SISTEMAS MECÂNICOS I

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 10 – MANCAIS DE ROLAMENTO

MANCAIS DE CONTATO ROLANTE◦Os termos mancal de contato de rolamento ou

rolante, mancal antifricção e mancal derolamento são todos usados para descrever aclasse de mancal em que a carga principal étransferida por meio de elementos emcontato rolante, em vez de contato deescorregamento. Em um mancal derolamento, a fricção inicial é cerca de duasvezes a fricção de funcionamento.

◦Carga, velocidade e viscosidade de operaçãodo lubrificante afetam as característicasfriccionais de um mancai de rolamento.

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TIPOS DE MANCAIS◦Os mancais são fabricados para

receber cargas radiais puras, cargas deempuxo puras ou uma combinaçãodesses dois gêneros de cargas.

◦A nomenclatura de um mancal deesferas está ilustrada na FigurA, quetambém mostra as quatro peçasessenciais de um mancal, a saber:◦ o anel externo (pista externa);◦ o anel interno (pista interna);◦ elementos de rolamento;◦ separador (gaiola).

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TIPOS DE MANCAIS◦ Alguns dos vários tipos de mancais

padronizados manufaturados são exibidos nasFiguras.

◦ Todos esses mancais podem ser obtidos comblindagem em um ou em ambos os lados.

◦ As blindagem não constituem um fechamentocompleto, mas oferecem uma medida deproteção contra a sujeira.

◦ Alguns mancais são manufaturados comvedação em um ou em ambos os lados.Quando a vedação é realizada nosdois lados, os mancais são lubrificados nafábrica.

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TIPOS DE MANCAIS◦ Um pouco da grande variedade de mancais

de rolos padronizados disponíveis éapresentado nas Figuras.

◦ Os mancais de rolos retos carregarão maiorcarga que os mancais de esferas do mesmotamanho, devido à maior área de contato.Contudo, eles têm a desvantagem derequerer geometria quase perfeita daspistas e dos rolos.

◦ Os mancais de agulha são muito úteisonde o espaço radial é limitado. Elesapresentam uma alta capacidade de cargaquando separadores são utilizados, maspodem ser obtidos sem estes. Sãofornecidos com e sem pistas.

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TIPOS DE MANCAIS◦ Um pouco da grande variedade de mancais de rolos

padronizados disponíveis é apresentado nas Figuras.◦ Os mancais de rolos retos carregarão maior carga

que os mancais de esferas do mesmo tamanho,devido à maior área de contato. Contudo, eles têm adesvantagem de requerer geometria quase perfeitadas pistas e dos rolos.

◦ Os mancais de agulha são muito úteis onde oespaço radial é limitado. Eles apresentam uma altacapacidade de carga quando separadores sãoutilizados, mas podem ser obtidos sem estes. Sãofornecidos com e sem pistas.

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VIDA DO MANCAL◦ Quando a esfera ou o rolo de mancais de contato rolante

rola, as tensões de contato ocorrem no anel interno, oelemento rolante, e no anel externo.

◦ Se um mancal estiver limpo e lubrificaçãoapropriadamente, se for montado e vedado contra aentrada de poeira e sujeira, se for mantido em talcondição e se for operado a temperaturas razoáveis,então a fadiga do metal será a única causa de falha.

◦ Medidas comuns de vida são as seguintes:◦ Número de revoluções do anel interno (anel externo estacionário),

até a primeira evidência tangível de fadiga.◦ Número de horas de uso a uma velocidade angular padronizada,

até a primeira evidência tangível de fadiga.

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VIDA DO MANCAL◦ O termo comumente usado é vida de mancal, que é aplicado

a qualquer das medidas supramencionadas.

◦ Sob condições ideais, a falha de fadiga consiste em lascagemdas superfícies de carregamento de carga.

◦ O critério de fadiga empregado pelos laboratórios da TimkenCompany são a lascagem de uma área de 0,01 in².

◦ Vida nominal é um termo sancionado pela ABMA e utilizadopela maioria dos fabricantes. A vida nominal de um grupo demancais de esferas ou de rolos nominalmente idênticos édefinida como o número de revoluções (ou de horas a umavelocidade constante) que atingirão 90% de um grupo demancais, antes que o critério de falha se manifeste.

◦ Vida mediana é a vida do 50% de um grupo de mancais.

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CARGA E VIDA DO MANCAL NA CONFIABILIDADE ESPECIFICADA

◦ Quando grupos nominalmente idênticos são testadospelo critério de vida-falha sob cargas diferentes, os dadossão traçados em um gráfico como o da Figura, que utilizauma transformação log-log.

◦ Para estabelecer um único ponto, a carga F1 e a vidanominal de grupo um (L10)1 são as coordenadaslogaritmicamente transformadas.

◦ A confiabilidade associada a esse ponto, e a todos osoutros pontos, é de 0,90. Pode-se usar a equaçãoapresentada, utilizando, com base em muitos ensaiospara vários tipos de mancais:◦ a=3 para mancais de esfera;◦ a=10/3 para mancais de rolos (rolo cilíndrico e cônico).

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CARGA E VIDA DO MANCAL NA CONFIABILIDADE ESPECIFICADA◦ Um fabricante de mancal pode escolher um valor quantificado de ciclos de 106

revoluções (L10), no da Timken Company, de 90(106) revoluções de vida para umadeterminada capacidade de carga.

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CARGA E VIDA DO MANCAL NA CONFIABILIDADE ESPECIFICADA◦ Um fabricante de mancal pode escolher um valor

quantificado de ciclos de 106 revoluções (L10), no daTimken Company, de 90(106) revoluções de vida parauma determinada capacidade de carga.

◦ A capacidade (valor) de carga de catálogo é definidocomo C10. Pode-se escrever a equação anterior eassociar a carga F1 a C10, a medida de vida L1, a L10.

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CARGA E VIDA DO MANCAL NA CONFIABILIDADE ESPECIFICADAExemplo 11-1◦ Considere a SKF, que classifica seus mancais para um

milhão de revoluções, de modo que a vida L10 seja60LRnR=106 revoluções. O produto LRnR60 produz umnúmero familiar. A Timken, por exemplo, usa 90(106)revoluções. Se você quiser uma vida de 5000h a 1725rpm, com uma carga de 400 lbf com uma confiabilidadede 90%, que valor de catálogo buscaria em um catálogoda SKF?

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CARGA E VIDA DO MANCAL NA CONFIABILIDADE ESPECIFICADAExemplo 11-1◦ Considere a SKF, que classifica seus mancais para um

milhão de revoluções, de modo que a vida L10 seja60LRnR=106 revoluções. O produto LRnR60 produz umnúmero familiar. A Timken, por exemplo, usa 90(106)revoluções. Se você quiser uma vida de 5000h a 1725rpm, com uma carga de 400 lbf com uma confiabilidadede 90%, que valor de catálogo buscaria em um catálogoda SKF?

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PADRONIZAÇÃO DE DIMENSÕES◦ A ABMA estabeleceu dimensões padronizadas de

contorno para mancais, as quais definem o orifício domancai, o diâmetro externo, a largura e os tamanhos defilete no eixo e os encostos de compartimento.

◦ Esse plano básico da ABMA é ilustrado na Figura. Osmancais são identificados por um número de dois dígitosdenominado código de dimensão de série.

◦ O primeiro número no código é o da série de larguras: 8,0, 1, 2, 3, 4, 5 e 6. O segundo número é o da série dediâmetros (externos): 8, 9, 0, 1, 2, 3 e 4.

◦ Visto que o código de dimensão de série não revela asdimensões diretamente, é necessário recorrer atabulações.

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PADRONIZAÇÃO DE DIMENSÕES

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SOBREVIVÊNCIA DO MANCAL: CONFIABILIDADE VERSUS VIDA◦ As candidatas a um ajuste de curva distribucional incluem a lognormal e a Weibull. A

Weibull é a mais popular, muito devido à sua habilidade em se ajustar a quantidadesvariantes de obliquidade (enviesamento). Se a medida de vida for expressaadimensionalmente como x = L/L10, então a confiabilidade poderá ser expressa como:

◦ Onde:◦ R = confiabilidade;

◦ x = variante adimensional de medida de vida;

◦ x0 - valor garantido, ou "mínimo", do variante;

◦ θ = parâmetro característico;

◦ b = parâmetro de forma.

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RELACIONANDO CARGA, VIDA E CONFIABILIDADE◦ A carga desejada não é a carga de ensaio,

nem o registro de catálogo do fabricante. Avelocidade desejada é diferente davelocidade de teste do vendedor, e aexpectativa de confiabilidade é maior que ade 0,90 que acompanha o registro decatálogo. A Figura ilustra a situação

◦ A informação de catálogo é traçada como oponto A, um ponto no contorno deconfiabilidade de 0,90. O ponto de projeto éem D, um ponto que está no contorno deconfiabilidade de R = RD, O projetista devemover-se do ponto D ao ponto A via pontoB, como segue.

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RELACIONANDO CARGA, VIDA E CONFIABILIDADE◦ Ao longo de um contorno de confiabilidade constante

(BD) aplica-se a Equação:

◦ Ao longo de uma linha de carga constante (AB), aplica-se a Equação:

◦ Agora, substitua isso na Equação, de modo a obter:

◦ Contudo, FB = C10:

RELACIONANDO CARGA, VIDA E CONFIABILIDADE◦ Os eixos geralmente têm dois mancais. Com

frequência, esses mancais são diferentes. Sea confiabilidade do mancal do eixo com seupar de mancais deve ser R, então R estárelacionado às confiabilidades individuaisde mancai RA e RB por:

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RELACIONANDO CARGA, VIDA E CONFIABILIDADEExemplo 11-3◦ A carga de projeto em um mancai de esfera é de 413 lbf, e um fator de aplicação de 1,2

é apropriado. A velocidade do eixo deve ser de 300 rpm e a vida, de 30 kh, com umaconfiabilidade de 0,99. Qual é o registro de catálogo de C10 a ser buscado (ou excedido)quando se procura por um mancai de sulco profundo em um catálogo de fabricantefundamentado na base de IO6 revoluções para vida nominal? Os parâmetros de Weibullsão x0=0,02, (θ - Xo) = 4,439 e b = 1,483.

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RELACIONANDO CARGA, VIDA E CONFIABILIDADEExemplo 11-3◦ A carga de projeto em um mancai de esfera é de 413 lbf, e um fator de aplicação de 1,2

é apropriado. A velocidade do eixo deve ser de 300 rpm e a vida, de 30 kh, com umaconfiabilidade de 0,99. Qual é o registro de catálogo de C10 a ser buscado (ou excedido)quando se procura por um mancai de sulco profundo em um catálogo de fabricantefundamentado na base de IO6 revoluções para vida nominal? Os parâmetros de Weibullsão x0=0,02, (θ - Xo) = 4,439 e b = 1,483.

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