Condições operacionais
Vida útil
A vida útil calculada de um rolamento é baseada na carga que ele suporta e na sua velocidade de operação, e é inversamente proporcional à carga do rolamento ao cubo. A carga nominal máxima de um rolamento é para uma vida útil de 1 milhão de rotações, que a 50 Hz (ou seja, 3.000 RPM) representa uma vida útil de 5,5 horas de trabalho. 90% desses rolamentos têm pelo menos essa vida útil e 50% dos rolamentos têm pelo menos 5 vezes essa vida.[8].
O cálculo da vida padrão da indústria baseia-se no trabalho de Lundberg e Palmgren realizado em 1947. A fórmula assume que a vida é limitada pela fadiga do metal e que o seu valor se enquadra numa distribuição de Weibull. Existem muitas variações da fórmula que incluem fatores que levam em conta as propriedades do material, lubrificação e carga. O factoring de carga pode ser visto como uma admissão tácita de que os materiais modernos demonstram uma relação entre carga e vida útil diferente daquela determinada por Lundberg e Palmgren.[8].
Modos de falha
Se um rolamento não girar, a carga máxima é determinada pela força que causa a deformação plástica dos elementos ou das ranhuras de rolamento. As trincas causadas pelos elementos podem concentrar tensões e gerar trincas nos componentes. A carga máxima para rolamentos que não giram ou giram muito lentamente é chamada de carga máxima "estática".[8].
Além disso, se um rolamento não estiver girando, as forças oscilantes no rolamento podem causar danos por impacto nas ranhuras do rolamento ou nos elementos rolantes, conhecidos como puncionamento. Uma segunda forma menor chamada falsa punção ocorre se o rolamento girar apenas em um arco curto e projetar o lubrificante para longe dos corpos rolantes.
Para um rolamento rotativo, a capacidade de carga dinâmica indica a carga na qual o rolamento é capaz de suportar 1.000.000 de ciclos.
Se um rolamento estiver girando, mas sofrer uma carga pesada que dure menos de uma revolução, a carga estática máxima deverá ser usada nos cálculos, uma vez que o rolamento não gira durante a carga máxima.[8].
Se o torque lateral for aplicado a um rolamento radial profundo, os elementos rolantes aplicam uma força desigual em forma de elipse no anel externo, concentrando-se em duas regiões em lados opostos do anel externo. Se o anel externo não for suficientemente forte, ou se não for suficientemente reforçado pela estrutura de suporte, adquirirá uma forma oval devido ao torque lateral, até que a folga seja grande o suficiente para que os corpos rolantes escapem. O anel interno então desliza para fora da posição e o rolamento colapsa estruturalmente.
Um torque lateral em um rolamento radial também aplica pressão à gaiola que mantém os corpos rolantes em distâncias iguais, porque os corpos rolantes tentam deslizar juntos no local de maior torque lateral. Se a gaiola entrar em colapso ou quebrar, os corpos rolantes se aglomeram, o anel interno perde suporte e pode sair do centro.
Carga máxima
Em geral, a carga máxima em um rolamento de esferas é proporcional ao diâmetro externo do rolamento multiplicado pela largura do rolamento (onde a largura é medida na direção do eixo).[8].
Os rolamentos possuem classificações de carga estática, que se baseiam em não exceder uma certa quantidade de deformação plástica na ranhura de rolamento. Essas classificações podem ser consideravelmente excedidas para determinadas aplicações.
Lubrificação
Para que um rolamento funcione corretamente, ele deve ser lubrificado. Na maioria dos casos o lubrificante é baseado no efeito elastohidrodinâmico (devido ao óleo ou graxa), mas para trabalhar em temperaturas extremas, também estão disponíveis rolamentos lubrificados a seco.
Para que um rolamento atinja sua vida útil em sua carga nominal máxima, ele deve ser lubrificado com um lubrificante (óleo ou graxa) que tenha pelo menos a viscosidade dinâmica mínima (geralmente indicada pela letra grega) recomendada para esse rolamento.[8].
A viscosidade dinâmica recomendada é inversamente proporcional ao diâmetro do rolamento.[8].
A viscosidade dinâmica recomendada diminui com a frequência de rotação. Como uma indicação aproximada: para menos de , a viscosidade recomendada aumenta por um fator de 6 para uma diminuição de velocidade de um fator de 10, e para mais de , a viscosidade recomendada diminui por um fator de 3 para um aumento de velocidade de um fator de 10.[8].
Para um rolamento onde a média do diâmetro externo do rolamento e do diâmetro do furo do eixo é , e que gira a , a viscosidade dinâmica recomendada é .[8].
Deve-se levar em conta que a viscosidade dinâmica do óleo varia muito com a temperatura: um aumento na temperatura faz com que a viscosidade diminua por um fator de 10.[8].
Se a viscosidade do lubrificante for superior à recomendada, a vida útil do rolamento aumenta, aproximadamente proporcional à raiz quadrada da viscosidade. Se a viscosidade do lubrificante for inferior à recomendada, a vida útil do rolamento diminui e a quantidade depende do tipo de óleo utilizado. Para óleos com aditivos EP ('extrema pressão'), a vida útil é proporcional à raiz quadrada da viscosidade dinâmica, como é o caso de uma viscosidade muito elevada, enquanto para óleos comuns a vida útil é proporcional ao quadrado da viscosidade se for utilizada uma viscosidade inferior à recomendada.[8].
A lubrificação pode ser feita com graxa, o que tem a vantagem de que a graxa normalmente fica dentro do rolamento e libera o óleo lubrificante à medida que as esferas o comprimem. Ele fornece uma barreira de proteção ambiental para o metal do rolamento, mas tem a desvantagem de que essa graxa deve ser substituída periodicamente e a carga máxima do rolamento diminui (porque se o rolamento ficar muito quente, a graxa derrete e sai do rolamento). O tempo entre as trocas de graxa diminui muito com o diâmetro do rolamento: para um rolamento, a graxa deve ser substituída a cada 5.000 horas de trabalho, enquanto para um rolamento de rolamento ela deve ser substituída a cada 500 horas de trabalho.[8].
A lubrificação também pode ser feita com óleo, que tem a vantagem de uma carga máxima maior, mas precisa de alguma forma de manter o óleo no rolamento, pois geralmente tende a acabar. Para lubrificação com óleo, é recomendado que para aplicações onde o óleo não seja aquecido acima de , o óleo seja trocado uma vez por ano, enquanto para aplicações onde o óleo não seja aquecido acima, o óleo seja trocado 4 vezes por ano. Para motores de automóveis, o óleo excede , mas o motor possui filtro de óleo para manter a qualidade do lubrificante; portanto, geralmente é trocado com menos frequência do que o óleo de rolamento.[8].
Direção de carga
A maioria dos rolamentos é projetada para suportar cargas perpendiculares ao eixo ("cargas radiais"). Se eles também podem suportar cargas axiais e, em caso afirmativo, quanto, depende do tipo de rolamento. Os rolamentos axiais (comumente encontrados em mesas rotativas) são projetados especificamente para suportar cargas axiais.[8].
Para rolamentos rígidos de esferas de uma carreira, a documentação da SKF indica que a carga axial máxima é aproximadamente 50% da carga radial máxima, mas também observa que rolamentos "leves" e/ou "pequenos" podem suportar cargas axiais que são 25% da carga radial máxima.[8].
Para rolamentos de esferas de contato de borda de uma carreira, a carga axial pode ser cerca de 2 vezes a carga radial máxima, e para rolamentos cônicos, a carga axial máxima está entre 1 e 2 vezes a carga radial máxima.[8].
Os rolamentos de esferas do tipo Conrad geralmente apresentam achatamento de contato elipsoidal sob cargas axiais. Isso significa que o diâmetro interno do anel externo é grande o suficiente ou o diâmetro externo do anel interno é pequeno o suficiente para reduzir a área de contato entre as esferas e a ranhura de laminação. Quando este for o caso, as tensões no rolamento podem aumentar significativamente, muitas vezes invalidando as regras gerais relativas às relações entre a capacidade de carga radial e axial. Com projetos de construção diferentes do tipo Conrad, o diâmetro interno do anel externo pode ser ainda mais reduzido e o diâmetro externo do anel interno aumentado para limitar este efeito.
Se houver cargas axiais e radiais, elas podem ser adicionadas vetorialmente, para resultar na carga total no rolamento, que em combinação com a carga máxima nominal pode ser usada para prever sua vida útil.[8] No entanto, para prever corretamente a vida útil nominal dos rolamentos de esferas, a ISO/TS 16281 deve ser usada com a ajuda de um software de cálculo.
Evite cargas axiais indesejadas
A parte de um rolamento que gira (seja o furo do eixo ou a circunferência externa) deve ser fixa, enquanto para uma peça não rotativa isso não é necessário (para que possa deslizar). Se um rolamento for carregado axialmente, ambos os lados deverão ser fixados.[8].
Se um eixo possui dois mancais e a temperatura varia, o eixo se contrai ou se expande e, portanto, não é permitido que ambos os mancais sejam fixados em ambos os lados, pois a expansão do eixo exerceria forças axiais que danificariam os mancais. Portanto, pelo menos um dos rolamentos deve poder deslizar.[8].
Um "ajuste de deslizamento livre" é aquele em que há pelo menos uma folga de 4 µm, presumivelmente porque a rugosidade de uma superfície usinada em um torno está normalmente entre 1,6 e 3,2 µm.[8].
Ajuste
Os rolamentos podem suportar sua carga máxima somente se as peças correspondentes forem dimensionadas adequadamente. Os fabricantes de rolamentos fornecem tolerâncias para montagem do eixo e da caixa para que isso possa ser alcançado. O tipo de material e sua dureza também podem ser especificados.[8].
As conexões antiderrapantes são fabricadas com diâmetros que evitam o deslizamento e, conseqüentemente, as superfícies de contato não podem ser movidas para a posição sem aplicação de força. Para rolamentos pequenos, isso é melhor feito com uma prensa porque bater com um martelo danifica tanto o rolamento quanto o eixo, enquanto para rolamentos grandes as forças necessárias são tão grandes que não há alternativa a não ser aquecer uma peça antes da montagem, portanto a expansão térmica permite que um ajuste deslizante seja realizado.[8].
Evite cargas torcionais
Se um eixo for sustentado por dois rolamentos e as linhas centrais de rotação desses rolamentos não forem iguais, grandes forças serão exercidas sobre ambos, o que pode destruí-los. Se e quanto um pequeno desalinhamento é aceitável depende do tipo de rolamento. Para rolamentos feitos especificamente para serem 'autocompensadores', o desalinhamento aceitável está entre 1,5 e 3 graus de arco. Os rolamentos que não são projetados para serem autocompensadores podem aceitar um desalinhamento de apenas 2 a 10 minutos de arco (0,033-0,166 graus).[8].