UNISC UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA, ARQUITETURA E CIÊNCIAS AGRÁRIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ELEMENTOS DE MÁQUINAS II
Prof. Flávio Thier, Dr. Engº
ESCOPO DA DISCIPLINA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS II CAPÍTULO 1 - Elementos de Apoio (Guias, Mancais de Deslizamento, Mancais de Rolamento). CAPÍTULO 2 - Elementos Elásticos (Molas Helicoidais, Molas Planas, Molas Prato - Belleville, Molas Espirais, Molas de Torção, Molas de Borracha). CAPÍTULO 3 - Elementos de Atrito (Embreagens, Freios). CAPÍTULO 4 - Junções (Junções de Eixos e Árvores com o Cubo). CAPÍTULO 5 - Lubrificação (Atrito, Tipos de Lubrificantes, Propriedades Físico-Químicas dos Lubrificantes, Viscosímetros, Sistemas de Lubrificação, Classificação dos Lubrificantes). CAPÍTULO 6 - Potência de Acionamento (Cálculo de Potência Motora Necessária).
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Capítulo 1 ELEMENTOS DE APOIO São os elementos responsáveis em suportar e transferir ao solo as cargas originadas pelo peso próprio de determinadas partes do equipamento e seus movimentos, dando condições de giro ou translação orientada aos elementos responsáveis pela transmissão. São peças onde especial atenção é dada à tentativa de diminuição máxima do atrito entre os elementos com movimento relativo entre si, visto que este fenômeno se caracteriza em uma perda flagrante de energia.
1 – Guias 1.1 – Introdução A Guia tem a função de manter a direção de uma peça em movimento. Fazendo analogia com uma janela corrediça, os seus movimentos de abrir e fechar são feitos dentro de trilhos que evitam que a mesma saia de uma direção pré-determinada.
Numa máquina industrial, a guia tem a mesma função desses trilhos, como por exemplo, numa Serra-fita, a guia assegura a direção da trajetória da Serra. Geralmente são usadas mais de uma guia em máquinas. Normalmente usa-se um conjunto de guias com perfis variados, que se denominam Barramento. Existem vários tipos de barramentos, conforme a função que eles exercem.
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1.2 - Tipos No caso de se desejar movimentos retilíneos, geralmente são usadas Guias constituídas de peças cilíndricas ou prismáticas. Essas peças deslizam dentro de outra peça com forma geométrica semelhante, conforme as ilustrações abaixo:
As Guias podem ser abertas ou fechadas, conforme as figuras abaixo:
1.3 - Classificação As Guias classificam-se em dois grupos: Guias de Deslizamento e de Rolamento. As Guias de Deslizamento apresentam-se, geralmente, nas seguintes formas:
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No Barramento de máquinas operatrizes são empregadas combinações de vários perfis de Guias de Deslizamento. O quadro a seguir apresenta alguns perfis combinados e suas aplicações.
Quando uma ou mais peças se movimentam apoiadas em Guias, as superfícies produzem atrito de contato entre si. Com o passar do tempo, o movimento vai provocando desgaste das superfícies dando origem a folga no sistema, mesmo que ele esteja sempre lubrificado. Para evitar que esta folga prejudique a precisão do movimento, é preciso que ela seja compensada por meio de Réguas de Ajuste, o que é mostrado na figura abaixo:
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Alguns tipos de Barramentos e suas respectivas Réguas de Ajuste:
As Guias de Rolamento geram menor atrito que as Guias de deslizamento, porque existem elementos rolantes que giram entre as Guias. Estes elementos podem ser esferas ou roletes, conforme mostram as figuras abaixo:
Os tipos de Guias ilustradas foram utilizadas, inicialmente, em máquinas de medição. Atualmente
são
amplamente
empregadas
em
máquinas
de
Comando
Numérico
Computadorizado (CNC).
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1.4 – Material de Fabricação Geralmente o barramento, ou seja, o conjunto de Guias de deslizamento é produzido em
ferro fundido. Conforme a finalidade do emprego da Guia, ela pode ser submetida a um tratamento térmico para aumento da dureza de sua superfície. O barramento é muito usado em máquinas operatrizes, como por exemplo, um torno mecânico.
As Guias de rolamento, da mesma forma, possuem elementos tratados termicamente para aumento da resistência ao desgaste.
1.5 – Lubrificação De um modo geral, tanto as Guias de deslizamento como as de rolamento são lubrificadas com óleo. Nas de deslizamento, o mesmo é introduzido entre as superfícies em contato por meio de ranhuras ou canais de lubrificação. O óleo deve correr pelas ranhuras de modo que atinja toda a extensão da pista e forme uma película lubrificante. Estas ranhuras são feitas sempre na pista da peça móvel, conforme as figuras abaixo:
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Nas máquinas de grande porte, são usadas as Guias Hidrostáticas que se utilizam da pressão de óleo para criarem um filme lubrificante entre as superfícies que trabalham entre si.
1.6 – Conservação das Guias Para a conservação das Guias de deslizamento e rolamento em bom estado, são recomendadas as seguintes medidas: •
Manter as Guias sempre lubrificadas;
•
Protegê-las quando expostas a algum meio abrasivo;
•
Protegê-las com madeira quando forem usadas como apoio de algum objeto;
•
Providenciar a manutenção do ajuste da régua, sempre que necessário.
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2 – Mancais 2.1 – Introdução Mancais são elementos de máquinas que permitem movimento relativo orientado entre dois componentes, enquanto transmitem força de um componente para o outro, sem permitirem movimento na direção da aplicação das cargas. Como exemplo pode ser citado a figura abaixo onde cada uma das situações de transmissão apresentadas necessita de um conjunto de mancais para sustentar, estavelmente, o eixo com suas cargas aplicadas, enquanto ao mesmo tempo permite que o eixo gire livremente. As cargas aplicadas no eixo são tipicamente produzidas por engrenagens, correias, correntes, volantes ou outros elementos especializados montados no eixo.
Todo dispositivo com partes móveis necessita de pelo menos um mancal de algum tipo para permitir o movimento relativo desejado enquanto provê as restrições necessárias e a capacidade de carregamento. A origem do mancal é remota e, provavelmente, surgiu quando o homem primitivo observou que todo eixo gira com mais desenvoltura, exigindo menos força para isso quando se apóia com qualquer dos seus setores, mas principalmente com suas extremidades, numa espécie de berço. Os primeiros mancais eram feitos de couro ou madeira, que passaram por uma evolução muito grande a partir da constatação de que um eixo girava com maior facilidade ainda se fosse colocado entre este e os mancais um pouco de gordura, tendo sido este o primeiro lubrificante mecânico que se têm conhecimento. 9
A partir da aplicação dos metais, principalmente o ferro, a utilização do mancal se disseminou, e com a evolução das máquinas, os mesmos assumiram um papel fundamental.
2.2 – Evolução Em 1839, Isaac Babbitt criou e patenteou uma liga metálica extraordinariamente resistente aos efeitos da fricção, que melhorou muito o desempenho dos Mancais, tendo sido chamada de Metal Patente ou Metal Babbitt. É, provavelmente, o mais comum dos materiais para mancais, estando ainda disponível no mercado, porém, atualmente, com pouca aplicação devido às várias opções existentes. Foi muito utilizado no revestimento interno de mancais, cuja aplicação era feita através da fundição direta do material em uma moldação feita com argila sobre o mesmo. A composição desta liga é de 90 % Sn (Estanho), 5 % Sb (Antimônio), 1% Cu (Cobre) e 4% Pb (Chumbo).
2.3 – Classificação dos Mancais Um Mancal é constituído de duas partes principais: O Munhão, que é a parte interna, cilíndrica, usualmente com movimento de rotação ou oscilação, e o Mancal propriamente dito ou superfície de apoio, que pode ser estacionário, como os mancais de um Eixo, ou móvel, como os mancais de uma Árvore. Atualmente a Mecânica classifica os Mancais, de uma forma ampla, em dois grupos: •
Mancais de Deslizamento, originados dos primeiros mancais metálicos, e cujo interior contém montada uma ou mais Buchas confeccionadas de materiais com baixo coeficiente de atrito. São caracterizados pelo escorregamento de uma superfície móvel sobre outra.
•
Mancais de Rolamento, equipados com os Rolamentos propriamente ditos, tendo estes em seu interior, elementos rolantes como esferas e rolos que variam de acordo com a aplicação. Normalmente é feita a pergunta se são melhores os Mancais de Rolamento ou os
Mancais de Deslizamento. 10
Uma afirmação categórica é de que cada um dos dois tipos tem as suas qualidades particulares, e que nenhum deles satisfaz a todas as exigências. Há casos em que apenas os Mancais de Deslizamento podem ser usados; outros em que somente os de Rolamento constituem uma boa solução e, ainda aqueles em que os dois tipos oferecem uma solução satisfatória. A decisão depende das propriedades de maior importância para cada aplicação, no momento do projeto.
2.4 – Mancais de Deslizamento As aplicações de Mancais de Deslizamento incluem deslizamentos alternativos, componentes rotativos ou oscilantes de seção transversal cilíndrica em luvas anelares e discos giratórios ou discos oscilantes deslizando sobre outros discos.
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Nos Mancais de Deslizamento a área de lubrificação relativamente grande amortece as
vibrações, os choques e ruídos. Estes mancais são também menos sensíveis a choques e poeira (lubrificação e graxa, com efeito, de vedação contra a poeira), permitem menor jogo do mancal, e, por outro lado, uma tolerância relativamente grande de ajuste. Além disso, são de construção simples,
fabricação fácil, tanto os inteiriços como os bi-partidos, sendo os de grandes diâmetros, significativamente mais baratos que os de rolamento. Exigem também menor diâmetro de montagem e apresentam grande flexibilidade construtiva. Por outro lado, a película de lubrificante só se forma com o movimento de deslizamento, razão pela qual o coeficiente de atrito de partida apresenta valores sensivelmente mais elevados. Acima de tudo, o atrito de escorregamento requer e consome muito mais
lubrificante, exigindo, portanto, maiores cuidados de circulação de lubrificante (principalmente para eixos verticais) e de manutenção. Existe ainda um tempo de amaciamento necessário para que a bucha adquira uma superfície com um bom grau de alisamento, o comprimento sempre maior e a influência da superfície (acabamento) do eixo sobre as condições de escorregamento. Em resumo, os Mancais de Deslizamento têm as seguintes vantagens: •
Menor custo de aquisição;
•
Projeto simples tanto do eixo/árvore quanto do alojamento;
•
Exigem pequeno espaço radial;
•
Sua operação é silenciosa;
•
Não é sensível a sujeiras ou partículas;
•
Menos sujeito à falha por fadiga;
•
Relativamente leve;
•
De fácil reposição
•
Em situações onde existirem impactos fortes e vibrações (em máquinas de reserva, colocadas ao lado de máquinas em funcionamento);
•
Quando se desejam mancais bi-partidos;
Os Mancais de Deslizamento podem ainda ser classificados segundo os seguintes parâmetros:
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•
Segundo a direção da força: mancais radiais (mancais de apoio), para forças radiais; mancais axiais (mancais de escora), para forças axiais, mancais de guia, guiam um movimento móvel com trajetória retilínea;
•
Segundo a aplicação: mancais em redutores, em transmissões, em motores, em turbinas, em laminadores, etc.
•
Segundo a construção: mancais inteiriços, bi-partidos, de pé, suspensos, autocompensadores, de colares múltiplos, embutidos, etc;
•
Segundo o material: mancais de metal branco, bronze, bronze vermelho, metal leve, material sinterizado, resina sintética, prensada, aglomerados de diferentes materiais, etc;
•
Segundo a lubrificação: mancais com lubrificação a graxa, de anel, lubrificação forçada, etc. A utilização deste tipo de mancal inclui normalmente o uso de um lubrificante na
interface deslizante para a redução do arrasto friccional e da perda de potência, sustentar a carga transmitida e ajudar a dissipar o calor produzido, o que será visto em capítulo específico que abordará este tema.
2.4.1 – Modos Prováveis de Falha Em função do uso específico, da qualidade do movimento relativo de deslizamento, o tipo de lubrificante na interface de deslizamento e o meio, os mancais de deslizamento podem ser vulneráveis a falha através de vários modos possíveis. Como exemplo pode ser citado o caso em que, se as cargas radiais num mancal de deslizamento do tipo Munhão e Mancal forem altas quando em repouso, escoamentos significativos poderão ocorrer na área de contato. A produção de ácidos durante a oxidação de lubrificantes, ou contaminação externa, pode induzir uma corrosão inaceitável das superfícies do mancal. Se o filme lubrificante for tão fino que ocorra o contato metal-metal na interface do mancal (freqüentemente durante a partida inicial), o desgaste adesivo poderá danificar as superfícies do mancal. As altas temperaturas atingidas quando a dissipação de calor for insuficiente aumentam a probabilidade de ruptura do filme lubrificante. Já as partículas estranhas provenientes do meio de operação, ou partículas oxidadas de desgaste, podem gerar danos por desgaste abrasivo.
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Enfim, são vários os fatores que podem contribuir para a redução da vida de um mancal de deslizamento, ou induzi-lo à falha.
2.4.2 – Materiais para Mancais de Deslizamento Uma boa adaptação das superfícies de deslizamento depende, além das condições de funcionamento (carga, velocidade, lubrificação), da associação de forma geométrica (folga do mancal, acabamento superficial, amaciamento), da associação de materiais adequados às superfícies de deslizamento. É desejada uma associação que: •
seja a mais lisa;
•
seja fácil de enxarcar;
•
seja fácil de “amaciar”;
•
que não engripe em funcionamento a seco ( propriedade de emergência);
•
não se dilate irregularmente;
•
possua suficiente resistência estática e dinâmica (resistência ao calor e corrosão);
•
tenha boa condutibilidade térmica e boa aderência ao material da apoio. Os pares de materiais selecionados para mancais de deslizamento devem ter, agregados,
resistência à compressão adequada, boa resistência à fadiga, baixa resistência ao cisalhamento (para facilitar o aplainamento das asperezas superficiais), boa ductibilidade e baixa dureza (para promover o embutimento de pequenas partículas abrasivas externas), alta condutividade térmica (para dissipar o calor induzido por atrito) e coeficientes de expansão térmica compatíveis (para minimizar o empeno devido à expansão térmica diferencial). Um par de elementos para mancais consiste em um material duro, como um eixo de aço, deslizando sobre um material macio e dúctil, tal como um mancal de bronze (considerado como material de desgaste que deverá ser reposto). O bronze é uma liga de cobre e estanho, feito em diversas composições, de acordo com a aplicação. Recentemente os percentuais de cobre e estanho foram diminuídos e misturadas quantidades de chumbo. O cobre e o estanho formam uma matriz forte, para suportar as
cargas pesadas, e o chumbo, uma matriz plástica, que permite uma melhor ajustagem. O Bronze para Mancais contém de 5 a 15% de estanho, de 0 a 25% de chumbo e o restante de cobre. Em geral, quanto maior for o percentual do estanho, maior a resistência ao
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esmagamento, pancadas, alta resistência ao desgaste, com coeficiente de atrito relativamente alto. Os Bronzes de baixos teores de Estanho e altos teores de Chumbo têm um coeficiente de atrito mais baixo, sendo mais plásticos, adaptam-se melhor ao eixo, porém, são menos resistentes ao desgaste. São adequados aos serviços de alta rotação e baixa pressão, sem cargas de impacto. Os Bronzes Fosforosos, com adição de até 0,4% de fósforo, são utilizados principalmente em Coroas de Sem-fim em caixas redutoras de velocidade, mas podem ser utilizados em mancais submetidos a altas cargas radiais. Os Bronzes Grafitados melhoram as características de diminuição de fricção, resistindo muito bem à falta de lubrificação fluida. Os Bronzes Sinterizados a base de bronze, estanho e alumínio, possuem 35% de porosidade absorvendo o lubrificante, para devolvê-lo posteriormente na interface eixomaterial da bucha. O Babbitt não pode ser usado para pressões acima de 70 Kgf/cm². Outros materiais incluem os não-metálicos autolubrificados como Teflon, Nylon, Acetal, Resina Fenólica ou Policarbonato. Em utilizações especiais como mancais submersos são utilizados elastômeros como as borrachas.
2.4.3 – Atrito e Pressão do Lubrificante Em um mancal de deslizamento radial, o coeficiente de atrito µ o diminui rapidamente com o aumento de rotação, isto é, a partir do valor máximo (coeficiente de atrito de partida) até o mínimo µ . Na região de lubrificação hidrodinâmica, as superfícies de deslizamento são separadas pelo filme lubrificante; a pressão do lubrificante sustenta a carga “P”, de tal maneira que diminui consideravelmente o desgaste metálico (regime desejado).
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2.4.4 – Lubrificação A lubrificação ideal em um Mancal de Deslizamento inclui o suprimento de uma quantidade suficiente de lubrificante na interface de deslizamento com o objetivo de separar duas superfícies de atrito o suficiente para que não haja contato entre as asperezas durante a operação
Óleos e graxas são os lubrificantes mais comuns utilizados, porém utilizam-se também alguns sólidos, tais como a grafita, mica, esteatita, e outros materiais graxosos não abrasivos. Quando usados adequadamente, estes materiais enchem as cavidades, alisam as irregularidades nas superfícies reduzindo a fricção e o desgaste para valores abaixo do produzido com superfícies secas. Os Mancais pré-lubrificados, ou sem óleo, consistem de uma liga metálica mesclada com Bronze e Grafita. Ex: Bronze Grafitado.
2.4.5 - Dispositivos para Alimentação de Lubrificante •
Lubrificação por Anéis: Um anel, com diâmetro aproximadamente o dobro do eixo, que, com o movimento de rotação, recolhe o lubrificante do reservatório, jogando-o no mancal.
•
Lubrificação por Banho de Óleo: Quando é possível que parte do eixo fique submerso no óleo.
•
Lubrificação por Pressão: Com a utilização de bomba, que leva o óleo ao ponto a ser lubrificado.
•
•
Lubrificação por Salpico: Quando a manivela ou o virabrequim e outros elementos podem submergir no depósito de óleo e o mesmo ser levado às partes a lubrificar. Lubrificação por Copo: Reservatório com uma válvula que libera pausadamente o lubrificante.
•
Lubrificação por Mecha: Um pavio com uma das pontas imersa no reservatório de óleo, leva, por efeito de capilaridade, o lubrificante ao ponto a ser lubrificado.
•
Lubrificação por Engraxadeira: Pressiona a graxa para o interior do mancal através de uma Graxeira. Existem também os Copos Graxeiros roscados.
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2.4.6 – Inserção e Distribuição do Lubrificante O lubrificante, para qualquer mancal, deve ser inserido pela região de pressão mínima, ou seja, no caso de um mancal radial, por exemplo, a pressão máxima estará localizada na parte baixa do mancal. Fica um pouco à esquerda, se o sentido de rotação for horário, ou à esquerda se o sentido de rotação for anti-horário. Logo, o lubrificante deverá ser introduzido na parte superior do mancal. Deve ser levado em consideração que diferentes posições de mancais, aliadas a fatores externos, podem alterar as zonas de pressão máxima e mínima. Para distribuir o lubrificante a todas as regiões do mancal; o mesmo deverá ter uma
ranhura paralela ao eixo, e que termine cerca de 5 mm antes da borda do mancal. Ranhuras circulares devem ser feitas nas extremidades a fim de diminuir a fuga do lubrificante. Em mancais longos, a bucha pode ser feita em duas partes, no comprimento, deixando um vazio na parte central do mancal, que funciona como depósito de graxa.
2.4.7 – Seleção do Lubrificante Os lubrificantes para Mancais de Deslizamento podem ser óleos ou graxas. No caso de se utilizar óleo, podem ser empregados os chamados Motor Oil, usados em motores de combustão interna, como o SAE 10, SAE 20 e SAE 30. No caso da utilização de graxas, podem ser usadas as de sabão de cálcio, sódio ou lítio. É necessário lembrar que, quando a temperatura do mancal aumenta muito, a viscosidade do óleo diminui, podendo ocorrer o riscamento do conjunto. Desta forma, fica evidente que a escolha do lubrificante é função: •
Da temperatura final do lubrificante no mancal;
•
Da viscosidade do lubrificante.
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Para condições severas podem ser especificados os chamados óleos industriais com aditivos específicos. No caso de utilização de graxas, deverá ter o número de consistência NGLI, de 1 ou 2.
2.4.8 – Dimensionamento de Mancais de Deslizamento Normalmente o Eixo ou a Árvore de Transmissão já está determinado, faltando então determinar o comprimento ou largura do mancal (L).
Para o dimensionamento de Mancais de Deslizamento, deverá ser definido:
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a) Mancal de Deslizamento: •
Forma;
•
Dimensões: D, D1, e L;
•
Material;
•
Ajustes.
b) Lubrificação: •
Distribuição da pressão: nas condições de funcionamento, o mancal é carregado com (F) e com a velocidade angular (n), tendo a distribuição de pressão o seguinte aspecto:
Onde: h = menor espessura da cunha lubrificante (início da rotação do eixo/árvore)
c) Eixo •
Forma;
•
Dimensões na região do mancal e rugosidade;
•
Ajustes.
2.4.9 – Área Projetada do Mancal Nas condições reais, o cálculo é bastante complexo, pois há fatores desconhecidos com influência. Desta forma, para simplificação do cálculo, é usada a seguinte hipótese:
A pressão “p” distribui-se uniformemente na projeção do diâmetro do eixo/árvore, ao longo do mancal.
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Nestas condições:
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Obs: O produto “(p.v)máx” é tabelado em função da lubrificação do mancal. 2.4.10 – Dados Práticos
2.4.11 – Recomendações Para o bom funcionamento do Mancal, é necessário que: •
Haja uma folga diametral correta entre o eixo/árvore e o mancal, para o deslizamento através do atrito fluido (hidrodinâmico).
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•
Na prática, a folga diametral é determinada em função do ajuste eixo/bucha.
Cd = D – d
onde: D = diâmetro interno da bucha (mancal); d = diâmetro do eixo/árvore; Cd = folga diametral ou folga média entre eixo/árvore e mancal.
2.4.12 - Tabela de Ajuste e Tolerâncias para Eixo / Mancais
Grupo de Dimensões
Ajuste (D/d)
d≤4
H6 / h6
4 < d ≤ 75
H7 / f7
d > 75
H7 / e8
(Ajustes e tolerâncias para Eixos e Mancais).
Obs.: O ajuste do furo do mancal (bucha) é valido para o mancal montado na carcaça, ou seja, deverá ser alargado após montagem na carcaça. Tendo-se o ajuste entre (D/d); determina-se a folga máxima (Fmax) e a folga mínima (Fmin); assim sendo, a folga diametral será: Cd = Fmax + Fmin 2
2.4.13 – Ajuste entre a Carcaça e o Mancal O ajuste entre a carcaça e o mancal poderá ser com interferência (preferível) ou com folga quando se necessita facilidade de montagem e desmontagem. Nessas condições (com folga) necessita-se prover um sistema que impeça o movimento do mancal na carcaça.
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Ajuste (D2 /D1)
Observações
H7 / s6
Montagem a prensa com grande esforço.
H7 / r6
Montagem com interferência a prensa.
H7 / j6
Montagem e desmontagem fácil, ajuste incerto, aderente. (Ajustes e tolerâncias entre Carcaça e Mancal).
2.4.14 – Rugosidade Superficial entre Eixo/Mancal
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Tolerância ISO para Furos
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Tolerância ISO para Eixos
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Exemplo: Determinar os dois mancais de deslizamento de um compressor. Dados: Mancais de Bronze ao chumbo; árvore de aço temperado, d = 50 mm.; lubrificação por mecha; F = 350 Kgf; n = 900 rpm; temperatura ambiente, ta = 45° C.
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Exercício: Dimensionar um mancal de virabrequim de automóvel que atuará com lubrificação forçada com rotação n= 2.000 rpm, submetido à ação de uma força F= 20 kN. O diâmetro da árvore é de 60 mm. Admita para a resolução: •
Bucha de bronze ao chumbo
•
Temperatura ambiente ta= 50°C
•
µ =
0,0025 (coeficiente de atrito)
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2.5 – Mancais de Rolamento Semelhante aos mancais de deslizamento, os Mancais de Rolamento são projetados para permitir um movimento relativo entre duas peças de máquina, usualmente um eixo rotativo e uma estrutura fixa, enquanto suporta as cargas aplicadas. Contrastando com a interface deslizante que caracteriza os Mancais de Deslizamento, nos mancais de rolamento o eixo rotativo é separado da estrutura fixa pela interposição de elementos rolantes, de modo que a fricção rolante prevalece, ao invés da fricção deslizante.
Provavelmente a vantagem mais importante dos Mancais de Rolamento é a de que o atrito de partida não é superior ao atrito de operação, contrastando com o atrito inicial de metal com metal observado nos mancais de deslizamento. Isso significa que o coeficiente de atrito varia pouco com os efeitos de carga e velocidade, exceto em casos extremos. Esta propriedade torna os mancais de rolamento particularmente indicados para elementos de máquinas que devem sofrer paradas e partidas freqüentemente e que partem sob carga, como eixos veiculares. As aplicações de Mancais de Rolamento variam desde minúsculos mancais de instrumentos a imensos mancais especiais, como os encontrados em máquinas para mineração. Desta forma, uma ampla gama de tamanhos e tipos entre estes extremos está disponível comercialmente, sendo que uma grande porcentagem de produtos de consumo incorpora mancais de rolamento. Em resumo, os Mancais de Rolamento têm as seguintes vantagens: •
Elevada confiabilidade com o mínimo de manutenção;
•
Mínima lubrificação requerida. O lubrificante pode ser vedado pela “vida útil” do mancal. 31
•
Adequado para operação em baixa velocidade;
•
Baixo atrito de partida (0,02 contra 0,12 dos Mancais de Deslizamento) e baixa perda de potência devido ao arraste por fricção;
•
Pode suportar prontamente cargas axiais, radiais ou combinações destas;
•
Ocupa pouco espaço axial;
•
Permutabilidade universal entre fabricantes devido à ampla padronização de tamanho e rígido controle de tolerâncias;
•
O aumento do ruído em operação alerta para a ocorrência de falha.
•
A usual maior capacidade de carga por centímetro de largura do mancal;
•
O amaciamento desnecessário e a maior liberdade na escolha do material do eixo. Apesar das vantagens enumeradas, em certos casos não é aconselhado o uso dos Mancais
de Rolamento como, por exemplo, nos casos em que o ruído do mancal possa ser inconveniente; nos casos em que o mancal venha a sofrer fortes choques no repouso, como máquinas em reserva; nos casos de mancais bi-partidos, cuja característica os mesmos não conseguem suprir; nos grandes radiais de baixa rotação (preço relativamente alto e grande diâmetro externo dos mancais de rolamento) e em mancais axiais solicitados a grandes cargas, no caso, acima de 200 toneladas, como em geradores e turbinas.
2.5.1 – Funcionamento Entre dois anéis e suas correspondentes vias de rolamento, estão colocados os corpos rotativos como elementos intercalados (elementos intermediários). Um dos anéis permanece
fixo (ajustado na caixa) e o outro gira. Em geral, o anel fixo é o que se encontra na caixa do mancal (anel exterior ou anel do mancal) e o anel móvel é o que está montado no eixo (anel interior ou anel do eixo), girando com ele. Em caso especial, pode se dar o inverso , O anel com a caixa do mancal gira, enquanto o anel do eixo permanece em repouso. Os corpos rotativos situados entre os anéis giram em torno do eixo, pela ação do anel giratório, apoiandose sobre a via de rolamento. A peça distanciadora que leva os corpos rotativos chama-se
separador. 2.5.2 – Cargas Solicitantes nos Mancais de Rolamento
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De acordo com as reações surgidas nos eixos, os rolamentos estarão sujeitos a dois tipos de cargas, ou a combinação das mesmas:
Carga Radial: Aquela cuja linha de aplicação é dirigida ao centro do mancal, na linha do raio. Carga Axial: Aquela cuja linha de aplicação é dirigida paralelamente ao eixo. Para cada uma destas cargas ou a combinação destas, existem Mancais de Rolamento específicos, cuja construção possibilita o apoio das mesmas. Em função disto, é muito importante a correta especificação do tipo de Mancal de Rolamento a ser usado, para cada situação de carga apresentada, sob pena de diminuição drástica da “vida” deste rolamento ou até mesmo, impossibilidade do funcionamento do conjunto mecânico.
2.5.3 – Tipos de Elementos Rolantes Os tipos básicos de Elementos Rolantes são as Esferas – Fig. 1 e os Rolos – Fig. 2 a 5, montados solitários ou em duplas. Os rolos assumem variações de formatos, sendo então classificados em Barriletes (rolos esféricos) - Fig. 2; Cilíndricos - Fig. 3; Cônicos - Fig. 4 e
Agulhas – Fig. 5.
1 - Esfera
2 - Barrilete
4 – Agulha
3 - Cilíndrico
5 - Cônico
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2.5.4 – Tipos de Mancais de Rolamento Os mancais de rolamentos podem ser classificados de um modo mais amplo como Mancais de Esferas (com elementos rolantes esféricos) ou Mancais de Rolos (com elementos rolantes cilíndricos). Dentro de cada uma destas categorias, existe uma ampla variedade de configurações geométricas comercialmente disponíveis. Os Mancais de Rolamento são padronizados universalmente. A nomenclatura típica na figura de um rolamento de esferas mostrada na página 31, é amplamente utilizada para ambos os tipos de mancais. As exceções a este tipo de nomenclatura se dão com os rolamentos axiais de esferas ou roletes, cujas configurações típicas não são consistentes com aquela figura, e os rolamentos de agulhas que em determinadas situações são utilizados diretamente sobre o eixo tratado termicamente, dispensando o anel interno.
Esferas 2.5.4.1 – Rolamento Rígido de uma Carreira de Esferas É chamado de rígido porque não permite mobilidade angular, ou seja, um anel não pode se movimentar em relação ao outro (não pode ser desmontado, separando os anéis). Assim sendo, deve ser usado onde exista coaxilidade entre os mancais, ou seja, é necessário um rígido alinhamento entre os mesmos. Utilizado normalmente em caixas de redução de máquinas ou em outras aplicações em que a rotação seja elevada. Suporta carga radial de intensidade média e carga axial leve, porém é caracterizado por ser um rolamento radial. Devido à sua versatilidade e custo reduzido, são amplamente utilizados.
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Rolamentos com Proteção Os rolamentos rígidos de uma carreira de esferas são também fabricados com placas de
proteção (sem contato) ou placas de vedação (com contato) em um ou ambos os lados. As placas de proteção, feitas de aço, mantêm uma pequena fresta radial com o anel interno, enquanto que as placas de vedação, feitas de borracha sintética resistente ao desgaste e ao óleo, deslizam num rebaixo existente no anel interno. Os rolamentos com duas placas de proteção ou vedação são fornecidos lubrificados com a quantidade correta de graxa à base de lítio, não necessitando de relubrificação. Estes rolamentos não podem ser lavados, nem aquecidos no momento da montagem
Sufixos Com placas de proteção: placa em um dos lados: sufixo Z placa nos dois lados: sufixo ZZ ou 2Z Com placa de vedação: placa em um dos lados: sufixo RS placa nos dois lados: sufixo 2RS Exemplo: Rolamento 6011 Z Rolamento 6011 ZZ Rolamento 6011 2RS Os Rolamentos Rígidos de Esferas são oferecidos também com dupla carreira de esferas, para aplicações onde a capacidade de carga de um rolamento de uma carreira seja insuficiente.
2.5.4.2 – Rolamento Autocompensador de Esferas É chamado de autocompensador porque permite mobilidade angular. No anel interno apresenta dois canais de rolamento e a superfície interna do anel externo é arredondada (esférica). Devido a isto, as esferas e o anel interno podem se deslocar do centro em relação ao anel externo. As esferas tomam, automaticamente, uma trajetória de rolamento no anel externo, de modo a compensar qualquer desalinhamento entre o eixo/árvore e o centro da caixa do mancal. Esses rolamentos são, portanto, de alinhamento automático. É um típico rolamento radial, porém suporta alguma carga axial, permitindo um desvio angular em torno de 2,5º, corrigindo os defeitos do eixo/árvore, ou a sua própria deflexão, originada pelo trabalho. 35
O furo destes rolamentos pode ser cilíndrico ou cônico. Quando possuir conicidade, o mesmo poderá ser montado diretamente sobre o eixo/árvore após a confecção de um assento cônico específico, acompanhado de rosca e uma porca para limitar a sua movimentação axial. A outra possibilidade de montagem é através da utilização de uma Bucha de Fixação padronizada, encontrada no comércio, cuja finalidade é a de ancorar o rolamento sobre um eixo/árvore cilíndrico, com extrema rigidez. No caso dos Rolamentos Autocompensadores com furo cônico, o sufixo do mesmo é “K” e a respectiva bucha terá um prefixo “H”. Exemplo: Rolamento 1215 K + Bucha H – 215 ou H - 315, ou ainda H - 2315 Rolamento 2316 K + Bucha H - 2316
Bucha de Fixação Constituída por três elementos que são: Porca de Fixação, Anel de Trava ou “Aranha”, e a Bucha propriamente dita, que é o corpo central do conjunto.
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2.5.4.3 – Rolamento de Esferas de Contato Angular Possui um batente unilateral no anel externo e, assim, montado aos pares, suporta cargas radiais e axiais sendo classificado como um rolamento que suporta cargas combinadas. Exemplo: Rolamento 7215 B
A primeira figura mostrada abaixo apresenta a disposição em “X” de ação bilateral no anel interno, ou seja, que apóia nos dois sentidos. Na segunda figura, a disposição “O” de ação bilateral no anel externo que apóia nos dois sentidos.
2.5.4.4 – Rolamento Axial de Esferas São indicados para cargas axiais em um único sentido (escora simples), ou em sentido duplo, podendo ainda ser montado o de escora simples, aos pares, quando houver cargas axiais nos dois sentidos. Esse tipo de rolamento é desmontável e não aceita, em hipótese nenhuma, cargas radiais e desalinhamentos. É constituído por um
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porta-esferas central e dois discos opostos, sendo desmontável, razão pela qual os discos são montados separadamente, facilitando os ajustes. Podem ser equipados com uma Contra-placa esférica cuja função é a de compensar, até certo ponto, algum desalinhamento, fazendo com que todo o rolamento se posicione favorável à manutenção da sua ortogonalidade em relação ao eixo/árvore.
Rolos 2.5.4.5 – Rolamento de Rolos Cilíndricos É apropriado para cargas radiais elevadas, não suportando cargas axiais e muito menos desalinhamentos. Os rolos são guiados por rebordos (flanges) em um dos anéis, sendo que o outro anel geralmente não tem rebordo. Esse detalhe permite que o eixo/árvore se desloque axialmente em relação à caixa dentro de certos limites, em caso de dilatação térmica, mesmo que não exista folga na tampa de encosto. Algumas séries destes rolamentos (NUP, NJ, HJ) admitem cargas axiais e radiais, porque possuem rebordos nos dois anéis, sendo estes rolamentos tolerantes a cargas combinadas. As demais séries desse tipo de rolamento aceitam somente cargas radiais e nenhum desalinhamento. De um modo geral os Rolamentos de Rolos Cilíndricos são empregados onde haja elevadas cargas radiais e possibilidade de choques (sobrecargas), sendo classificados como rolamentos radiais.
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2.5.4.6 – Rolamento de Rolos Cônicos Os rolos cônicos são dispostos obliquamente, e, portanto, também a superfície de rolamento dos anéis externo e interno. Resulta que este rolamento torna-se especialmente apropriado para receber ao mesmo tempo cargas radiais e axiais elevadas. Os anéis destes rolamentos são separáveis e podem ser montados separadamente. Como admitem cargas axiais somente em um sentido, deverão ser montados aos pares, um contra o outro no caso de reversão da incidência de cargas axiais. Esses rolamentos não suportam desalinhamentos do eixo/árvore.
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2.5.4.7 – Rolamento de Agulhas Possui uma seção transversal muito fina em comparação com os rolamentos de rolos comuns, daí o nome dos corpos rolantes fazendo analogia com o formato de uma agulha. Dessa forma, várias agulhas são colocadas na superfície rolante, contribuindo para suportar cargas radiais, mas nenhuma carga axial. São ideais para aplicações em situações com pouco espaço radial, pois o seu diâmetro é pequeno em função do pequeno espaço radial exigido pelas agulhas. São indicados para grandes cargas radiais, admitindo também cargas bruscas em baixa rotação.
2.5.4.8 – Rolamento Autocompensador de Roletes Empregam os elementos rolantes em forma de barriletes, tendo as mesmas características que os Autocompensadores de Esferas, diferenciando-se, porém na capacidade de carga radial que é bem maior.
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2.5.5 – Materiais Empregados nos Rolamentos Para os elementos rolantes e as pistas, emprega-se, normalmente, um aço temperado especial para rolamentos ( 0,9 a 1,2 % C, 0,4 a 1,8 % Cr, eventualmente ainda, 0,2 a 0,4 % Mn). As gaiolas ou separador, são, em geral, de chapas de aço, bronze ou materiais sintéticos como a Poliamida. Para aplicação na indústria química, fabricam-se também rolamentos de material cerâmico. Quanto ao acabamento, as superfícies externas são retificadas, sendo que os elementos rolantes e as pistas recebem um acabamento mais fino através de polimentos.
2.5.6 – Modos Prováveis de Falhas Os Mancais de Rolamento podem ser vulneráveis a falha por quaisquer dos diversos modos possíveis, dependendo das cargas de operação e velocidades especificadas. Sob condições típicas de operação, a falha por fadiga superficial é o modo mais provável de falha. As tensões cíclicas cisalhantes subsuperficiais Hertzianas produzidas pelas superfícies curvas em contato rolante, podem iniciar e propagar diminutas trincas que acabam por desalojar partículas, causando pittings superficiais (diminutas crateras superficiais). Os pittings surgem inicialmente nas pistas gerando ruído, vibração e calor que se intensificam progressivamente. Caso os mancais ruins não forem substituídos, as pistas podem fraturar, os mancais podem emperrar, e sérios danos a outros elementos de máquinas podem ocorrer. Outra falha que pode ocorrer são as indentações (marcações) nas pistas, que ocorrem quando forças estáticas entre duas superfícies curvas em contato resultam em escoamento de um ou ambos os componentes acoplados, produzindo uma descontinuidade superficial permanente e de tamanho significativo. Quando os elementos rolantes passam sobre estas descontinuidades, geram vibração e calor, aumentando gradualmente a falha. Quando da seleção de mancais, o projetista deverá examinar a capacidade do mancal em resistir à falha por fadiga de superfície (capacidade de carga dinâmica básica), e a capacidade do mancal em resistir à falha por indentação (capacidade de carga estática
básica), o que dependerá de detalhes específicos do ciclo de trabalho. Os fabricantes de mancais de rolamento fornecem dados de limite de carga em fadiga, sendo este definido como a carga no mancal abaixo da qual a falha por fadiga não irá ocorrer
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para aquele mancal em particular, assumindo a ausência de contaminação e lubrificação ideal entre os elementos rolantes e as pistas. Finalmente, as vibrações excessivas causadas por elementos montados em situações excêntricas sobre árvores girantes, podem induzir fadiga e quebras prematuras, bem como a montagem defeituosa com a aplicação de batidas diretamente nos rolamento que também se constituem em fatores de risco. Obs: As informações referentes aos cuidados na manutenção de rolamentos, no que diz respeito à montagem e desmontagem, inspeção, instruções de lubrificação,ferramentas e avarias apresentadas bem como suas causa, são abordadas na disciplina de Manutenção Industrial.
2.5.7 – Atrito nos Mancais de Rolamento Atrito de rolamento, que consta, principalmente, de um atrito interno (amortecimento do material), que é a energia perdida na deformação elástica dos corpos rolantes;
Atrito de deslizamento dos corpos rolantes com as gaiolas e as bordas; Trabalho de deslocamento na movimentação do lubrificante; Atrito de deslizamento nas vedações adicionais; Resistência devido a corpos estranhos (poeira). 2.5.8 – Lubrificação O principal propósito da lubrificação nos rolamentos é separar as superfícies carregadas do rolamento durante a operação, pela manutenção de um filme de lubrificação entre as partes móveis. Se o filme romper por alguma razão, atrito de escorregamento considerável será gerado, o qual, muito rapidamente levará ao superaquecimento, riscagem e trincagem. Os lubrificantes atuam também na dissipação do calor gerado pelo funcionamento do rolamento. Os propósitos da lubrificação dos rolamentos podem ser resumidos em:
Para prover um filme lubrificante entre as faces deslizantes e rolantes; Para assegurar a distribuição e dissipação do calor; Para impedir a entrada de sujeiras ;
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Devido à facilidade de vedação contra poeira e a manutenção mais simples, prefere-se a lubrificação a graxa, principalmente em máquinas pequenas. A lubrificação a óleo é aconselhável nos casos em que outros elementos também se lubrificam com óleo, como por exemplo, os mancais de caixas de redutores, além disso, em temperaturas de funcionamento acima de 70 ° C,e em rotações muito altas. O lubrificante não pode provocar ferrugem, conter partículas abrasivas ou atacar quimicamente os corpos rolantes, ausência de acidez e, de preferência, deve ser o mais resistente possível ao envelhecimento. A vedação, no mancal, deve ser eficiente para impedir a fuga do lubrificante e, por outro lado, proteger o rolamento contra a penetração de poeira e água.
2.5.9 – Fixação do Rolamento Procedimentos construtivos para fixação axial de rolamentos sobre eixos/árvores.
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