os elementos girantes possuem as formas:

Cilíndricos Cônicos Esferas

ROLAMENTOS

CLASSIFICAÇÃO:

Estes elementos são classificados principalmente segundo a direção de carga a ser suportada:

Radial

Axial

Combinada

Análise em relação ao eixo

Fr

Fa

Eixo

Mancal ou Rolamento

ROLAMENTOS

CLASSIFICAÇÃO:

Radial

Axial

Fr

Fa

Fr

Fa

Combinada

ROLAMENTOS

CLASSIFICAÇÃO:

Radial

Axial

Eixo

Eixo

ROLAMENTOS

CLASSIFICAÇÃO:

ROLAMENTOS

CLASSIFICAÇÃO:

ROLAMENTOS

CLASSIFICAÇÃO:

Rolamentos abertos, selados e blindados

Considerações em relação:

confiabilidade, manutenção e condições de uso

ROLAMENTOS

TIPOS:

ROLAMENTOS

TIPOS:

ROLAMENTOS

TIPOS:

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos de carreira simples composto por

elementos girantes esféricos. Exemplos de aplicações:

Motores elétricos, alternadores, ventilação industrial,

compressores, bombas de aquecimento, secadoras,

instalações frigoríficas, foto-copiadoras, carregadores

de acumuladores, máquinas têxteis, compressores de

esteiras mecânicas, motores elétricos e aparelhos

eletrodomésticos.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos composto por elementos girantes cônicos.

Útil para aplicações em cargas combinadas. Exemplos

de aplicações: Eixos de redutores, mudança de

transmissão com pinhão cônico, bombas,

compressores, indústrias papeleiras.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos com carreira dupla e elementos girantes

do tipo esférico. Tipo contato radial e de contato

angular. Substituem rolamentos com carreira simples

visando suportar maiores cargas radiais e cargas

axiais nos dois sentidos. Exemplos de aplicações:

Motores elétricos, aparelhos eletrodomésticos, hastes

de máquinas para madeira, redutores, material

agrícola.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos de esferas com contato angular (oblíquo).

As pistas dos anéis internos e externos dos

rolamentos com uma carreira de esferas de contato

radial são desnivelados um em relação ao outro.

Adaptado para aplicações onde se combinam cargas

radiais e axiais. Exemplos de aplicações: Caixa de

redutores, hastes de máquinas-ferramenta

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos axiais composto por elementos girantes

esféricos, cônicos ou cilindricos. Suportam cargas

axiais muito elevadas e são pouco sensíveis aos

choques. As cargas radiais devem por sua vez ser

moderadas. Exemplos de aplicações: Eixos verticais

pesados, turbo alternadores, pivôs de gruas, parafusos

de injeção de plástico, contra-pontas, bombas de

platô.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos composto por elementos girantes

cilíndricos. Aplicado onde as cargas radiais são

elevadas e as velocidades de rotação altas. As cargas

axiais aplicadas a estes rolamentos devem

permanecer pequenas. Exemplos de aplicações:

Motores elétricos pesados, caixas de eixos de vagões,

vagonetas de pressão, cilindros de laminadores.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos autocompensadores composto por

elementos girantes cilindricos. Suportam cargas

radiais muito grandes, cargas axiais moderadas.

Exemplos de aplicações: Peneiras, trituradores,

moedores, gaiola de laminador, pesados redutores,

pesados ventiladores industriais, cilindros de máquinas

impressoras, máquinas de pedreiras.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos autocompensadores composto por

elementos girantes cônicos. Suportam cargas radiais e

axiais muito grandes. Exemplos de aplicações:

equipamentos pesados.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos autocompensadores de esferas. Dotados

de 2 fileiras de esferas e uma pista esférica sobre o

anel externo. Exemplos de aplicações: Eixos longos e

flexíveis, aplicações Industriais padrão, química,

agricultura.

ROLAMENTOS

UTILIZAÇÃO:

Rolamentos combinado. Dotados de dois tipos de

elementos girantes. Suporte simultaneamente grandes

cargas radiais e axiais.

ROLAMENTOS

IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO:

Para a substituição do elemento, deve-se atentar para as seguintes características:

Fabricante,

Tipo de Rolamento,

Diâmetro do Furo,

Diâmetro Externo,

Largura.

RPM

Tipo de Lubrificação

ROLAMENTOS

NÚMERO DE IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO:

Série dimensional:

Símbolo do Furo

Símbolo do Diâmetro Externo

Símbolo da Largura

Símbolo do Tipo de Rolamento

X X X XX

1-9=De 1 a até 9mm

00,01,02 e 03=10, 12, 15 e 17mm

04-96=Número vezes 5 (20-480mm)

/500 ou /D=Ígual ao diâmetro em mm

ROLAMENTOS

NÚMERO DE IDENTIFICAÇÃO DO PRODUTO:

Série dimensional:

Exemplo de identificação de

rolamentos fabricados pela NSK

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Tanto para o dimensionamento quanto para a

seleção de um rolamento, é importante definir

inicialmente o tipo de solicitação ao qual este estará

submetido, podemos verificar duas situações

distintas: carga estática ou dinâmica.

Na carga estática, o rolamento encontra-se parada ou

oscila lentamente (N<10 RPM). Na carga dinâmica, o

rolamento se movimenta com N10 RPM.

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Carga Estática

Quando o rolamento estiver atuando parado ou com

baixas oscilações (N<10 RPM), o dimensionamento é

realizado por meio da capacidade de carga estática

(Co).

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Capacidade de Carga Estática (Co).

É a carga atuante nos elementos rolantes e na pista.

Onde:

Co=Capacidade de carga estática (KN)

fs=Fator de esforços estáticos (Adimensional)

Po=Carga estática equivalente (KN)

00 .PfsC

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Carga Estática Equivalente (Po).

É uma suposta carga resultante, determinada em

função das cargas axial e radial, que atuam

simultaneamente no rolamento.

Quando o rolamento for solicitado por uma carga

radial ou axial isoladamente, esta será a carga

equivalente.

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Carga Estática Equivalente (Po).

Na atuação da simultânea das cargas axial e radial, a

carga equivalente é determinada da seguinte forma:

Onde:

Po=Carga estática equivalente (KN)

Xo=Fator radial (Adimensional)

Yo=Fator axial (Adimensional)

Fr=Carga radial (KN)

Fa=Carga axial (KN)

FaYFrXP .. 000

Ex.: (Rol. de esferas)

X0=0,6

Y0=0,5

Fa/Fr0,8

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Fator de Esforço Estático (fs).

É um coeficiente de segurança que preserva a

ocorrência de deformações plásticas excessivas nos

pontos de contato, entre os corpos rolantes e a pista.

Utiliza-se os seguintes valores:

1,5 fs 2,5 para exigências elevadas,

1,0 fs 1,5 para exigências normais,

0,7 fs 1,0 para exigências reduzidas.

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Carga Dinâmica

Quando o rolamento atuar com movimento N10

RPM, este é dimensionado por meio da capacidade

de carga dinâmica (C).

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Capacidade de Carga Dinâmica (C).

Podemos calcular a capacidade de carga dinâmica utilizando a seguinte relação:

Onde:

C=Capacidade dinâmica equivalente (KN)

fe=Fator de esforços dinâmicos (Adimensional)

fn=Fator de rotação (Adimensional)

P=Carga dinâmica equivalente (KN)

Pfn

feC .

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Fator de esforços dinâmicos (fe)

Este fator está associado a aplicação do equipamento e as condições usuais de carga. A literatura relata diversos valores, estes já tabelados.

Exemplos:

Máquinas leves fe=1 a 2

Máquinas médias fe=2 a 3,5

Máquinas pesadas fe=3,5 a 6

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Fator de rotação (fn)

Este fator está associado a velocidade com o qual o rolamento gira, outra questão é quanto o tipo de elemento.

Exemplos:

Esferas N=50-fn=0,874 N=500-fn=0,405 N=1600-fn=0,275

Rolos N=50-fn=0,885 N=500-fn=0,444 N=1600-fn=0,313

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Capacidade de Carga Dinâmica (C).

A capacidade de carga dinâmica dos diversos tipos de rolamento é encontrada nas tabelas que compõem os catálogos.

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Carga Dinâmica Equivalente (P).

Determina-se a carga dinâmica equivalente quando houver a atuação simultânea de cargas radial e axial no rolamento.

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Carga Dinâmica Equivalente (P).

Esta carga constitui-se de uma suposta carga resultante, sendo definida por meio de:

Onde:

P=Carga dinâmica equivalente (KN)

Fr=Carga radial (KN)

Fa=Carga axial (KN)

x=Fator radial (Adimensional)

y=Fator axial (Adimensional)

FayFrxP ..

Ex.: (Rol. de esferas)

x=0,4

y=0,8

Fa/Fr0,8

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Rolamentos expostos a altas temperaturas.

Nestas situações, torna-se necessário considerar um fator de temperatura (ft). Para se calcular a capacidade de carga dinâmica, utiliza-se:

Onde:

C=Capacidade dinâmica equivalente (KN)

fe=Fator de esforços dinâmicos (Adimensional)

fn=Fator de rotação (Adimensional)

ft=Fator de temperatura (Adimensional)

P=Carga dinâmica equivalente (KN)

Pftfn

feC .

.

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Fator de Temperatura (ft).

Temp. Máx. de Serviço (ºC) 150 200 250 300

Fator de temperatura (Ft) 1,0 0,73 0,42 0,22

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Exemplo de informações sobre rolamentos SKF

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Vida Útil do Rolamento.

A vida útil do rolamento compreende o período no qual ele desempenha corretamente a sua função. A vida útil termina quando ocorre o desgaste causado pela fadiga do material.

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Vida Útil do Rolamento.

Temos que:

Onde:

Lna=Duração até a fadiga (h)

a1=Fator de probabilidade (Adimensional)

a2=Fator de matéria prima (Adimensional)

a3=Fator das condições de serviço (Adimensional)

Lh=Vida nominal do rolamento (h) – Entre 10000 a 100000 horas

LhaaaLna .3.2.1

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Vida Útil do Rolamento.

a1=Fator de probabilidade

Este fator prevê a probabilidade de falhas no material devida à fadiga. Este é regido por leis estatísticas, sendo obtido na seguinte tabela:

Prob. de Falha (%) 1 2 3 4 5 10

Fator a1 1,0 0,62 0,53 0,44 0,33 0,21

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Vida Útil do Rolamento.

a2=Fator de matéria prima

Este fator considera as características da matéria prima e o respectivo tratamento térmico.

Para aços de qualidade:

a2=1

O fator se altera para materiais tratados termicamente:

a2=1,2

ROLAMENTOS

DIMENSIONAMENTO:

Vida Útil do Rolamento.

a3=Fator das condições de serviço

As condições de serviço influenciam diretamente na vida útil do rolamento. A duração é prolongada quando o ambiente de trabalho é limpo, a lubrificação é adequada e a carga atuante não é excessiva. O término da vida útil do rolamento ocorre quando há formação de “pittings” (erosão por cavitação), originada na superfície das pistas.

Condições ideais – a3=1

Condições drásticas – a3=0,6

ROLAMENTOS

FADIGA:

Elementos que normalmente falham:

Fonte: SKF e Yesachei

Consultar: http://www.yesachei.com/2011_01_10_archive.html

Fadiga em partes constituintes de um rolamento

ROLAMENTOS

MANUTENÇÃO:

Lubrificação.

Um filme de óleo muito fino formado entre os corpos rolantes e as pistas de um rolamento em funcionamento, impede o contato metálico direto e possui uma espessura típica de 0,001 mm. Esse filme bastante fino é a diferença entre o sucesso e a catástrofe - sem ele, o rolamento apresentaria falha precoce.

ROLAMENTOS

FABRICANTES:

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 1:

Selecione o rolamento que melhor se adapta as seguintes condições:

Fr=30KN

Eixo

Mancal

RPM=500RPM

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 1:

Rolamentos:

Designação C(KN) C0(KN) De.(mm)

MU214 80 90 125

UM2214 116 146 125

MI314 160 170 125

MU2314 220 260 125

UM414 250 280 125

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 1:

Como se trata de um equipamento de médio porte Fator de esforços dinâmicos fe=3,0

Em função da rotação fn=0,405

Capacidade de carga dinâmica (C)

P=F=30KN

Capacidade de carga dinâmica necessária ao rolamento

C=P.(Fe/Fn)

C=30.(3/0,405)

C=222KN

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 2:

Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de 30000 horas, probabilidade de falha de 5%, elemento construído com aço temperado e condições de serviço excelentes.

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 3:

Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um eixo de transmissão.

Fr=25KN

Eixo

Rolamento

RPM=1600RPM

Fa=15KN

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 3:

Verifica-se a necessidade de um rolamento que suporte a ação de esforços axiais e radiais.

Série Relação de carga Carga dinâmica equiv.

F1 Fa/Fr=0,4 P=0,93.Fr+0,69.Fa

F2 Fa/Fr=0,5 P=0,93.Fr+0,45.Fa

F3 Fa/Fr=0,6 P=0,96.Fr+0,33.Fa

F4 Fa/Fr=0,7 P=0,96.Fr+0,22.Fa

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 3:

Como se trata de um equipamento de médio porte

Fator de esforços dinâmicos fe=3,0

Em função da rotação fn=0,405

Capacidade de carga dinâmica (C)

P=0,96.Fr+0,33.Fa

Capacidade de carga dinâmica necessária ao

rolamento

C=P.(Fe/Fn)

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 3:

Rolamentos de rolos cilíndricos:

Designação C(KN) C0(KN) De.(mm)

F3-MU100 50 100 150

F3-MU150 100 150 150

F3-MU200 150 200 150

F3-MU250 200 250 150

F3-MU300 250 300 150

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 4:

Calcule a vida útil do rolamento selecionado no exercício anterior. Considere uma vida nominal de 50000 horas, probabilidade de falha de 10%, elemento construído com aço comum e condições de serviço deficientes.

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 5:

Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um sistema de preparação de cola.

Fr=5KN Eixo

Pás

Rolamento

De=150mm

RPM=600RPM

Utilize as tabelas anteriores

Fa=20KN

ROLAMENTOS

EXERCÍCIO 5:

Selecione o rolamento mais adequado para ser instalado em um sistema de transmissão de potência.

FN1

12KN

FN2

8KN

Fator de esforços dinâmicos fe=3,0

N=1200RPM