MANCAIS DE ROLAMENTO

CENTRO DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL “DARIO GERALDO SALLES” CEDUP – JOINVILLE – SC

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6 - MANCAIS DE DESLIZAMENTO

INTRODUÇÃO Os mancais de deslizamento são muito encontrados em máquinas onde um eixo qualquer sofre forças e o mancal serve de aparo e de guia para este eixo. Os mancais se dividem em dois tipos principais: mancais de guia e mancais de fricção. Para um aumento da vida útil dos mancais de deslizamento é indispensável o uso de lubrificantes adequados para cada aplicação. Outro fator importante é a escolha do lubrificante e sua freqüência de relubrificação. 6.1 - MANCAIS DESLIZANTES TIPOS a) Mancais de guia - Muito encontrados em máquinas ferramentas, onde a mesa desliza

sobre suas guias. Não suportam muita carga, o movimento relativo entre eles é de translação.

b) Mancais de fricção - Quando uma das superfícies móveis é um eixo e o deslizamento

é executado considerando-se o movimento relativo de rotação entre o eixo e o mancal. Existem três tipos específicos:

- Planos

- Escora - Guia b.1) Mancais planos - comumente chamados de radiais. São os que suportam carga perpendicular ao eixo de rotação. b.2) Mancais de escora - também conhecido como de encosto. São projetados para trabalharem sob ação de cargas axiais. b.3) Mancais guias - servem praticamente para evitar o deslizamento do eixo.


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MATERIAIS UTILIZADOS Geralmente a base do mancal é de ferro fundido ou podendo também ser de aço, dependendo muito de fatores técnicos envolvidos no projeto do mancal. Para a confecção da bucha utilizam-se diversos materiais, dos quais destacam-se em ordem de emprego os seguintes materiais: 1o ) Metal patente: são ligas fundamentalmente a base de Estanho (89%), Antimônio (8%), Cobre (3%). Este metal é muito utilizado. 2o ) Ligas binárias de Cobre e Chumbo (20 à 40% de Chumbo): A boa resistência a fadiga indica o seu uso em mancais que trabalham em condições severas. 3o ) Bronzes: Três são os principais tipos de bronzes: - Bronze a base de Estanho; - Bronze a base de Chumbo; - Bronze de alta resistência. Todos os tipos especificados acima são utilizados em mancais de bombas de água, motores marítimos, trens de laminação, mancais de vagões ferroviários. 4o ) Alumínio: Suas ligas resistem bem a corrosão produzida pela acidez do lubrificante. São muito usados em mancais de motores de explosão, alguns compressores, equipamentos aeronáuticos. 5o ) Prata: Mancais com prata são muito usados em aeronaves e motores diesel. São camadas (0.001 à 0.005 in) de prata depositada internamente em mancais de aço. 6o ) Ferro fundido: São raramente usados. 7o ) Grafite: é misturado com cobre, bronze, e plásticos, obtendo assim, uma maior diminuição do coeficiente de fricção. 8o ) Plásticos: Muito utilizados em máquinas de indústrias têxteis, alimentícias, com produtos corrosivos, oxigênio líquido. VANTAGENS E DESVANTAGENS A velha pergunta, se são melhores os mancais de rolamento ou os de escorregamento, pode-se hoje em dia com a afirmação de que cada um dos dois tipos tem suas qualidades particulares, e que nenhum deles satisfaz a todas as exigências. Há casos em que apenas mancais de escorregamento podem ser usados, outros em que somente rolamentos constituem uma boa solução e, finalmente, aqueles em que os dois tipos oferecem solução satisfatória. A decisão depende das propriedades de maior importância para cada aplicação.


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Vantagens: - amortece as vibrações, os choques e ruídos; - construção simples; - mancais de grandes diâmetros são mais baratos; - suportam altas pressões. Desvantagens: - atrito maior de partida; - consumo maior de lubrificante; - exige maiores cuidados com a circulação do lubrificante e manutenção; - maior estático e dinâmico (torque). APLICAÇÃO - Motores de automóveis e aviões - Motores a gás e a óleo - Motores marítimos - Máquinas a vapor estacionárias - Bombas e compressores alternativos - Turbinas a vapor - Motores e bombas rotativas LUBRIFICAÇÃO E ATRITO Atrito no mancal O movimento das peças nos mancais é dificultado por uma resistência chamada atrito. Quando se trata de superfícies de rotação com corpos rolantes, chama-se atrito de rolamento, enquanto para as peças deslizantes chama-se atrito de deslizamento. As superfícies de deslizamento sem camada intermediária de sustentação movem-se com atrito sólido. Neste movimento são arrancadas partículas salientes. Esse tipo de atrito pode ser evitado com lubrificação, como que flutuando sobre a camada de lubrificante. Esse processo de lubrificação chama-se lubrificação Flutuante. No atrito de flutuação quase não ocorre desgaste, porém, quando ocorrem arranques, paradas ou mudanças no sentido de movimentos intermitentes, o atrito passa a se caracterizar como ATRITO MISTO. No atrito misto, tem-se em parte atrito seco e, em parte atrito líquido, o que acarreta desgaste. Em mancais principais e de precisão, recomenda-se que se tenha sempre o atrito flutuante. Quando em rotação, o eixo desloca-se para uma posição lateral, na direção do sentido de rotação. Com esse desvio lateral do motor, deforma-se um espaço cuneiforme no lado oposto. O lubrificante deve afluir através de uma ranhura a essa folga em forma de cunha, para que nele se forme uma cunha de material lubrificante, originando-se assim forças de pressão que suportem o eixo.


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Tipos de lubrificação a) Lubrificação sólida ou limitada: é aquela onde a película de óleo se rompe não

resistindo às condições de trabalho. É como se não existisse lubrificante algum entre as superfícies;

b) Lubrificação fluída: acontece quando as superfícies são separadas pela interposição de uma película lubrificante;

c) Lubrificação semi-fluída: ocorre quando a espessura da película inicia a fase perigosa de poder se romper, pois tende a se encaminhar para a zona onde as condições de lubrificação são limitadas.

6.2 - CÁLCULO DE RESISTÊNCIA (PRESSÃO SUPERFICIAL)

Mancal radial

ldFPs ×

=

Onde: F - Força exercida no mancal; d - Diâmetro interno do mancal; l - Comprimento

Mancal axial

4)( 22 dD

FPs −×

=π

Onde: F - Força exercida no mancal; D - Diâmetro do eixo; d - diâmetro do mancal.


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Tabela para Pressão Superficial Admissível Ps - Pressões superficiais (kgf / cm2) admissíveis

Material em contato

EIXO / BUCHA PMÁX kgf / cm2

Aço temperado / aço temperado boa retificação, boa lubrificação.

150

Aço temperado / bronze ou metal patente, retificado, boa lubrificação.

90

Aço não temperado / bronze ou metal patente, retificado, boa lubrificação.

60

Ferro / bronze ou metal patente, superfícies lisas.

40

Ferro ou Ferro Fundido / bronze ou metal patente, superfícies não perfeitamente lisas

30

Ferro / Ferro Fundido, superfícies não perfeitamente alisadas

25

Ferro, aço, Ferro Fundido / madeira 25

6.2- Exemplos de cálculos A) Um mancal com casquilho (munhão) de aço não temperado, l = 150 mm e d = 100

mm suporta F = 6700 kgf. Bucha de bronze, retificada, boa lubrificação. Determinar o valor da pressão máxima considerada no mancal usado.

Ps = F d x l Ps = 6700 10 x 15 Ps = 44,66 kgf / cm2 resiste Ps = 60 kgf / cm2 (Ver tabela)


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B) Um mancal de escora suporta uma carga de 1500 kgf. A extremidade do eixo

apresenta d = 50 mm. O eixo é de aço temperado, bucha de bronze retificada e boa lubrificação. Calcular o diâmetro interno do anel “d” afim de que a pressão não ultrapasse o valor admissível.

PsMÁX = F π (D2 - d2)

4

90 = 1500 π (52 - d2)

4 70,68 (25 - d2) = 1500 1767 - 70,68 d2 = 1500 → dmax = 1,94 cm 6.3- EXERCÍCIOS SOBRE MANCAIS DE DESLIZAMENTO 6.3.1 - Dada a transmissão abaixo, determinar os comprimentos necessários dos mancais, l1 e 12.

Sendo material do Eixo/Bucha = aço temperado/Bronze retificado. Resposta: l1 = 74 mm l2 = 38,4 mm


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6.3.2 - Determinar o material que devem ser feitas às buchas dos mancais 1 e 2 de tal forma que estes resistam aos esforços solicitados pela capacidade máxima do motor.

Dados: N = 5 cv , n = 1180 rpm Z1 = 16 dentes com m = 5 e θ = 20o

Redução de I para II = 5 vezes Máquina = Calandra de rolos Material do eixo = Aço não temperado. d1 = d2 = 30 mm; 11 = 60 mm; 12 = 80 mm; P = 900kgf Resposta: Bronze ou metal patente, retificado com boa lubrificação.

6.3.3 - Determinar a capacidade de carga máxima que o mancal de escoras poderá suportar sabendo que o eixo é de aço não temperado e a bucha é de bronze retificada, com boa lubrificação. Dados: d = 20 mm, D = 50 mm. (Resposta:Fmáx=989,6 Kgf).


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7 - MANCAIS DE ROLAMENTO Quando necessitar de mancal com maior velocidade e menos atrito, o mancal de rolamento é o mais adequado. Os rolamentos são classificados em função dos seus elementos rolantes. Veja os principais tipos: eixoum outr

elem

dire

técn

Os eixos das máquinas, geralmente, funcionam assentados em apoios. Quando um gira dentro de um furo produz-se, entre a superfície do eixo e a superfície do furo, fenômeno chamado atrito de escorregamento. Quando é necessário reduzir ainda mais o atrito de escorregamento, utilizamos um o elemento de máquina, chamado rolamento. Os rolamentos limitam, ao máximo, as perdas de energia em conseqüência do atrito. São geralmente constituídos de dois anéis concêntricos, entre os quais são colocados entos rolantes como esferas, roletes e agulhas. Os rolamentos de esfera compõem-se de: O anel externo é fixado no mancal, enquanto que o anel interno é fixado tamente no eixo.

As dimensões e características dos rolamentos são indicadas nas diferentes normas icas e nos catálogos de fabricantes.


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CARACTERÍSTICAS DOS ROLAMENTOS Ao examinar um catálogo de rolamentos, ou norma específica, você encontrará

informações sobre as seguintes características e outras mais: D: diâmetro externo; d: diâmetro interno; R: raio de arredondamento; L: largura.

Em geral, a normalização dos rolamentos é partir do diâmetro do eixo em que o rolamenPara cada diâmetro são definidas três séries dAs séries leves são usadas para cargas peqséries média ou pesada. Os valores do progressivamente em função dos aumentos dOs rolamentos classificam-se de acordo coradiais, axiais e mistos.

• Radiais - não suportam cargas axiaisimpedem o deslocamento no sentidtransversal ao eixo.

• Axiais - não podem ser submetidoscargas radiais. Impedem deslocamento no sentido axial, isto longitudinal ao eixo.

• Mistas - suportam tanto carga radicomo axial. Impedem o deslocamentanto no sentido transversal quanto naxial.

feita a partir do diâmetro interno d, isto é, a to é utilizado. e rolamentos: leve, média e pesada. uenas. Para cargas maiores, são usadas as diâmetro D e da largura L aumentam

as cargas. m as forças que eles suportam. Podem ser

e o

a o é,

al to o


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Conforme a solicitação, apresentam uma infinidade de tipos para aplicação específica como: máquinas agrícolas, motores elétricos, máquinas ferramenta, compressores, construção naval etc.

Quanto aos elementos rolantes os rolamentos podem ser: a) De esferas - os corpos rolantes são esferas. Apropriados para rotações mais

elevadas.

b) De rolos - os corpos rolantes são formados de cilindros, rolos cônicos ou barriletes. Esses rolamentos suportam cargas maiores e devem ser usados em velocidades menores.

c) De agulhas - os corpos rolantes são de pequeno diâmetro e grande comprimento. São recomendados para mecanismos oscilantes, onde a carga não é constante e o espaço radial é limitado.


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VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS ROLAMENTOS

Vantagens: - menor atrito e aquecimento; - baixa exigência de lubrificação; - intercambialidade internacional; - não há desgaste do eixo; - pequeno aumento da folga durante a vida útil. Desvantagens: - maior sensibilidade aos choques; - maiores custo de fabricação; - tolerância pequena para a carcaça e alojamento do eixo; - não suporta cargas tão elevadas como os mancais de deslizamento; - ocupa maior espaço radial. TIPOS E SELEÇÃO Os rolamentos são selecionados conforme: • as medidas do eixo; • o diâmetro interno (d); • o diâmetro externo (D); • a largura (L); • o tipo de solicitação; • o tipo de carga; • o número de rotação. Com essas informações, consulta-se o catálogo do fabricante para identificar o rolamento desejado. Rolamento Fixo de uma carreira de esferas

É o mais comum dos rolamentos. Suporta cargas radiais e pequenas cargas axiais e é apropriado para rotações mais elevadas.

Sua capacidade de ajustagem angular é limitada. É necessário um perfeito alinhamento entre o eixo e os furos da caixa.


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Rolamento de contato angular de uma carreira de esferas Admite cargas axiais somente em um sentido e deve sempre ser montado contra outro rolamento que possa receber a carga axial no sentido contrário. Rol É umcondesa Rol É afaci

amento autocompensador de esferas

rolamento de duas carreiras de esferas com pista esférica no anel externo, o que lhe fere a propriedade de ajustagem angular, ou seja, de compensar possíveis linhamentos ou flexões do eixo.

amento de rolo cilíndrico

propriado para cargas radiais elevadas. Seus componentes são separáveis, o que lita a montagem e desmontagem.


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Rolamento autocompensador de uma carreira de rolos

Seu emprego é particularmente indicado para construções em que se exige uma grande capacidade para suportar carga radial e a compensação de falhas de alinhamento.

Rolamento autocompensador de duas carreiras de rolos É um rolamento adequado aos mais pesados serviços. Os rolos são de grande diâmetro e comprimento. Devido ao alto grau de oscilação entre rolos e pistas, existe uma distribuição uniforme da carga. Rolamento de rolos cônicos Além de cargas radiais, os rolamentos de rolos cônicos também suportam cargas axiais em um sentido. Os anéis são separáveis. O anel interno e o externo podem ser montados separadamente. Como só admitem cargas axiais em um sentido, torna-se necessário montar os anéis aos pares, um contra o outro.


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Rolamento axial de esfera Ambos os tipos de rolamento axial de esfera (escora simples e escora dupla) admitem elevadas cargas axiais, porém, não podem ser submetidos a cargas radiais. Para que as esferas sejam guiadas firmemente em suas pistas, é necessária a atuação permanente de uma carga axial mínima.

Rolamento axial autocompensador de rolos Possui grande capacidade de carga axial devido à disposição inclinada dos rolos. Também pode suportar consideráveis cargas radiais. A pista esférica do anel da caixa confere ao rolamento a propriedade de alinhamento angular, compensando possíveis desalinhamentos ou flexões do eixo.


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Rolamento de agulha Possui uma seção transversal muito fina em comparação com os rolamentos de rolos comuns. Comprimento de 3 a 10 vezes o diâmetro. É utilizado especialmente quando o espaço radial é limitado.

Rolamentos com proteção São assim chamados os rolamentos que, em função das características de trabalho, precisam ser protegidos ou vedados. A vedação é feita por blindagem (placa). Existem vários tipos. Os principais tipos de placas são:

As designações Z e RS são colocadas à direita do número que identifica os rolamentos. Quando acompanhados do número 2 indicam proteção de ambos os lados.


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CUIDADOS COM OS ROLAMENTOS Na troca de rolamentos, deve-se tomar muito cuidado, verificando sua procedência e seu código correto. Antes da instalação é preciso verificar cuidadosamente os catálogos dos fabricantes e das máquinas, seguindo as especificações recomendadas. Na montagem, entre outros, devem ser tomados os seguintes cuidados: • verificar se as dimensões do eixo e cubo estão corretas; • usar o lubrificante recomendado pelo fabricante; • remover rebarbas; • no caso de reaproveitamento do rolamento, deve-se lava-lo e lubrifica-lo

imediatamente para evitar oxidação; • não usar estopa nas operações de limpeza; • trabalhar em ambiente livre de pó e umidade. DEFEITOS COMUNS DOS ROLAMENTOS Os defeitos comuns ocorrem por: • desgaste; • fadiga; • falhas mecânicas. Desgaste O desgaste pode ser causado por: • deficiência de lubrificação; • presença de partículas abrasivas; • oxidação (ferrugem); • desgaste por patinação (girar em falso); • desgaste por brinelamento. Fadiga

A origem da fadiga está no deslocamento da peça, ao girar em falso. A peça se descasca, principalmente nos casos de carga excessiva. Descascamento parcial revela fadiga por desalinhamento, ovalização ou por conificação do alojamento.


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Falhas mecânicas O brinelamento é caracterizado por depressões correspondentes aos roletes ou esferas nas pistas do rolamento. Resulta de aplicação da pré-carga, sem girar o rolamento, ou da prensagem do rolamento com excesso de interferência. Goivagem é defeito ficam prensadas pelo Sulcamento é provo Queima por correelétrica durante a souso do rolamento e p As rachaduras e frsobre o eixo. Podemacompanhado de sob O engripamento poacontecer, também, p

semelhante ao anterior, mas provocado por partículas estranhas que rolete ou esfera nas pistas.

cado pel

nte elétldagem. rovocam

aturas r, tambérecarga.

de ocoror elimi

a batida de uma ferramenta qualquer sobre a pista rolante.

rica é geralmente provocada pela passagem de corrente As pequenas áreas queimadas evoluem rapidamente com o o deslocamento da pista rolante.

esultam, geralmente, de aperto exm, aparecer como resultado do gir

rer devido a lubrificante muito enação de folga nos roletes ou esfer

cessivo do anel ou cone ar do anel sobre o eixo,

spesso ou viscoso. Pode as por aperto excessivo.


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7.1 - CÁLCULO DA VIDA NOMINAL DO ROLAMENTO A relação existente entre a vida nominal, a capacidade de carga dinãmica e a carga aplicada ao rolamento, é expressa por uma equação:

ρ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

PCL ou ( ) ρ

ρ LLPC

==1

Onde: L = vida nominal, em milhões de revoluções. C = capacidade da carga dinâmica, em N. P = carga dinâmica equivalente sobre o rolamento, em N. ρ = expoente da fórmula de vida nominal, sendo que: = 3 para rolamentos de esferas, e = 10/3 para rolamentos de rolos e agulhas. Para rolamentos que trabalham à rotação constante, é mais conveniente expressar a vida nominal em horas de trabalho, usando desta forma a seguinte equação:

ρ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

×=

PC

nLh 60

106

ρ1

61060

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××

×=nLPC h

Onde: Lh = vida nominal em horas de trabalho n = rotação em rpm Ao selecionar o tamanho de um rolamento, deve-se utilizar a vida nominal em milhões de rotação ou em horas de trabalho. A carga sobre um rolamento radial frequentemente consiste em forças axiais e radiais. Neste caso calcula-se a carga equivalente pela equação: P = X FR + Y FA Onde: X = fator radial do rolamento Y = fator axial do rolamento P = carga equivalente FR = carga radial constante FA = carga axial constante Os fatores X e Y estão indicados nas tabelas para rolamentos, em catálogos dos fabricantes. ( verifique as tabelas encontradas mais adiante nesta apostila retiradas de alguns catálogos).


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EXEMPLO DE CÁLCULO PARA ROLAMENTOS Em um determinado eixo de um equipamento, que deve ter uma vida útil de 5000 horas, determinar os rolamentos necessários, conforme desenho abaixo: DADOS: Rolamento rígido de esferas F = 1200 Kgf Lh = 5000 hs n = 800 rpm SOLUÇÃO: 1°) Interpretar os tipos de cargas que atuam no eixo. Neste caso atua somente uma carga radial F = 1200 Kgf. 2°) Deve-se calcular as reações nos mancais, que serão as cargas equivalentes em cada rolamento, portanto: ΣMA=0 ΣFy=0 1200. 120 – RB. 300 = 0 RA + RB –1200 = 0 RB = 480 Kgf RA =720 Kgf Portanto no mancal A → PA = 720 Kgf e no mancal B → PB = 480 Kgf 3°) Isolando a incógnita “C” (Capacidade de carga dinâmica) da fórmula, e sabendo que o rolamento é de esferas, então = 3, tem-se:

ρ1

61060

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××

×=nLPC h

No mancal “A” → NkgfCA 15,44744415,447410

80060500072031

6 ==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××

×=

No mancal “B” → NkgfCB 43,29829943,298210

80060500048031

6 ==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ××

×=


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4°) Pelos valores encontrados para a capacidade de carga dinâmica em cada rolamento, “CA ”e “CB” , busca-se na tabela para rolamentos rígidos de esferas, que corresponde ao pedido pelo exercício, um valor igual ou maior ao encontrado. No mancal “A” CA = 44744,15 N, pela tabela (pelo valor mais próximo maior), encontra-se Ctabelado= __________N , que corresponde ao rolamento de designação 6____ da SKF , com as seguintes dimensões principais: d = __ mm D = ___ mm B = ___ mm No mancal “B” CB = 29829,43 N, pela tabela encontra-se Ctabelado= ______N , que corresponde ao rolamento de designação 6_____, com as seguintes dimensões principais: d = __ mm D = ___ mm B = __ mm 7.2 - EXERCÍCIOS SOBRE MANCAIS DE ROLAMENTO 7.2.1 - Determinar os rolamentos de rolos cônicos que devem ser utilizados para a montagem conforme desenho abaixo. Dados: F1 = 300 kgf e F2 = 400 kgf lh = 4000 horas n = 650 rpm

400 450550

série 302xx Respostas: A = 30203 SkF B = 30205 s/f


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7.2.2 - Determinar os rolamentos de rolos Cônicos que devem ser utilizados abaixo. Dados: Vida de 4500 horas, n = 1750 rpm, Série 303xx, diâmetro do eixo = 50 mm

Respostas: A = 3010 SkF B = 30309 SkF 7.2.3 - Determinar a vida útil de um rolamento de esferas de contato angular, para determinar sua manutenção preventiva. Sabendo-se que o eixo gira a 450 rpm e às dimensões dos rolamentos são de d = 60 mm; D = 110 mm e B= 22 mm.

A carga dinâmica C = 43000 N.

Respostas: LhA = 7253,44 h LhB = 1771,62 h


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7.2.4 - Determinar: a) A vida “Lh” dos rolamentos A e B. b) Pela vida Lh calculada no rolamento A: escolher os rolamentos C e D. Dados: • Rolamentos C e D - rígidos de esferas. Z1 = 16 Z3 = 20 Z2 = 38 Z4 = 62 ambas m = 4 ambas m = 6 • Engrenagens dentes retos. • Rolamentos A e B d = 55 mm D = 100 mm B = 21 mm Disposição em “x” de contato angular • Rotação na saída - n = 200 rpm • Ângulo de pressão - α = 20°

9- TABELAS


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A seguir estão colocadas algumas tabelas, retiradas do catálogo de rolamentos da SKF, as quais trazem todos os dados para cada rolamento designado.

Tabela para Rolamentos rígidos de esferas


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Tabela para Rolamentos de uma carreira de esferas de contato angular


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Tabela para Rolamentos de Rolos Cônicos

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