CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
ESTUDO DE METODOLOGIAS DE MONTAGEM DE ROLAMENTOS EM
EIXOS
CURITIBA
2007
ALBERTO CASTANHEIRA SANTOS
JEFFERSON MARQUES
LEANDRO EVER DA COSTA TERRA
ESTUDO DE METODOLOGIAS DE MONTAGEM DE ROLAMENTOS EM
EIXOS
Monografia apresentada para obtenção do
título de Engenheiro Mecânico, no curso de
Graduação de Engenharia Mecânica do Centro
Universitário Positivo.
Orientador: Prof. Mariano Pacholok
CURITIBA
2007
DEDICATÓRIA
Dedicamos não somente este trabalho, mas tudo que ele representa
principalmente nosso esforço durante a vida acadêmica, primeiramente a nossos
pais, exemplos de perseverança e apoio, alicerces de nossa formação pessoal, mão
forte que não nos impede de cair, mas está sempre presente quando precisamos de
ajuda para levantar.
Dedicamos também a nossas namoradas e noivas, com as quais
aprendemos que por muitas vezes um sorriso, um agradecimento ou um elogio pode
fazer grande diferença ao final de uma jornada.
ii
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus e sua legião de anjos que um dia
passaram por nossas vidas, às vezes como uma palavra por um breve momento, às
vezes como uma mão estendida no momento em que mais precisávamos.
Agradecemos a nossos amigos, dos santos aos loucos, dos que souberam
quando precisávamos de silêncio para nos dedicar a alguma causa aos que
souberam quando o que mais queríamos era desabafar.
Agradecemos também a todos os nossos familiares, pessoas que de forma
modesta e quase imperceptível nos apoiaram com palavras, esperança e
compreensão.
Agradecemos também aos professores, que no cumprimento de suas
funções, são fonte de conhecimento e orientação e nos dão o apoio necessário para
desenvolvermos nossa base profissional.
iii
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA............................................................................................................ii
AGRADECIMENTOS ................................................................................................. iii
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................vi
LISTA DE TABELAS ................................................................................................ vii
RESUMO.................................................................................................................. viii
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 1
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL ....................................................................................... 1
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 1
1.3 ESCOPO ............................................................................................................. 2
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................ 3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 4
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................. 7
3.1 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS ROLAMENTOS ......................................... 7
3.1.1 Materiais e Lubrificantes ................................................................................... 8
3.1.1.1 Materiais para Anéis e Elementos Rolantes ................................................ 10
3.1.1.2 Materiais para Separadores ........................................................................ 12
3.1.1.3 Lubrificantes de Rolamentos ........................................................................ 15
3.1.2 Tipos de Rolamentos...................................................................................... 16
3.1.2.1 Rolamentos Fixos de Esferas ...................................................................... 16
3.1.2.2 Rolamentos de Contato Angular de Esferas................................................ 17
3.1.2.3 Rolamentos Autocompensadores de Esferas.............................................. 17
3.1.2.4 Rolamentos de Rolos Cilíndricos................................................................. 17
3.1.2.5 Rolamentos Autocompensadores de Rolos................................................. 18
3.2 MONTAGEM ..................................................................................................... 18
3.2.1 Uniões ............................................................................................................ 19
3.2.1.1 União entre Pista Interna e Eixo .................................................................. 20
3.2.1.2 União entre Pista Externa e Alojamento ...................................................... 22
3.2.1.3 Tolerâncias e Ajustes de Montagem............................................................ 22
3.2.1.4 Aquecimento e Dilatação Térmica ............................................................... 27
3.2.2 Métodos de Montagem ................................................................................... 30
3.2.2.1 Montagem a Frio por Impacto...................................................................... 31
3.2.2.2 Montagem a Frio por Prensagem ................................................................ 31
iv
3.2.2.3 Montagem a Quente por Banho de Óleo ..................................................... 33
3.2.2.4 Montagem a Quente por Indução ................................................................ 34
3.2.2.5 Montagem a Quente por Condução/Convecção.......................................... 35
4 ESTUDO DE MONTAGEM DE ROLAMENTOS EM EIXOS................................ 36
4.1 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS ................................................. 37
4.2 EXECUÇÃO DO EXPERIMENTO ...................................................................... 41
4.2.1 A Frio por Impacto ........................................................................................... 43
4.2.2 A Frio por Prensagem..................................................................................... 44
4.2.3 A Quente por Indução..................................................................................... 45
4.2.4 A Quente por Condução ................................................................................. 47
4.2.4 A Quente por Convecção ............................................................................... 48
5 RESULTADOS ..................................................................................................... 50
5.1 MONTAGEM A FRIO POR IMPACTO............................................................... 50
5.2 MONTAGEM A FRIO POR PRENSAGEM ........................................................ 50
5.3 MONTAGEM A QUENTE POR INDUÇÃO ........................................................ 51
5.4 MONTAGEM A QUENTE POR CONDUÇÃO E CONVECÇÃO ........................ 54
5.5 COMPARATIVO DOS RESULTADOS OBTIDOS ............................................. 54
5.6 CONSIDERAÇÕES ........................................................................................... 54
6 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 55
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 59
DOCUMENTOS CONSULTADOS ........................................................................... 61
ANEXO 1 - AJUSTE PARA EIXOS COM ROLAMENTOS RADIAIS ...................... 62
ANEXO 2 - TOLERÂNCIA PARA EIXOS ................................................................ 63
ANEXO 3 - DESENHO DOS EIXOS ........................................................................ 64
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - ROLAMENTO FIXO DE ESFERAS ........................................................................................ 7
Figura 2 - CLASSIFICAÇÃO DOS ROLAMENTOS ................................................................................ 8
Figura 3 - CURVA TTT AÇO 52100 ...................................................................................................... 11
Figura 4 - CURVA TTT DE TÊMPERA.................................................................................................. 12
Figura 5 - DIAGRAMA DE FASE DO BRONZE .................................................................................... 15
Figura 6 - ROLAMENTOS SEPÁRAVEIS ............................................................................................. 18
Figura 7 - MANCAL DE ROLAMENTO ................................................................................................. 19
Figura 8 - FORÇAS DE CONTATO....................................................................................................... 21
Figura 9 - AJUSTE INTERFERENTE E DESLIZANTE ......................................................................... 23
Figura 10 – CARGA EM ROLAMENTOS .............................................................................................. 24
Figura 11 - SELEÇÃO DE AJUSTES .................................................................................................... 25
Figura 12 - MÉTODOS DE MONTAGEM.............................................................................................. 30
Figura 13 - MONTAGEM A FRIO POR IMPACTO................................................................................ 31
Figura 14 - PRENSA HIDRÁULICA....................................................................................................... 32
Figura 15 - MONTAGEM POR PRENSAGEM ...................................................................................... 32
Figura 16 - DIFERENCIAL DE TEMPERATURA REQUERIDA............................................................ 33
Figura 17 - AQUECEDOR INDUTIVO................................................................................................... 34
Figura 18 - PLACA DE AQUECIMENTO............................................................................................... 35
Figura 19 - ESTUFA .............................................................................................................................. 35
Figura 20 - MONTAGEM POR IMPACTO............................................................................................. 44
Figura 21 - MONTAGEM POR PRENSAGEM ...................................................................................... 45
Figura 22 – POSICIONAMENTO DOS SENSORES ............................................................................ 46
Figura 23 - APLICATIVO LABVIEW ...................................................................................................... 46
Figura 24 - MONTAGEM POR INDUÇÃO............................................................................................. 47
Figura 25 - MONTAGEM POR CONVECÇÃO ...................................................................................... 49
Figura 26 - DEFORMAÇÃO NO EIXO .................................................................................................. 50
Figura 27 – RISCOS NO EIXO.............................................................................................................. 51
Figura 28 - TEMPERATURA X TEMPO PARA ROLAMENTO COM SEPARADOR EM AÇO ............ 52
Figura 29 - TEMPERATURA X TEMPO PARA ROLAMENTO COM SEPARADOR EM POLIAMIDA. 53
Figura 30 - TEMPERATURA X TEMPO PARA ROLAMENTO COM SEPARADOR EM BRONZE ..... 53
Figura 31 - CURVA TTT AÇO 52100 .................................................................................................... 57
Figura 32 - DIAGRAMA DE FASE DO BRONZE .................................................................................. 57
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - COMPOSIÇÃO AÇO SAE 52100......................................................................................... 11
Tabela 2 - RESISTIVIDADE DOS MATERIAIS..................................................................................... 29
Tabela 3 - ESPECIFICAÇÃO DOS ROLAMENTOS E EIXOS TESTADOS ......................................... 37
Tabela 4 - ESPECIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS ......................................................................... 38
Tabela 5 - ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS AUXILIARES ............................................... 39
Tabela 6 - PLANO DE TESTES ............................................................................................................ 41
Tabela 7 - RESULTADOS OBTIDOS.................................................................................................... 54
vii
RESUMO
Os rolamentos são um dos mais importantes e mais utilizados elementos de
máquinas para ligação entre componentes com movimentos relativos de rotação. Os
mesmos estão presentes nos mais diversos tipos de aplicação, rotação, tamanho e
ambiente. A sua falha, em geral, leva a parada do equipamento trazendo enormes
prejuízos. Este trabalho sugere uma avaliação qualitativa e quantitativa dos métodos
de montagem de rolamentos em eixos aplicados nas indústrias, principalmente no
âmbito da manutenção industrial, estabelecendo-se assim as vantagens e
desvantagens de cada método, já que a aplicação incorreta destes métodos
representa uma parcela significativa nas causas de falhas prematuras em
rolamentos. Inicia com uma breve passagem por conceitos já difundidos em
literaturas sobre os problemas mais comuns em rolamentos, as formas de se tratar
tais problemas e também indica tecnologias para análises de falhas em rolamentos.
Segue-se ressaltando os aspectos necessários ao entendimento da concepção e
características construtivas dos rolamentos, tipos e características de uniões entre
os elementos de máquinas e também os métodos de montagens de rolamentos em
eixos. Argumentam-se também os passos e a metodologia que foram seguidos
durante o desenvolvimento do trabalho bem como a explanação dos ensaios
práticos realizados para cada método de montagem. Demonstra-se a explanação
dos resultados obtidos para cada ensaio realizado através dos dados e registros
coletados. Conclui-se que cada método de montagem de rolamentos em eixos
possui vantagens e desvantagens se considerando a aplicação onde o rolamento
deverá ser utilizado, o tipo, dimensões e as características construtivas dos
rolamentos. Observou-se uma grande limitação para os métodos de montagem a frio
com rolamentos com diâmetro interno acima de um determinado valor já que este
método tende a danificar o eixo pelo atrito gerado entre as partes durante a
montagem. Observou-se também que os métodos a quente são indicados para a
maioria das aplicações e tipos de rolamentos, pois não comprometem os materiais
das partes dos rolamentos e fornecem uma ótima condição de montagem, já que a
dilatação resultante do aquecimento impede o atrito. O único impedimento que
deverá ser observado durante a realização de uma montagem a quente está
relacionado com a alteração das características do lubrificante original.
viii
1 INTRODUÇÃO
Sempre que existe rotação de eixos, há a necessidade de alguma forma de
mancal, podendo ser de rolamento, deslizamento, entre outros. A função de um
mancal de rolamento é minimizar o atrito entre as peças móveis da máquina e
suportar uma carga. A maioria dos rolamentos atualmente consiste em um anel
interno, um anel externo, vários elementos rolantes, como esferas, rolos ou agulhas,
e um separador.
A grande maioria dos equipamentos dinâmicos em operação na indústria é
fornecida com rolamentos, sendo estes responsáveis por perdas anuais de milhões
de reais com lucro cessante e gastos de manutenção, devido à falhas prematuras.
Os principais fatores que contribuem para estas falhas prematuras estão
relacionados a erros de especificação do rolamento, deficiências de lubrificação e
contaminações com sujeira ou partículas estranhas, transporte e armazenamento
impróprios, presença de umidade no lubrificante e montagem imprópria.
Poucos estudos têm sido realizados focando métodos de montagens de
rolamentos, os mais conhecidos e utilizados são: a frio e a quente. Cada método
apresenta características específicas e podem ser aplicados para diversas
necessidades de montagem de rolamentos, porém é importante ressaltar que
dependendo da aplicação e dos procedimentos seguidos, a montagem pode levar a
uma redução significativa da vida útil do rolamento, resultando em falhas prematuras
e inesperadas.
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL
Este trabalho tem como objetivo principal estabelecer as vantagens e
desvantagens dos métodos de montagem de rolamentos em eixos através do estudo
do aspecto econômico e no impacto na vida útil do rolamento.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para alcançar o objetivo principal proposto se faz necessário subdividi-lo em
objetivos específicos, sendo eles:
2
a) Estudar as características construtivas dos rolamentos considerando
tolerâncias
dimensionais
e
geométricas,
folgas,
materiais
e
lubrificantes originais de fábrica;
b) Estudar os métodos de montagem de rolamentos conforme escopo;
c) Identificar os agentes que reduzem a vida útil dos rolamentos;
d) Analisar experimentalmente o comportamento dos componentes dos
rolamentos quando submetidos a aquecimento.
1.3 ESCOPO
Como se trata de um tema muito extenso no que diz respeito à quantidade
de métodos de montagem existentes e tipos de rolamentos existentes, se faz
necessário delimitar a abrangência deste trabalho através de um escopo
previamente definido, conforme segue:
Tipos de rolamentos que serão estudados:
a) Rolamentos fixos de esferas;
b) Rolamentos de rolos cilíndricos;
c) Rolamentos autocompensadores de esferas;
d) Rolamentos autocompensadores de rolos;
e) Rolamentos de contato angular.
Tipos de rolamentos que não serão estudados:
a) Rolamentos de rolos cônicos;
b) Rolamentos de rolos toroidais;
c) Rolamentos de agulhas;
d) Rolamentos axiais.
Métodos de montagem que serão estudados:
a) Método de montagem a frio por impacto;
b) Método de montagem a frio por prensagem;
c) Método de montagem a quente por condução/convecção;
d) Método de montagem a quente por indução;
e) Método de montagem a quente por banho de óleo.
Métodos de montagem que não serão estudados:
3
a) Método de montagem a frio com injeção de óleo.
Métodos de desmontagem não serão estudados.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
O item 2 - “Revisão bibliográfica” traz uma descrição dos problemas mais
comuns
relacionados
com
montagens
de rolamentos
e suas
respectivas
conseqüências. Esse item também indica, através de pesquisas, quais as
metodologias atualmente utilizadas para o tratamento desses problemas e quais as
vantagens e desvantagens dos métodos utilizados.
O item 3 - “Fundamentação Teórica” fornece informações relevantes para a
realização deste trabalho, descrevendo detalhadamente os objetos de estudo
propostos de acordo com o escopo informado. Há informações sobre as
características construtivas de rolamentos, descrições dos métodos de montagem
atualmente aplicados e ferramentas de análise para verificação das conseqüências
diretas das aplicações sobre a vida útil dos rolamentos.
No item 4 – “Estudo dos Métodos de Montagem de Rolamentos em Eixos”
está reportado a evolução do estudo realizado, descrevendo-se os passos utilizados
durante tal estudo.
O item 5 – “Resultados” mostram quais foram os resultados obtidos com o
estudo dos métodos de montagem de rolamentos em eixos, levando-se em
consideração a aplicabilidade destes resultados a fim de minimizar, ou até mesmo
eliminar as falhas prematuras dos rolamentos.
O item 6 – “Conclusões” faz uma comparação dos resultados obtidos em
relação aos objetivos propostos. Relata também quais foram as dificuldades
encontradas durante o desenvolvimento do estudo, os pontos fortes e pontos fracos
do resultado. Sugere também uma continuidade de estudo para novas tecnologias
de montagens de rolamentos em eixos, como por exemplo, a montagem por injeção
de óleo.
4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
As publicações pesquisadas apresentam os mais variados estudos de
técnicas e métodos de montagem, manuseios e lubrificação de rolamentos,
abordando condições de ajustes, atritos, tolerâncias e entendendo suas vantagens e
desvantagens bem como análises de falhas e soluções corretivas.
Como rolamentos são considerados componentes de alta precisão, é
importante adotar medidas preventivas para que se evitem falhas prematuras devido
ao manuseio e
procedimentos
de manutenção, lubrificação e montagem
inadequados. Os rolamentos corretamente cuidados podem ser usados por um
longo período, em geral, até a vida de fadiga, contudo, há casos de ocorrências
inesperadamente rápidas que não permitem a utilização continuada. Estas
ocorrências prematuras em relação à vida de fadiga são os limites de uso,
naturalmente denominadas de quebras ou acidentes. Freqüentemente, as causas
das falhas são atribuídas à montagem inadequada, falta de cuidados quanto à
instalação, manuseio inadequado, utilização ou seleção errada do rolamento,
lubrificação incorreta, a penetração de partículas estranhas do exterior e a falta ao
não considerar a influência do calor no eixo e alojamento ou até mesmo o descuido
durante o projeto do eixo ou alojamento.
Se for conhecido o equipamento ou máquina onde o rolamento é usado, as
condições de trabalho, a configuração dos elementos de máquinas associados e se
a situação anterior e posterior ao da ocorrência estiver clara, o estado do rolamento
danificado pode ser inter-relacionado a várias causas que, ponderadas, possibilitará
a prevenção contra a reincidência de ocorrências semelhantes.
A seguir se encontra o resumo da bibliografia mais relevante do tema em
estudo.
CHIAVERINI, (1981) apresenta estudo sobre tipos de aços, enfatizando sua
classificação, propriedades mecânicas, resistência ao calor e seus elementos de liga
além de indicações para escolha do material adequado para cada tipo de aplicação.
SKF, (1990) catálogo técnico em que são apresentados os tipos de
rolamentos e sua utilização de acordo com a aplicação. São apresentadas também
normas técnicas para tolerâncias de rolamentos, equipamentos utilizados para a
5
montagem e desmontagem, precauções ao manuseio e armazenamento dos
rolamentos. São descritas técnicas de montagens sendo essas divididas em
mecânica, por aquecimento, hidráulica e sistema SKF para montagem com injeção
de óleo.
NIEMANN, (1995) descreve o fenômeno de atrito nos rolamentos em relação
ao eixo, citando os atritos internos, a deformação elástica, o atrito de deslizamento e
resistência ao desgaste. Direciona a escolha correta do rolamento de acordo com a
carga solicitada e relata a importância das deformações elásticas sobre a vida útil,
momento de atrito e aquecimento do mancal.
NSK, (1998) apresenta estudos detalhados sobre métodos adequados para
manuseio de rolamentos, técnicas de montagem, condições de ajustes e métodos
de lubrificação de acordo com a aplicação proposta e as condições de operação,
características, vantagens e desvantagens. Descreve os materiais mais utilizados na
confecção dos anéis, dos elementos rolantes e dos separadores.
NSK, (2001) aborda as diversas situações de falhas prematuras em
rolamentos, identificando as possíveis causas e propondo correções no manuseio,
instalação, lubrificação e manutenção dos rolamentos.
SKF, (2001) descreve passo-a-passo a montagem, desmontagem e
lubrificação com graxa de rolamentos de rolos toroidais, incluindo ferramentas e
dispositivos necessários à mesma.
MANFÉ, (2004) o volume dois faz um estudo aprofundado sobre tolerâncias
geométricas de forma, orientação, posição e oscilação salientando a importância do
dimensionamento correto de rolamentos para que se tenha vida útil longa e também
apresenta um estudo sobre conexões por atrito, salientando os tipos e necessidade
da utilização de apoios e obstáculos para uma conexão segura e completa.
O volume três estuda detalhadamente rolamentos, descrevendo os tipos
existentes, métodos de montagem, aplicação e materiais construtivos.
SKF, (2006) faz estudo da utilização de um modelo de atrito como
ferramenta de engenharia para armazenar energia e otimizar a desempenho de
rolamentos a fim de ajudar engenheiros na escolha do rolamento apropriado para
aplicações específicas.
6
AÇOMINAS, (2007) apresenta uma nova tecnologia desenvolvida para
análise de falhas em rolamentos a qual permite a detecção dos defeitos em toda a
escala de velocidade através da freqüência característica em função do local do
defeito.
7
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Os mancais podem ser de rolamento, deslizamento, magnéticos e
pneumáticos. Neste trabalho serão tratados somente mancais de rolamento com
foco nos métodos de montagem.
Para o entendimento do assunto serão fundamentados os aspectos
construtivos dos rolamentos, incluindo forma e materiais, e os métodos de
montagem.
3.1 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS ROLAMENTOS
Os rolamentos são constituídos de anéis com pista (anel interno e externo),
elementos rolantes (esferas, rolos ou agulhas) e um elemento retentor dos
elementos rolantes denominado de separador, que tem por objetivo separar os
elementos rolantes em espaços regulares entre as pistas interna e externa. Pista é a
superfície onde os elementos rolantes giram. Os componentes de um rolamento
podem ser visualizados conforme indicado na Figura 1.
Figura 1 - ROLAMENTO FIXO DE ESFERAS
Fonte: NTN, 2007
8
Os rolamentos são classificados em dois principais grupos: rolamentos de
esferas e rolamentos de rolos. Os rolamentos de esferas são classificados de acordo
com a configuração dos seus anéis e os rolamentos de rolos são classificados de
acordo com a forma dos rolos. Essa classificação pode ser visualizada na Figura 2.
Figura 2 - CLASSIFICAÇÃO DOS ROLAMENTOS
Fonte: SKF, 1990; NTN, 2007
As principais características e aplicações dos rolamentos citados na Figura 2
serão descritas nas seções 3.1.1 e 3.1.2.
3.1.1 Materiais e Lubrificantes
O
desempenho e
confiabilidade dos
rolamentos
diretamente pelos materiais escolhidos e pela lubrificação.
são influenciados
9
Os contatos entre os anéis e os elementos rolantes dos rolamentos são
rotativos e deslizantes sob solicitação repetitiva de alta pressão de contato. Os
separadores estão sujeitos à tensão e compressão em contato deslizante com o
anel ou com os elementos rolantes. Para o material dos anéis, elementos rolantes e
separadores dos rolamentos são requeridos as seguintes características:
a) Alta resistência à fadiga;
b) Alta dureza;
c) Alta resistência ao desgaste;
d) Alta estabilidade dimensional;
e) Alta resistência mecânica.
Além destas, a boa usinabilidade dos materiais também é necessária, e
dependendo da aplicação, resistências ao impacto, ao calor e à corrosão também
são requeridas.
Em relação à lubrificação dos rolamentos, esta tem como objetivo evitar o
aquecimento excessivo, reduzindo o desgaste e o atrito no rolamento. Tem-se
basicamente o óleo e a graxa como lubrificantes que podem ser utilizados nos
rolamentos, mas em casos especiais também podem ser utilizados lubrificantes
sólidos como bissulfeto de molibdênio (MoS2) e grafite.
As características necessárias para o lubrificante são:
a) Baixo nível de impurezas ou de umidade;
b) Estabilidade térmica;
c) Alta resistência à pressão;
d) Possibilitar a redução do desgaste;
e) Reduzir o atrito;
f) Possuir propriedades anti-oxidantes;
g) Alta estabilidade mecânica.
Nas seções 3.1.1.1 à 3.1.1.3 estão detalhadas as características dos
materiais e lubrificantes utilizados nos rolamentos.
10
3.1.1.1 Materiais para Anéis e Elementos Rolantes
Os aços utilizados para a fabricação de anéis e elementos rolantes de um
rolamento devem ter alta resistência à fadiga e ao desgaste, sendo que os mais
utilizados são os do tipo cromo-níquel e cromo-manganês com aproximadamente
0,15 % de carbono, isso se deve ao fato que as ligas de cromo-níquel são as mais
adequadas para trabalho a quente, pois o cromo limita a velocidade de oxidação em
todas as temperaturas e o níquel limita o crescimento de grão e consequentemente
a fragilidade em temperaturas elevadas.
Os aços para têmpera utilizados na fabricação de rolamentos são aços com
aproximadamente 1% de carbono e 1,5 % de cromo, sendo que para uma grande
seção transversal são utilizados aços com manganês e molibdênio devido à sua
temperabilidade.
Os rolamentos podem ser utilizados em temperaturas de trabalho de até
110ºC, mas se a temperatura de trabalho for superior, deverão ser utilizados
rolamentos que tenham passado por um tratamento térmico especial, para que não
ocorra nenhuma alteração dimensional indesejada nos anéis e elementos rolantes,
para isso não se deve utilizar aços que foram estabilizados em temperaturas
superiores a temperatura real de trabalho. Se a temperatura de trabalho for superior
a 300 ºC deve-se utilizar aços que tenham alta dureza a quente.
Para aplicações em ambientes corrosivos, os aços mais indicados são os
aços inoxidáveis a base de cromo ou cromo-molibdênio, mas devido à baixa dureza
destes aços, os rolamentos não terão a mesma capacidade de carga dinâmica que
rolamentos produzidos com aços convencionais. Para que a resistência à corrosão
seja completa, é necessário que as superfícies sejam polidas e não sofram
amassamento ou riscos durante a montagem.
A seguir segue Tabela 1 com a composição do aço SAE 52100, que é o
mais utilizado para rolamentos. Em poucas aplicações são também utilizados os
aços SAE 4320 e SAE 8620, porém para estes devem-se ser realizados tratamentos
térmicos de cementação.
11
A cementação trata-se de um tratamento térmico para endurecimento
superficial, adicionando-se à superfície da peça uma camada rica em carbono para
posterior têmpera.
Tabela 1 - COMPOSIÇÃO AÇO SAE 52100
Elemento
Percentual
(%)
Mín.
Fe
C
Si
Mn
95,79 0,98 0,15 0,25
Máx. 96,67 1,10 0,35 0,45
P
S
0,025 0,025
Cr
Ni
Cu
1,30
-
-
1,60 0,25 0,35
Fonte: GERDAU, 2007
A curva TTT¹ para o aço SAE 52100 assim como a sua curva TTT para
têmpera podem ser visualizadas na Figura 3 e Figura 4 respectivamente.
Figura 3 - CURVA TTT AÇO 52100
Fonte: UFMG, 2007
1
Gráfico com a curva de Temperatura, Tempo e Transformação
12
Figura 4 - CURVA TTT DE TÊMPERA
Fonte: ASM, 2001
3.1.1.2 Materiais para Separadores
A finalidade principal do separador é evitar o contato entre os elementos
rolantes mantendo o atrito e a geração de calor em valores mínimos, sendo que nos
rolamentos do tipo separável (rolamentos em que o anel interno pode ser separado
dos elementos rolantes e anel externo), serve também para reter os elementos
rolantes em um dos anéis, de forma que não se soltem quando o rolamento for
montado ou desmontado.
Os separadores sofrem esforços mecânicos devido ao atrito, tração e força
de inércia e podem estar sujeitos a ação química de certos lubrificantes, portanto a
escolha do material é de grande importância para seu bom desempenho, bem como
para a confiabilidade do rolamento. A seguir está descrito alguns dos materiais mais
comuns utilizados em separadores:
a) Separador em poliamida: A poliamida é um polímero que é moldado,
reforçado com fibra de vidro e estabilizado termicamente. Este material é
caracterizado por uma favorável combinação de resistência e flexibilidade. A
excelente propriedade de deslizamento da poliamida em superfícies lubrificadas de
13
aço e a alta uniformidade das superfícies do separador em contato com os
elementos rolantes contribuem para que o atrito gerado pelo separador seja mínimo
e consequentemente a geração de calor e o desgaste no rolamento sejam
reduzidos. A baixa densidade da poliamida faz com que a inércia do separador seja
muito pequena e as propriedades de giro desse material permitem que o rolamento
continue trabalhando durante um longo período sem riscos de travamento e falha
secundaria quando da falta de lubrificação. É necessário controlar rigorosamente a
temperatura de trabalho quando se utiliza rolamentos com separadores de
poliamida, pois altas temperaturas aceleram o processo de envelhecimento. Para
temperaturas de trabalhos superiores a 120ºC é recomendado à utilização de
rolamentos com separadores metálicos, pois estes materiais sofrem menor influência
da temperatura em relação à poliamida e temperaturas abaixo de - 40 ºC fazem com
que a poliamida perca a propriedade de elasticidade. Também não se deve utilizar
separadores de poliamida no vácuo, isto fragiliza o material devido à desidratação
causada pelo meio. Os separadores de poliamida são recomendados para
rolamentos fixos de duas carreiras de esferas, rolamentos autocompensadores de
esferas, rolamentos de esferas de contato angular e rolamentos de rolos cilíndricos.
b) Separadores em aço: podem ser usinados ou em chapa de aço.
b.1) No caso dos separadores em chapa de aço, estes apresentam como
principal característica alta resistência e massa reduzida. São endurecidos e
tratados superficialmente para reduzir o atrito e o desgaste. Sua utilização é
padronizada para rolamentos fixos de esferas, rolamentos autocompensadores de
rolos e para a maioria dos rolamentos de rolos.
b.2) Para separadores usinados em aço: alguns separadores usinados em
aço são endurecidos superficialmente por carbonitretação para melhorar as
propriedades de deslizamento e resistência ao desgaste. Sua principal característica
também é a alta resistência. São utilizadas em rolamentos de grande porte ou onde
as condições de aplicação que podem gerar uma quebra súbita no separador de
latão. Os separadores de aço podem ser utilizados com temperaturas de trabalho de
até 300º C sem que ajam riscos de danificação.
c) Separadores em latão: O latão é uma liga de cobre-zinco, contendo até
45% de zinco sendo que sua principal característica é a elevada ductilidade, que
14
pode atingir um valor máximo quando a liga tem um teor de 30% de zinco. Em
rolamentos que não são exigidos grandes cargas podem ser utilizados separadores
prensados de latão. Separadores não devem ser utilizados em temperaturas de
trabalho acima de 300ºC.
d) Separadores em bronze: As ligas de cobre-estanho, chamadas de bronze,
são ligas amplamente utilizadas para separadores e para aplicação em rolamentos.
São compostas de 10% ou mais de estanho, pois é necessária uma elevada
resistência mecânica para suportar cargas pesadas e suportar o desgaste mecânico.
A medida que o teor de estanho aumenta, também aumenta a resistência da liga,
porém a ductilidade diminui.
A microestrutura do bronze que contém entre 10% e 16% de estanho e é
constituída por uma solução sólida de estanho em cobre, é monofásica e
denominada de fase alfa. Acima desses teores inicia-se a precipitação de uma fase
intermediária denominada delta que é rica em estanho e possui dureza elevada. A
associação da fase delta com uma matriz alfa dúctil, resulta em um bronze com
excelentes propriedades de antifricção, o qual é muito utilizado para rolamentos. O
bronze C 524 (90% de bronze e 10% de estanho) é um exemplo de material com
associação das duas fases, portanto uma liga bifásica que possui elevada
resistência à fadiga e ao desgaste. A seguir são listados composições de bronzes
utilizados para separadores:
a) Cu 87 – Sn 11 – Pb 1 – Ni 1
b) Cu 85 – Sn 5 – Pb 9 – Zn 1
c) Cu 80 – Sn 10 – Pb 10
d) Cu 78 – Sn 7 – Pb 15
e) Cu 70 – Sn 5 – Pb 25
Uma propriedade do bronze que vale ressaltar é a elevada resistência a
corrosão.
O diagrama de fases para a liga de cobre-estanho pode ser visualizado na
Figura 5.
15
Figura 5 - DIAGRAMA DE FASE DO BRONZE
Fonte: ASM, 2001
3.1.1.3 Lubrificantes de Rolamentos
Os rolamentos geralmente são fornecidos em embalagens fechadas
contendo um composto anti-oxidante, porém este composto não deve ser
confundido com lubrificação. Na maioria das aplicações os rolamentos podem ser
utilizados sem passar por nenhum processo de lavagem após a retirada da
embalagem, mais para casos especiais, como alta rotação, há necessidade de
remoção do composto anti-oxidante.
Para rolamentos que possuam vedação ou proteção de ambos os lados não
há necessidade de lubrificação posterior à montagem já que os mesmos já são
fornecidos com graxa. As graxas utilizadas para os rolamentos com vedação ou
proteção possuem faixa de temperatura de operação e outras propriedades
adequadas para a maioria das aplicações e a quantidade de graxa é apropriada para
o tamanho do rolamento. Todas estas características, como quantidade e faixa de
temperatura são especificadas para que a graxa original ultrapasse a vida útil do
16
rolamento, de modo que não exista necessidade de lubrificação posterior à
montagem. Para rolamentos que não possuem vedações ou proteções é necessária
lubrificação posterior à montagem.
No processo de montagem à quente deve-se observar o tipo de rolamento a
ser montado, se o mesmo possui ou não vedação ou proteção, já que à medida que
a temperatura do rolamento aumenta a viscosidade do lubrificante diminui,
acelerando a vaporização do óleo e tornando-o de qualidade inferior.
Os lubrificantes originais de fábrica possuem faixa de trabalho de
temperatura em torno de -30oC à +150oC.
3.1.2 Tipos de Rolamentos
Os tipos de rolamentos que serão estudados estão citados na Figura 2, são
Rolamentos Fixos de Esfera, de Contato Angular, Autocompensadores de Esfera, de
Rolos Cilíndricos e Autocompensadores de Rolos. As principais características e
aplicações destes rolamentos serão descritas a seguir.
3.1.2.1 Rolamentos Fixos de Esferas
É o tipo mais comum de rolamentos e amplamente utilizado numa variedade
de aplicações, são de construção simples, não separáveis e com capacidade para
operar em altas velocidades. O canal da pista no anel interno e anel externo
apresentam um perfil lateral em arco, com raio ligeiramente maior que o raio das
esferas. Os rolamentos fixos de esferas podem incluir rolamento com anel elástico
para facilitar o posicionamento do anel externo na montagem, rolamentos com
compensação de expansão, que absorvem variações dimensionais da superfície do
rolamento devido a variações da temperatura do alojamento. Por ter um atrito
pequeno, é o tipo mais adequado para aplicações que requerem baixo ruído e
vibração, e em locais com alta velocidade de rotação.
17
3.1.2.2 Rolamentos de Contato Angular de Esferas
Rolamentos de contato angular possuem as pistas do anel interno e do anel
externo deslocadas entre si na direção do eixo, essa característica permite aos
rolamentos de contato angular suportar cargas combinadas, ou seja, cargas axiais e
radiais simultaneamente, porem em apenas um sentido para os rolamentos com
uma carreira de esferas, portanto devem ser ajustado contra um segundo rolamento
afim de que uma das cargas seja neutralizada. Os rolamentos de duas carreiras de
esferas de contato angular permitem cargas axiais e radiais em ambos os sentidos.
Rolamentos de esferas de contato angular são rolamentos do tipo separáveis e
permitem velocidades de operação altas.
Estes rolamentos requerem atenção com relação às condições de carga que
dependendo dela, podem ocasionar excessivo aumento de temperatura e desgaste.
3.1.2.3 Rolamentos Autocompensadores de Esferas
Esse tipo de rolamento possui o anel interno com duas carreiras de esferas
e uma pista esférica comum no anel externo. A pista esférica do anel externo
permite ao rolamento a propriedade de ser auto-alinhável, ou seja, permite
desalinhamentos angulares do eixo em relação ao alojamento do rolamento,
portanto os erros de alinhamento que ocorrem devido a casos de desvio na
usinagem do eixo e alojamento bem como as deficiências na instalação são
corrigidos automaticamente. Devido a essa propriedade são indicados para
aplicações onde possa surgir desalinhamentos por falha na montagem ou flexão do
eixo.
3.1.2.4 Rolamentos de Rolos Cilíndricos
Os rolamentos de rolos cilíndricos utilizam rolos de forma cilíndrica que ficam
em contato linear com a pista e são guiados axialmente por flanges integrados em
um dos anéis. Os anéis podem ser separados, conforme ilustrado na Figura 6,
18
facilita a montagem e desmontagem, principalmente quando devido as condições de
carga é necessário ajuste com interferência em ambos os anéis.
Figura 6 - ROLAMENTOS SEPÁRAVEIS
Fonte: OS AUTORES
A capacidade desses rolamentos em acomodar desalinhamentos angulares
do anel interno em relação ao anel externo, a fim de compensar erros de
alinhamentos, é limitado entre 3 e 4 minutos angulares.
3.1.2.5 Rolamentos Autocompensadores de Rolos
Os rolamentos autocompensadores de rolos possuem duas carreiras de
rolos com uma pista esférica comum no anel externo, sendo que as duas pistas do
anel interno são inclinadas formando um ângulo com o eixo dos rolamentos. Estes
rolamentos são auto-alinhantes assim como os rolamentos autocompensadores de
esferas descrito anteriormente. Esses tipos de rolamentos podem ser facilmente
montados nos eixos através de buchas adaptadoras e buchas de desmontagem e
são rolamentos que possuem baixa temperatura de trabalho.
3.2 MONTAGEM
Para montagem de rolamentos devem ser considerados os elementos de
máquinas que terão contato com os rolamentos: eixo e alojamento conforme Figura
19
7, a união entre a pista interna e o eixo, a união entre a pista externa e o alojamento
e os métodos de montagens.
Figura 7 - MANCAL DE ROLAMENTO
Fonte: SKF, 2007
3.2.1 Uniões
A união dos rolamentos com os elementos de máquinas, sendo eles eixo e
alojamento, é feita através de uma conexão que tem por objetivo limitar a
possibilidade de movimento de uma peça em relação à outra, ou seja, impedir o
deslocamento relativo de duas peças adjacentes. Dessa conexão resulta a
resistência de atrito, que são forças geradas pelas ações de contato entre as peças
adjacentes. Essas forças se opõem ao movimento relativo entre as duas peças até
suprimi-lo totalmente.
Essa união é denominada conexão por atrito, e como se sabe do estudo
sobre atrito, quando duas peças estão suficientemente comprimidas entre si por uma
força perpendicular ao plano de contato, não pode haver deslocamento de uma peça
em relação à outra na direção paralela ao referido plano. Portanto, para que haja
conexão por atrito é necessária à atuação de pressões normais à superfície de
contato de maneira que seja possível impedir qualquer deslocamento relativo, em
qualquer direção entre as peças ligadas. E para que a união seja completa e estável
é necessário que as pressões normais continuem atuando após a montagem.
20
Para se reduzir o atrito durante a montagem de rolamentos em eixos deve
ser respeitado as tolerâncias dimensionais e geométricas dos componentes
relacionados e devem ser utilizados métodos apropriados de montagem. Tais
métodos devem ser escolhidos de acordo com as dimensões e ajustes dos
rolamentos. A principal vantagem de se reduzir o atrito durante a montagem de um
rolamento em um eixo é evitar que os mesmos sofram deformações provenientes
das forças aplicadas.
O atrito deve ser minimizado durante a montagem principalmente se
considerado o fato de que em determinadas instalações o mesmo é responsável
pela manutenção da posição do rolamento em relação ao eixo e também por garantir
que os anéis internos e externos não girem livremente em relação ou eixo e ao
alojamento respectivamente.
Na seção 3.2.1.1 pode-se verificar a importância do atrito para a montagem.
3.2.1.1 União entre Pista Interna e Eixo
Para todos os ajustes deslizantes ou interferentes, sejam eles utilizando
dilatação térmica ou prensagem para a montagem, a força de retenção (H),
responsável pela resistência contra a rotação e o deslocamento da pista interna do
rolamento em relação ao eixo é igual a soma das forças de atrito e deve ser maior
do que a força tangencial no eixo (U), conforme Equação 1.
H = ∑ P × µ ≥U = 2× Mt ÷ d
Sendo:
H - Força de retenção [kgf]
P - Força de contato [kgf]
µ - Coeficiente de atrito [adimensional]
U - Força tangencial [kgf]
Mt - Momento de torção [kgf.mm]
d - diâmetro do eixo [mm]
(1)
21
As forças de contato estão relacionadas diretamente com a variação
dimensional após o resfriamento do material do anel interno sobre o eixo e o ajuste
escolhido para a montagem. Os valores das forças devem ser obtidos
experimentalmente para cada caso específico, pois estes variam de acordo com as
características dos materiais. A disposição das forças de contato pode ser verificada
na Figura 8.
O coeficiente de atrito é dependente da lubrificação, ou seja, da união
lubrificada até a união seca, e também do acabamento superficial do eixo e do anel
interno do rolamento e deve ser obtido através de ensaios.
Os ensaios para obtenção dos valores das forças de contato e coeficiente de
atrito não serão realizados durante o desenvolvimento deste trabalho já que para a
realização das montagens de rolamentos é necessária apenas a garantia de que a
pista interna do rolamento não deve movimentar em relação ao eixo após a
montagem, levando em consideração que o conjunto montado rolamento e eixo não
será submetido a cargas. Essa garantia pode ser obtida apenas selecionando um
ajuste com interferência para a realização das montagens.
Figura 8 - FORÇAS DE CONTATO
Fonte: NIEMANN, 1995
22
3.2.1.2 União entre Pista Externa e Alojamento
A união entre a pista externa e o alojamento não será estuda com detalhes,
pois a montagem em alojamentos não é objeto de estudo deste trabalho. Vale
ressaltar que para maioria das aplicações a montagem de eixos em alojamentos é
realizada com folga.
3.2.1.3 Tolerâncias e Ajustes de Montagem
O anel interno e o anel externo dos rolamentos são fixados sobre os eixos
ou nos alojamentos, de forma a impedir o deslocamento da posição do anel de
rolamento em relação ao eixo ou ao alojamento na direção circunferencial devido à
mudança do ponto de aplicação de carga nesta direção. Esse movimento relativo é
chamado de deslizamento, e pode ocorrer numa direção radial, numa direção axial,
ou na direção da rotação. De acordo com as dificuldades das condições de
utilização, instalação e remoção, o ajuste pode ser efetuado sem interferência no
anel interno e no anel externo, porém nestes casos, em relação aos danos na
superfície de ajuste que podem ser previstos com o deslizamento, cuidados além da
lubrificação devem ser tomados. Após o deslizamento, a superfície de ajuste
desgasta-se prematuramente, e em alguns casos pode danificar o eixo ou
alojamento. Pode-se também, devido ao fenômeno do deslizamento, acontecer das
partículas desgastadas ao penetrarem no interior do rolamento causar aquecimento
anormal, vibração entre outras falhas.
Um ajuste impróprio pode levar a quebra ou diminuição da vida de um
rolamento. Para seleção do ajuste adequado as aplicações, devem ser considerados
fatores como: natureza da carga e rotação do rolamento, conforme ilustrado na
Figura 10, a intensidade, as condições de temperatura, e a montagem e
desmontagem dos rolamentos.
Para prevenir o movimento de deslizamento, os anéis dos rolamentos e o
eixo ou alojamento são instalados com interferências de montagem.
As instalações são classificadas como ajuste por interferência, que é
também chamado de ajuste forçado, sendo este o ajuste em que o afastamento do
23
furo é menor ou igual ao afastamento inferior do eixo, ou seja, a tolerância aplicada
é positiva e ajuste por deslizamento ou ajuste incerto, ajuste este em que o
afastamento superior do eixo é maior que o afastamento inferior do furo e o
afastamento superior do furo é maior que o afastamento inferior do eixo, ou seja, a
tolerância aplicada é positiva e negativa (PROVENZA, 1995).
As diferenças entre os ajustes podem ser visualizadas na Figura 9.
Figura 9 - AJUSTE INTERFERENTE E DESLIZANTE
Fonte: ADAPTADO DE PROVENZA, 1995
O meio mais eficaz de se fixar as superfícies dos anéis de um rolamento e
um eixo ou alojamento é aplicar o ajuste por interferência. A vantagem deste ajuste
é que provê um suporte de carga uniforme através de toda a circunferência do anel,
sem perdas para a capacidade de carga. Entretanto, com um ajuste por interferência
se perde a facilidade de montagem e desmontagem do rolamento, e quando se usa
um rolamento do tipo não-separável o deslocamento axial não é possível. Quando
os anéis dos rolamentos estão montados com ajuste por interferência, esforços de
tensão ou compressão podem ocorrer sobre as pistas. Se a interferência é
demasiadamente alta, podem ocorrer danos nos anéis e reduzir a vida do rolamento.
Por estes motivos, a interferência máxima não deverá ser superior a 1:1.000 do
diâmetro do eixo ou do anel externo.
Os rolamentos com ajustes deslizantes são normalmente mais fáceis de
montar do que com ajustes interferentes, portanto quando as condições de trabalho
exigem ajustes com interferência, para facilitar a montagem e desmontagem é
24
aconselhável a utilização de rolamentos separáveis ou rolamentos com furos
cônicos além da utilização de buchas para montagem e desmontagem.
Figura 10 – CARGA EM ROLAMENTOS
Fonte: NTN, 2007
A montagem, de acordo com a interferência, pode ser feita utilizando
métodos a frio de impacto, prensagem ou através de diferença de temperatura entre
os elementos aproveitando a dilatação devido ao aquecimento prévio ou a contração
do eixo por esfriamento.
Um outro fator muito importante a ser considerado na utilização do ajuste
com interferência é o conhecimento das tolerâncias de montagem dos rolamentos e
eixos. Os valores dimensionais devem se encontrar dentro das faixas especificadas
para cada tipo e tamanho de rolamentos para que não ocorra excesso ou falta de
resistência por atrito nos componentes montados.
Como os processos de fabricação não garantem exatamente as dimensões
determinadas em desenho é necessário que a dimensão esteja compreendida entre
duas dimensões limite admissíveis. A diferença entre essas é definida como
25
tolerância, que compreende também os erros de forma desde que estejam dentro do
espaço delimitado.
O sistema ISO de tolerâncias e acoplamentos foi estudado para as
tolerâncias sobre dimensões das peças lisas e para os acoplamentos que podem ser
feitos conectando duas peças, uma negativa e outra positiva, que são
genericamente denominadas furo e eixo. Os termos furo e eixo são entendidos como
indicando um espaço, vazio ou cheio, compreendido entre duas faces paralelas (ou
planos tangentes paralelos) de uma peça qualquer.
Para obter um ajuste interferente ou deslizante para rolamentos, os
intervalos de tolerâncias adequados para os assentos de eixo são selecionados pelo
sistema de tolerância ISO, conforme ilustrado na Figura 11 e nas tabelas dos anexo
1 e 2.
Figura 11 - SELEÇÃO DE AJUSTES
Fonte: ADAPTADO DE NTN, 2007
As tolerâncias e os limites dimensionais e a precisão de giro dos rolamentos
são especificados pelas normas ISO 492/199/582, sendo que além dessas, as
tolerâncias de rolamentos são normalizadas em termos de classe conforme o
26
estreitamento da tolerância, podendo ser de classe 6, classe 5, classe 4, classe 3 e
classe 2, sendo a última a de mais alta precisão da ISO (SKF, 1990).
As tolerâncias determinadas pelo sistema ISO são referidas para a
temperatura de 20ºC.
As tolerâncias e os limites dimensionais são divididos em:
a) Tolerância de diâmetro do furo e do externo, largura e largura total;
b) Tolerâncias de diâmetro dos círculos inscrito e circunscrito dos rolos;
c) Tolerâncias de dimensão do chanfro;
d) Tolerâncias de variação de largura;
e) Tolerâncias do furo cônico.
A precisão de giro é necessária para restringir os desvios das partes
girantes, sendo dividida conforme segue:
a) Limites de desvio radial dos anéis interno e externo;
b) Limites de desvio axial dos anéis interno e externo;
c) Limites de desvio lateral do anel interno;
d) Limites de inclinação da superfície externa do anel externo;
e) Limites de variação da espessura da pista do rolamento axial.
O eixo ou alojamento com precisão que não atenda o especificado, faz com
que o rolamento sofra a influência desta, não permitindo obter a desempenho
desejado. Caso haja deficiência na precisão do encosto das partes de
assentamento, ocorre o desalinhamento entre os anéis externo e interno,
acarretando uma carga concentrada nas extremidades, diminuindo a vida de fadiga
do rolamento. Pode também se tornar a razão para avarias no separador e causar
superaquecimento.
O acabamento da superfície de ajuste para condições normais de uso, pode
ser torneado, mas em casos de cargas excessivamente severas ou em aplicações
rigorosas quanto ao ruído e vibração, o acabamento de retífica é o mais indicado.
Na próxima seção será demonstrada a influência do aquecimento e
conseqüente dilatação térmica como meio auxiliar na montagem de rolamentos, pois
através da dilatação térmica é possível minimizar a interferência do ajuste durante a
montagem e permitir uma montagem mais suave.
27
3.2.1.4 Aquecimento e Dilatação Térmica
Durante o aquecimento de um material metálico, sendo por indução,
convecção ou condução, e quando esse aquecimento não gera transformações de
fases, esse material sofre alterações dimensionais denominadas de dilatação
térmica. As alterações dimensionais provenientes do aquecimento podem ser
mensuradas utilizando-se a Equação 2:
L − L0 = L0 × α × ∆T
(2)
Onde:
L = Comprimento final [mm].
L0 = Comprimento inicial [mm].
α = Coeficiente de dilatação térmica [°C-1].
∆T = Variação de temperatura [°C].
Através dessa equação e de posse do diâmetro do anel interno do rolamento
é possível calcular o diâmetro final após o aquecimento e com isso verificar a
possibilidade de montagem no diâmetro do eixo selecionado.
Para o aquecimento indutivo, merece destaque a propriedade de
permeabilidade magnética, sendo essa o grau de magnetização de um material em
resposta ao campo magnético que pode ser medida pela Equação 3.
µ=
β
(3)
H
Onde:
µ = permeabilidade magnética [W/A.m]
β = densidade do fluxo magnético [T]
H = força do campo magnético [N].
Metais como o cobre, bismuto, gálio e ouro adquirem valores menores que
um para a permeabilidade magnética, ou seja, possuem uma suscetibilidade
negativa e são denominados de materiais diamagnéticos, pois fazem com que o
28
campo
magnético
aplicado
seja
enfraquecido.
Materiais
que
possuem
suscetibilidade positiva, chamados de paramagnéticos possuem valores para a
permeabilidade maiores que um, porém de pequena grandeza. Como exemplo
pode-se citar o alumínio e a platina.
Outro grupo de materiais não menos importante para o estudo é aquele em
que a permeabilidade é função da intensidade do campo magnético, ou seja, os
materiais ferromagnéticos, cuja grandeza para a suscetibilidade adquire valores
elevados na ordem de milhão. Incluem-se neste grupo o ferro, o níquel, o cromo, o
cobalto e suas respectivas ligas.
Durante o aquecimento indutivo o núcleo dos materiais do rolamento está
sujeito a ter correntes induzidas devido ao campo magnético. Tais correntes são
chamadas de correntes parasitas ou correntes de Foucault. Quando uma corrente
alternada está fluindo pelo enrolamento, um campo magnético variável surge no
núcleo. A variação desse campo,aumentando e diminuindo, induz uma tensão no
núcleo e essa força eletromotriz causa a circulação de correntes parasitas.
Essas correntes podem acarretar grandes dissipações de energia porque
elevam a temperatura das peças metálicas das quais se originam. A razão disso é
que sua intensidade é alta devido ao fato de que a resistência ôhmica dessas
massas metálicas é pequena e a Lei de Joule conforme Equação 4 se encarrega de
proporcionar uma grande elevação da temperatura.
W = R.i 2 .t
(4)
Onde:
W = Energia [W]
R = Resistência elétrica [Ω]
i = Corrente elétrica [A]
t = Tempo [s]
Para componentes com diferentes materiais, a Equação 4 pode ser reescrita
conforme a Equação 5.
29
2
2
2
W = ( R A i A + R B i B + ... + Ri ii ).t
(5)
Onde:
W = Energia [W]
Ri = Resistência elétrica [Ω]
ii = Corrente elétrica [A]
t = Tempo [s]
A resistência elétrica de um material pode ser obtida através da Equação 6.
R = ρ.
L
A
(6)
Onde:
R = Resistência elétrica [Ω]
ρ = Resistividade elétrica [Ω.m]
L = Comprimento [m]
A = Área [m2]
Quanto menor a resistividade elétrica menor será a resistência elétrica,
conforme demonstrado pela equação 6. De acordo com o principio de conservação
de energia, a potência de entrada é igual a potência de saída, portanto através da
equação 5 pode-se verificar que quanto menor a resistência elétrica, maior será a
corrente e consequentemente maior o aumento de temperatura.
A resistividade elétrica de alguns materiais utilizados em componentes
elétricos e mecânicos podem ser visualizados na Tabela 2.
Tabela 2 - RESISTIVIDADE DOS MATERIAIS
Material
Resistividade
(Ω.m)
Fonte: HALLIDAY, 1996
Aço
Bronze
Poliamida
1,40 x 10-6
1,62 x 10-6
1,00 x 1012
30
Na próxima seção serão estudados os métodos de montagem de
rolamentos, onde serão abordadas suas técnicas e características.
3.2.2 Métodos de Montagem
A variedade de tipos e tamanhos de rolamentos não permite a utilização de
um mesmo método de montagem. Distinguem-se, portanto os métodos mecânicos,
hidráulicos e térmicos, sendo que os métodos hidráulicos, como exemplo o método
por injeção de óleo, não serão abordados conforme escopo definido no item 1.
Os métodos de montagem que serão estudados neste trabalho podem ser
visualizados na Figura 12.
Figura 12 - MÉTODOS DE MONTAGEM
Fonte: SKF, 2007
31
3.2.2.1 Montagem a Frio por Impacto
Este método é muito conhecido, porém pouco usado. Normalmente se
aplicam leves golpes com martelo sobre um assentamento do rolamento conforme
ilustrado na Figura 13. A montagem por impacto não é um método muito preciso e
pode fazer com que as forças de montagem sejam transmitidas para as partes
rolantes do rolamento, danificando as pistas dos rolamentos.
Figura 13 - MONTAGEM A FRIO POR IMPACTO
Fonte: SKF, 2007
3.2.2.2 Montagem a Frio por Prensagem
Na instalação de rolamentos com diâmetro externo até 80 mm, o método
mais usado é o da prensagem. Rolamentos com ajustes por interferência
relativamente leves, podem ser montados com pressão e na temperatura ambiente.
Esse método utiliza um dispositivo de instalação conforme ilustrado na Figura 14
que é lentamente prensado até que a lateral do anel interno toque integralmente no
assento de encosto do eixo. Usualmente, os rolamentos são montados golpeandose a bucha com um martelo, conforme indicado na Figura 15 (a). Entretanto, quando
se instala um grande número de rolamentos, deve-se utilizar uma prensa mecânica
ou hidráulica.
32
Quando se faz a montagem de rolamentos não-separáveis sobre um eixo e
um alojamento simultaneamente, utiliza-se uma placa que distribui uniformemente a
pressão de montagem sobre o anel interno e externo para evitar a ocorrência de
desalinhamento entre os anéis, conforme indicado na Figura 15 (b).
Figura 14 - PRENSA HIDRÁULICA
Fonte: OS AUTORES
Em rolamentos separáveis como os de rolos cilíndricos, o anel interno e o
anel externo podem ser instalados separadamente no eixo e na caixa.
Esse método por se tornar com freqüência em causa de danificações no
rolamento, restringe-se para casos de pequena interferência, não devendo ser
usado para grandes interferências e rolamentos com diâmetro externo superior a 80
mm.
Figura 15 - MONTAGEM POR PRENSAGEM
Fonte: ADAPTADO DE NTN, 2007
33
3.2.2.3 Montagem a Quente por Banho de Óleo
Quando se faz a montagem de rolamentos com ajuste por interferência
apertado no anel interno, ou quando se montam rolamentos em eixos com diâmetro
superior a 400 mm, é necessária uma força considerável para a montagem em
temperatura ambiente dificultando consideravelmente a montagem. Devido a isso, o
emprego da dilatação do rolamento por aquecimento em banho de óleo é uma
técnica bastante utilizada. Este método evita a aplicação de qualquer esforço
desnecessário ao rolamento e permite uma montagem rápida, entretanto não deve
ser utilizado em rolamentos pré-lubrificados, vedados e blindados. Para a imersão
em banho de óleo, os rolamentos devem ficar suspensos ou sobre uma malha de
arame para evitar o contato como fundo do tanque e consequentemente um
aquecimento desigual entre as partes.
A diferença de temperatura para montagem requerida entre o anel interno e
o eixo depende do grau de interferência necessário e do diâmetro do eixo. A Figura
16 mostra a relação entre o diâmetro do furo do anel interno, o diferencial de
temperatura, e a quantidade de expansão térmica.
Figura 16 - DIFERENCIAL DE TEMPERATURA REQUERIDA
PARA AJUSTE POR INTERFERÊNCIA DO ANEL INTERNO
Fonte: NTN, 2007
34
3.2.2.4 Montagem a Quente por Indução
O aquecedor indutivo, conforme ilustrado na Figura 17 utiliza o princípio de
uma bobina principal com grande número de espiras, e uma bobina secundária com
poucas espiras montada em uma base de ferro comum. A bobina secundária
fornece uma tensão baixa em alta corrente. Nos aquecedores por indução os
rolamentos constituem a bobina secundária de rotação única com circuito fechado,
na qual uma baixa tensão de corrente alternada flui a uma corrente alta, gerando o
aumento da temperatura. O aquecedor e a barra permanecem na temperatura
ambiente. A diferença de temperatura entre o rolamento e a superfície de montagem
depende da magnitude do ajuste fixo e do tamanho do rolamento, conforme ilustrado
anteriormente na Figura 16. Temperaturas de aquecimento entre 80º C e 90º C
acima da temperatura do eixo normalmente é suficiente para garantir uma
montagem adequada, porém não se devem aquecer rolamentos a temperaturas
superiores a 110 °C, pois a estrutura do material poderá sofrer alterações e produzir
distorções no diâmetro ou na têmpera.
Figura 17 - AQUECEDOR INDUTIVO
Fonte: OS AUTORES
Este tipo de aquecimento é induzido por corrente elétrica, portanto o
rolamento se torna magnetizado, sendo necessário após o aquecimento à
desmagnetização dos rolamentos. A maioria dos aquecedores indutivos disponíveis
no mercado já possui desmagnetizadores automáticos.
35
3.2.2.5 Montagem a Quente por Condução/Convecção
O aquecimento por condução é um método de montagem bastante difundido
e seguro, ele pode ser feito usando-se uma placa de aquecimento conforme Figura
18. Como recurso, pode-se valer de uma placa de aquecimento regulável para
aquecer rolamentos. Para tanto, deve-se virá-lo várias vezes, para que seu
aquecimento seja uniforme.
O aquecimento por convecção pode ser feito utilizando-se uma estufa com
regulagem e controle de temperatura conforme Figura 19.
Tanto para o aquecimento por condução quanto por convecção, assim como
nos outros métodos citados anteriormente, deve-se cuidar para que o rolamento não
seja aquecido a uma temperatura superior a 110 ºC para que a estrutura dos
materiais não seja alterada.
Figura 18 - PLACA DE AQUECIMENTO
Figura 19 - ESTUFA
Fonte: OS AUTORES
Fonte: OS AUTORES
36
4 ESTUDO DE MONTAGEM DE ROLAMENTOS EM EIXOS
Para o desenvolvimento desse estudo foi usado o método dedutivo a partir
dos resultados de experimentos realizados nos laboratórios do curso de Engenharia
Mecânica do UNICENP.
A primeira etapa foi à definição dos rolamentos a serem utilizados. Um dos
tipos de rolamento escolhido foi com separador em bronze devido a este material
possuir um comportamento diferente ao do aço, quando aquecido através do
aquecedor indutivo.
A necessidade de controlar precisamente a temperatura dos componentes
do rolamento em intervalos curtos de tempo levou à escolha dos sensores Termopar
tipo K. Para a utilização destes sensores foi necessário realizar a correção da
diferença de temperatura entre eles. Esta correção seguiu-se com o aquecimento de
500ml de água em um recipiente térmico. Após o aquecimento os termopares foram
inseridos no interior do recipiente próximos um do outro e o recipiente agitado para
uma homogeneização da temperatura. Os valores foram coletados após a
estabilização temperatura e o fator de correção encontrado foi de 0,2 ºC.
Para o experimento do método de montagem a quente com aquecimento
indutivo foi necessário o desenvolvimento de um aplicativo em LabView (software
programável para sistemas de medição associado a um PC) que permitiu o
armazenamento dos valores de tempo e temperatura e visualização simultânea.
A interface entre o aplicativo e a leitura dos valores de temperaturas nos
rolamentos é feita através de uma placa de aquisição de dados, National
Instruments modelo 6014 está interligado aos termopares.
Os eixos para montagem dos rolamentos foram confeccionados no
Laboratório de Usinagem com materiais cedidos pela própria instituição. A escolha
da tolerância foi determinada de acordo com o diâmetro do anel interno seguindo as
especificações da norma ISO 492-1986, ISO 578-1973 e ISO 199-1979. Os valores
para tolerâncias podem ser visualizados nos anexos 1 e anexos 2.
Os ensaios foram realizados no Laboratório de Dinâmica de Máquinas e no
Laboratório de Usinagem do UNICENP.
37
4.1 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Para a execução dos ensaios foram utilizados os seguintes materiais e
equipamentos:
4.1.1 Materiais
As especificações dos rolamentos e eixos utilizados para a execução dos
experimentos podem ser visualizadas na Tabela 3. A escolha dos rolamentos
utilizados foi feita considerando-se a variação do diâmetro do anel interno, tipos de
rolamentos e materiais para separadores.
Tabela 3 - ESPECIFICAÇÃO DOS ROLAMENTOS E EIXOS TESTADOS
Especificação dos Rolamentos
Tipo: Rolamento de contato angular com separador em bronze
Fabricante: ZNL
Modelo: 7306M
Diâmetro anel interno: 30 mm
Diâmetro anel externo: 72 mm
Largura da pista: 18 mm
Tipo: Rolamento autocompensador de esferas com separador
em aço.
Fabricante: GBR
Modelo: 1210
Diâmetro anel interno: 50 mm
Diâmetro anel externo: 90 mm
Largura da pista: 20 mm
Tipo: Rolamento de contato angular com separador em bronze
Fabricante: SKF
Modelo: 7311BCBP
Diâmetro anel interno: 55mm
Diâmetro anel externo: 120 mm
Largura da pista: 29 mm
continua
38
Especificação dos Rolamentos
Tipo: Rolamento de contato angular com separador em aço
Fabricante: SNR
Modelo: 7305
Diâmetro anel interno: 40 mm
Diâmetro anel externo: 80 mm
Largura da pista: 18 mm
Tipo: Rolamento de contato angular com separador em
poliamida
Fabricante: SKF
Modelo: 7203
Diâmetro anel interno: 17 mm
Diâmetro anel externo: 40 mm
Largura da pista: 12 mm
Tipo: Eixos
Material: Aço 1020;
Dimensões: Tolerância classe J6 - Ajuste incerto, demais
dimensões ver anexo 3
Fonte: OS AUTORES
4.1.2 Equipamentos para montagem dos rolamentos
Os equipamentos utilizados para montagem dos rolamentos nos eixos e
suas respectivas especificações estão listados na Tabela 4
Tabela 4 - ESPECIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS
Especificação Técnica dos Equipamentos
Equipamento: Aquecedor indutivo
Fabricante: Indutel
Modelo: AQC-150N série: 034
Tensão: 220 V
Freqüência: 50/60 Hz
Potência: 6,0 kVA
Capacidade:.Ø int 20 a 150 mm, Ø ext até 300 mm
Temperatura: Até 250 ºC
Tempo: até 59' 59" com medição da temperatura a cada 1
segundo
continua
39
Especificação Técnica dos Equipamentos
Equipamento: Placa de aquecimento
Fabricante: Quimis
Modelo: Q261-1
Freqüência: 60 Hz
Potência: 650 W
Equipamento: Estufa de aquecimento
Fabricante: Brasimet
Modelo: K 150
Freqüência: 60 Hz
Potência: 3.800 W
Equipamento: Prensa hidráulica
Fabricante: Somar
Modelo: 3178
Capacidade: 15 T
Fonte: OS AUTORES
4.1.3 Equipamentos auxiliares
Os equipamentos auxiliares utilizados para o experimento de montagem por
indução, podem ser visualizados na Tabela 5.
Tabela 5 - ESPECIFICAÇÕES DOS EQUIPAMENTOS AUXILIARES
Especificação Técnica dos Equipamentos
Equipamento: Software LabView
Fabricante: National Instruments
continua
40
Especificação Técnica dos Equipamentos
Equipamento: Termopares tipo K
Faixa de Saída: -200°C a 1370°C
Resolução: 0.1°C
Precisão: -200°C a 0°C: ± 1.2°C, 0°C a 1370°C: ± 0.8°C
Faixa de utilização: -270°C a 1200°C
F.e.m. produzida: -6,458 mV a 48,838 mV
Equipameto: Termômetro digital
Fabricante: Minipa
Modelo: MT – 510
Unidade: °C/°F
Resolução: 0.1°C
Equipamento: Condicionador de Sinais
Fabricante: National Instruments
Modelo: SC-2345
Saída e entrada: Analógica com 20 pinos conectores
Tensão: 5,0 V ± 2,5 V
Equipamento: Entrada para termopar
Fabricante: National Instruments
Modelo: SCC-TC01
Entrada do sinal: Termopares tipo B, E, J, K, N, R, S, e T
Escala sinal: ± 100 mV
Impedância: 10 MΩ
Freqüência: 2 Hz
Equipamento: Microcomputador com placa de aquisição de
dados PCI-6014;
Modelo: com 16 canais analógicos
Resolução: 16 bits
Taxa de amostragem: 200 kS/s
Escala entrada: ± 0,05 a 0,10 V
Escala saída: ± 10 V
Fonte: OS AUTORES
41
4.2 EXECUÇÃO DO EXPERIMENTO
Para execução dos experimentos, foi elaborado um plano de testes com os
detalhamentos dos materiais e equipamentos utilizados e também um planejamento
da preparação e execução dos métodos de montagem que pode ser visualizado na
Tabela 6.
Tabela 6 - PLANO DE TESTES
Método
Montagem
A Frio por
Impacto
A Frio por
Prensagem
Materiais e
Equipamentos
Utilizados
- Rolamentos de esferas
de contato angular com
separador, anel e
elementos rolantes em
aço;
- Diâmetros do anél
interno de 40 mm
- Eixo usinado com
diâmetro de 40 mm;
- Instrumentos de
medição dimensional;
- Máquina fotográfica
digital;
- Tubo em aço.
- Martelo de borracha;
- Placas de apoio para
distribuição de tensões;
- EPI’s.
- Rolamentos de esferas
de contato angular com:
- separadores em bronze,
anéis e elementos
rolantes em aço;
- separadores, anéis e
elementos rolantes em
aço;
- Diâmetros dos anéis
internos respectivamente
de 30mm e 50 mm
- Eixos usinados com
diâmetros de 30 mm, 50
mm;
- Instrumentos de
medição dimensional;
- Máquina fotográfica
digital;
- Prensa Hidráulica;
- Placa de apoio de
distribuição de forças;
- EPI’s.
Preparação
Execução
- Fixar e posicionar o eixo em
uma morsa;
- Posicionar o rolamento
sobre o eixo;
- Posicionar uma placa de
apoio sobre a superfície
lateral do anel interno e
externo do rolamento;
- Posicionar o tubo sobre as
placas.
- Após posicionar o eixo,
o rolamento e a placa de
apoio, inicia-se os
golpes com martelo de
borracha sobre o tubo;
- Avaliar visualmente
possíveis danificações
no eixo;
- Posicionar eixo sobre a
base da prensa hidráulica
perpendicularmente alinhado
com o punção;
- Posicionar o rolamento
sobre o eixo;
- Posicionar a placa de apoio
de distribuição de forças
sobre a superfície lateral do
anel interno e externo do
rolamento;
- Ajustar cuidadosamente o
punção sobre a placa e esta
sobre o anel interno e
externo do rolamento;
- Após posicionar o eixo,
o rolamento, a placa de
apoio e o punção, iniciase a prensagem até a
posição definida no eixo;
- Iniciar a contagem do
tempo com o cronômetro
até a montagem do
rolamento no eixo;
- Avaliar visualmente
possíveis danificações
no eixo;
continua
42
Método
Montagem
A Quente
por Indução
A Quente
por
Condução
Materiais e
Equipamentos
Utilizados
- Rolamentos de esferas
de contato angular com:
- separadores em bronze,
anéis e elementos
rolantes em aço;
Rolamento
autocompensador de
esferas com:
- separadores, anéis e
elementos rolantes em
aço;
-separadores em
poliamida e anéis e
elementos rolantes em
aço;
- Diâmetros dos anéis
internos respectivamente
de 30mm, 50 mm e 17
mm.
- Eixos usinados com
diâmetros de 30 mm, 50
mm, 17 mm;
- Instrumentos de
medição dimensional;
- Máquina fotográfica
digital;
- Aquecedor indutivo;
- Termopar de
temperatura tipo K (3x);
- Computador com o
software Labview
instalado;
- Placa de aquisição de
dados com múltiplas
entradas e interface com
computador;
- EPI’s.
- Rolamentos de esferas
de contato angular e
autocompensador de
esferas com:
- separadores em bronze
,anéis e elementos
rolantes em aço;
- Diâmetros dos anéis
internos respectivamente
de 40 mm e 50 mm
- Eixos usinados com
diâmetros de 40 mm, 50
mm
- Instrumentos de
medição dimensional;
- Máquina fotográfica
Preparação
Execução
- Conectar a placa de
aquisição de dados no
computador;
- Conectar dois termopares
tipo K na placa de aquisição
de dados;
- Carregar aplicativo do
software labview no
computador;
- Posicionar o rolamento na
barra do aquecedor indutivo;
- Fixar dois termopares tipo
K, nos pontos escolhidos
(anel interno e separador);
- Fixar o sensor do
aquecedor indutivo no anel
interno do rolamento;
- Programar a temperatura
final de aquecimento do
rolamento no aquecedor
indutivo.
- Registrar fotograficamente
os componentes;
- Ligar o aquecedor
indutivo com a
temperatura prédeterminada (110ºC);
- Acompanhar geração
instantânea do gráfico
de temperaturas dos
dois componentes (anel
interno e separador) no
computador;
- Aguardar o sinal de
alerta do aquecedor
para o final do processo
de aquecimento;
- Salvar dados coletados
dos tempos e das
temperaturas através do
software labview para
análise posterior;
- Montar o rolamento no
respectivo eixo e
fotografar o
experimento;
- Conectar os termopares de
temperatura tipo K no
termômetro digital;
- Fixar dois termopares nos
pontos escolhidos (anel
interno e separador) e um na
chapa;
- Aquecer chapa até a
temperatura de 120ºC e
aguardar a estabilização da
temperatura por 5 minutos;
- Apoiar os rolamentos
sobre a chapa;
- Iniciar a contagem do
tempo com o cronômetro
até a montagem do
rolamento no eixo;
- Acompanhar a
elevação das
temperaturas do anel
interno de cada
rolamento;
- Retirar o rolamento da
chapa para montagem
no eixo quando o anel
interno atingir a
temperatura de 110ºC;
continua
43
Método
Montagem
A Quente
por
Convecção
Materiais e
Equipamentos
Utilizados
digital;
- Aquecedor de chapa
condutiva de calor;
- Termopar de
temperatura tipo K (3x);
- Termômetro digital;
- Computador com o
software Labview
instalado;
- Placa de aquisição de
dados com múltiplas
entradas e interface com
computador;
- EPI’s.
- Rolamentos de esferas
de contato angular com:
- separadores bronze e
anéis e elementos
rolantes em aço;
- Rolamento
autocompensador de
esferas com:
- separadores, anéis e
elementos rolantes em
aço;
- Diâmetros dos anéis
internos respectivamente
de 30mm e 50 mm
- Eixos usinados com
diâmetros de 30 mm e 50
mm.
- Micrômero;
- Máquina fotográfica
digital;
- Estufa;
- Termopar de
temperatura tipo K (2x);
- Termômetro digital;
- EPI’s.
Preparação
Execução
- Montar o rolamento no
eixo respectivo e
fotografar o
experimento;
- Conectar os termopares de
temperatura no termômetro
digital;
- Fixar os termopares de
temperatura nos pontos
escolhidos (anel interno e
separador);
- Aquecer estufa até a
temperatura de 110ºC e
aguardar a estabilização da
temperatura por 10 minutos;
- Colocar os rolamentos
na estufa;
- Iniciar a contagem do
tempo com o cronômetro
até a montagem do
rolamento no eixo;
- Acompanhar os valores
das temperaturas de
cada rolamento com o
termômetro digital;
- Retirar o rolamento da
estufa assim que a
temperatura do anel
interno atingir 110ºC;
- Montar os rolamentos
nos respectivos eixos;
- Parar o cronômetro e
registrar o tempo;
- Fotografar o
experimento;
Fonte: OS AUTORES
Nas seções 4.2.1 à 4.2.5 serão descritos os experimentos relacionados a
cada método de montagem.
4.2.1 A Frio por Impacto
Para este método foi executado a montagem de um rolamento de esfera de
contato angular com separador, anéis e elementos rolantes em aço.
44
O rolamento possui diâmetro do anel interno com 40 mm e foi montado em
um eixo de aço 1020 com diâmetro de 40 mm.
A metodologia seguida para o experimento deste método pode ser verificada
na Tabela 6.
Primeiramente fixou-se o eixo na morsa, após isso o rolamento foi
posicionado na superfície superior do eixo. As placas de apoio para distribuir a
tensão igualmente sobre o anel interno e externo do rolamento foram posicionadas e
iniciou-se os golpes no tubo de aço Os golpes foram repetidos até que o rolamento
se encontrasse na posição desejada no eixo, conforme ilustrado na Figura 20.
Figura 20 - MONTAGEM POR IMPACTO
Fonte: OS AUTORES
4.2.2 A Frio por Prensagem
Para este método foi executada a montagem de dois rolamentos de esferas
de contato angular, um com separador em bronze, anéis e elementos rolantes em
aço e outro com separador, anéis e elementos rolantes em aço.
O rolamento com separador em bronze possui diâmetro do anel interno 30
mm e foi montado em um eixo de aço 1020 com diâmetro de 30 mm, o rolamento
com separador em aço possui diâmetro do anel interno 50 mm e foi montado em um
eixo de aço 1020 com diâmetro de 50 mm.
A metodologia seguida para o experimento deste método pode ser verificada
na Tabela 6.
A montagem iniciou-se após o posicionamento do eixo, rolamento, placas de
apoio para distribuição de tensão na prensa. Após o posicionamento a alavanca da
45
prensa foi puxada em número de vezes suficientes para que o rolamento atingisse a
posição desejada no eixo, conforme Figura 21.
FIGURA 21 - MONTAGEM POR PRENSAGEM
Fonte: OS AUTORES
4.2.3 A Quente por Indução
Para este método foi executada a montagem de dois rolamentos de esferas
de contato angular e um rolamento autocompensador de esferas, um com separador
em bronze, anéis e elementos rolantes em aço, um com separador, anéis e
elementos rolantes em aço e outro com separador em poliamida, anéis e corpos
rolantes em aço. A escolha dos rolamentos foi feita devido ao material utilizado nos
separadores.
O rolamento com separador em bronze possui diâmetro do anel interno 30
mm e foi montado em um eixo de aço 1020 com diâmetro de 30 mm, o rolamento
com separador em aço possui diâmetro do anel interno 50 mm e foi montado em um
eixo de aço 1020 com diâmetro de 50 mm, o rolamento com separador em poliamida
possui diâmetro do anel interno 17 mm e foi montado em um eixo de aço 1020 com
diâmetro de 17 mm A metodologia seguida para o experimento deste método pode
ser verificado na Tabela 6.
46
O experimento inicia-se posicionando o rolamento no aquecedor indutivo e
fixando-se os sensores no anel interno e no separador do rolamento, conforme
ilustrado na Figura 22.
Figura 22 – POSICIONAMENTO DOS SENSORES
Rolamento
Sensores
Fonte: OS AUTORES
Para a leitura dos valores de temperaturas dos rolamentos foi desenvolvido
um aplicativo em LabView, conforme ilustrado na Figura 23, que permitiu o
armazenamento dos valores dos tempos e das temperaturas de aquecimento.
Figura 23 - APLICATIVO LABVIEW
Fonte: OS AUTORES
A leitura das temperaturas do anel interno e separador de cada rolamento foi
efetuada através de termopares que fixados nestes componentes, foram transferidas
para a placa de aquisição que se comunica com o PC. Para a leitura da temperatura
em ºC, foi necessário inserir no aplicativo um polinômio do nono grau para
47
conversão da força eletromotriz térmica fornecida pelo termopar em temperatura.
Esse polinômio pode ser visualizado na equação 7.
T = c 0 .u 0 + c1 .u 1 + c 2 .u 2 + c3 .u 3 + c 4 .u 4 + c5 .u 5 + c 6 .u 6 + c 7 .u 7 + c8 .u 8 + c9 .u 9
(7)
Onde:
T = Temperatura [ºC]
C0 ~ C9 = Coeficientes para termopar tipo K [adimensional]
U = Tensão [mV]
A montagem do rolamento foi feita logo que o aquecedor indutivo atingia a
temperatura de 110ºC, conforme Figura 24. Esta temperatura era controlada pelo
sensor do aquecedor indutivo que estava fixado no anel interno, sendo que no
momento que essa temperatura era alcançada o aquecedor se auto-desligava e
iniciava a desmagnetização do rolamento.
FIGURA 24 - MONTAGEM POR INDUÇÃO
FONTE: OS AUTORES
4.2.4 A Quente por Condução
Para este método foi executada a montagem de um rolamento de esfera de
contato angular e um rolamento autocompensador de esferas, ambos com
separador, anéis e elementos rolantes em aço.
48
O rolamento de contato angular possui diâmetro do anel interno 40 mm e foi
montado em um eixo de aço 1020 com diâmetro de 40 mm, o rolamento
autocompensador possui diâmetro do anel interno 50 mm e foi montado em um eixo
de aço 1020 com diâmetro de 50 mm.
A metodologia seguida para o experimento deste método pode ser verificada
na Tabela 6.
Para o início do experimento a chapa foi aquecida até a temperatura de
120ºC e aguardou-se por 5 minutos a estabilização da temperatura. O ajuste desta
temperatura foi controlado pelo seletor de temperatura do equipamento e através de
um sensor de um termopar, que fixado na chapa e ligado a um termômetro digital,
permitiu a visualização da variação da temperatura.
Colocaram-se os dois rolamentos sobre a chapa, pois a área da superfície
permitia o apoio e iniciou-se o aquecimento.
O anel interno de cada rolamento estava fixado a um termopar tipo K e este
acoplado à um termômetro digital que possibilitava a visualização da temperatura do
anel interno do rolamento. Logo que a temperatura do anel interno de cada
rolamento atingiu 110ºC, os mesmos foram retirados da chapa e montados no
respectivo eixo.
A situação ideal para a execução deste experimento seria a utilização de um
equipamento com tampa de isolamento térmico que possibilita menor perda de calor
para o meio externo. Devido à instituição não possuir um equipamento adequado
com isolamento térmico, o experimento foi executado com um equipamento sem
esta tampa, no entanto foi utilizada a temperatura final de aquecimento da chapa
com 120ºC, para compensar as perdas de calor por convecção para o meio e para
que os rolamentos atingissem a temperatura de 110ºC ideal para a montagem no
eixo.
4.2.4 A Quente por Convecção
Para este método foi executada a montagem de um rolamentos de esferas
de contato angular com separador em bronze, anéis e elementos rolantes em aço e
um autocompensador de esferas com separador, anéis e elementos rolantes em
aço.
49
O rolamento com separador em bronze possui diâmetro do anel interno 30
mm e foi montado em um eixo de aço 1020 com diâmetro de 30 mm, o rolamento
com separadores em aço possuíam diâmetros do anel interno 50 mm e foi montado
em um eixo de aço 1020 com diâmetro de 50 mm.
A metodologia seguida para o experimento deste método pode ser verificado
na Tabela 6.
A temperatura de aquecimento da estufa foi programada no seletor digital
deste equipamento para 110ºC. Após atingida a temperatura, aguardou-se por 10
minutos a estabilização para então iniciar o experimento. Os rolamentos foram
aquecidos de uma só vez na estufa devido ao espaço permitir a alocação de ambos.
O anel interno de cada rolamento estava fixado a um termopar tipo K através de um
sensor e este fixado à um termômetro digital que possibilitavam a visualização da
temperatura do anel interno do rolamento, conforme indicado na Figura 25.
Assim que a temperatura do anel interno de cada rolamento atingiu 110ºC,
eles foram retirados da estufa e montados nos respectivos eixos.
Figura 25 - MONTAGEM POR CONVECÇÃO
Fonte: OS AUTORES
50
5 RESULTADOS
Os resultados obtidos para cada método de montagem dos rolamentos
serão descritos detalhadamente nas seções que seguem.
5.1 MONTAGEM A FRIO POR IMPACTO
O método de montagem a frio por impacto acarretou uma deformação no
eixo conforme indicado na Figura 26.
Figura 26 - DEFORMAÇÃO NO EIXO
Fonte: OS AUTORES
5.2 MONTAGEM A FRIO POR PRENSAGEM
Após a montagem do rolamento pelo método a frio por prensagem, pode-se
verificar que o eixo apresentou riscos após a montagem que podem ser visualizados
na Figura 27.
51
Figura 27 – RISCOS NO EIXO
Fonte: OS AUTORES
5.3 MONTAGEM A QUENTE POR INDUÇÃO
Os resultados obtidos para cada tipo de rolamento, através do método de
montagem por indução, estão demonstrados através de gráficos que apresentam a
variação da temperatura do anel interno e do separador em função do tempo de
aquecimento para um melhor entendimento e compreensão dos resultados.
A Figura 28 ilustra o comportamento para o rolamento com separador, anéis
e corpos rolantes em aço. Pode-se observar uma diferença de aproximadamente 10
°C entre o separador em aço e o anel interno em aço após 138 segundos de
aquecimento. Isso pode ser explicado devido ao fato do separador possuir uma área
de fluxo de corrente menor que a do anel interno, influenciando na resistência do
material e consequentemente na energia dissipada conforme demonstrado na
equação 4.
A Figura 29 demonstra o resultado para o rolamento com separador em
poliamida e anéis e corpos rolantes em aço.
52
Figura 28 - TEMPERATURA X TEMPO PARA ROLAMENTO COM SEPARADOR EM AÇO
Temperaturas
Anel interno X Separador
120,00
110,00
100,00
90,00
80,00
T (º C)
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1
21
41
61
81
101
121
Tempo (s)
Separador em aço
Anel Interno em aço
Fonte: OS AUTORES
O gráfico da Figura 29 apresenta uma diferença de aproximadamente 40°C
durante um intervalo de 132 segundos de aquecimento em relação ao separador e o
anel interno. A diferença encontrada para o rolamento com separador em poliamida,
é muito superior ao rolamento com separador e anel em aço.
Como a poliamida é um material isolante, a diferença de temperatura ocorre
devido a corrente parasita que circula nesse componente possuir uma intensidade
menor que a corrente gerada no aço.
A Figura 30 ilustra o comportamento para um rolamento com separador em
bronze, anéis e corpos rolantes em aço.
O gráfico da Figura 30, para um rolamento com separador em bronze,
demonstra um comportamento oposto aos rolamentos com separadores em aço e
poliamida, pois para este caso o bronze sofre um aquecimento superior ao aço do
anel interno, chegando a aproximadamente 40°C após 192 segundos de
aquecimento. Como o bronze possui uma resistividade menor que a do aço, essa
diferença de temperatura pode ser comprovada pelo efeito Joule, conforme
demonstrado na equação 4.
53
Devido à dilatação térmica todos os rolamentos foram montados com
facilidade nos eixos, e verificou-se que não ocorreu nenhum tipo de deformação,
tanto no eixo quanto no rolamento.
Figura 29 - TEMPERATURA X TEMPO PARA ROLAMENTO COM SEPARADOR EM POLIAMIDA
Temperaturas
Anel interno X Separador
120,00
110,00
100,00
90,00
80,00
T (º C)
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1
21
41
61
Tempo (s)
Separador em polimida
81
101
121
Anel Interno em aço
Fonte: OS AUTORES
Figura 30 - TEMPERATURA X TEMPO PARA ROLAMENTO COM SEPARADOR EM BRONZE
Temperaturas
Anel interno X Separador
160,00
150,00
140,00
130,00
120,00
110,00
T (º C)
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1
21
41
61
81
101
121
Tempo (s)
Separador em bronze
Fonte: OS AUTORES
Anel Interno em aço
141
161
54
5.4 MONTAGEM A QUENTE POR CONDUÇÃO E CONVECÇÃO
Assim como na montagem a quente por indução, as montagens por
condução e convecção não apresentaram nenhum tipo de danificação no eixo e no
rolamento, sendo a montagem executada de maneira suave e precisa.
5.5 COMPARATIVO DOS RESULTADOS OBTIDOS
Na Tabela 7 que segue, pode ser visualizado o resultado comparativo entre
os métodos de montagem executados.
TABELA 7 - RESULTADOS OBTIDOS
1
Tempo de
Método de
preparação (s)
montagem
Tempo de
Montagem (s)
Danificação no
eixo
Danificação no
rolamento
A frio por
Impacto
60
90
Sim
2
A frio por
prensagem
60
80
Sim
2
A quente por
indução
170
20
Não
Não
A quente por
convecção
1200
20
Não
Não
Não
Não
A quente por
420
20
Não
condução
FONTE: OS AUTORES
NOTA:
1
Para os métodos a quente, considerado o tempo de aquecimento.
2
Usado dispositivos para evitar choques diretos nos rolamentos.
Não
5.6 CONSIDERAÇÕES
Para
este
trabalho,
não
foi
estudado
a
influência
da
área
e
consequentemente a massa do rolamento para analise dos efeitos após o
aquecimento indutivo, portanto fica a sugestão para continuidade do estudo, a
realização dessa análise, além do estudo de novas metodologias de montagem de
rolamentos, como por exemplo a montagem por injeção de óleo.
55
6 CONCLUSÃO
Os resultados dos experimentos dos métodos de montagem de rolamentos
em eixos mostraram-se eficientes na maioria dos casos, com ressalva para os
métodos a frio onde se observou pequenas deformações no eixo. Vale ressaltar que
os métodos devem ser escolhidos de acordo com a aplicação onde o rolamento
deverá ser utilizado e as características dimensionais e construtivas dos mesmos.
Para cada método estudado, obtiveram-se resultados positivos e negativos, e de
forma comparativa permite-se chegar a uma indicação mais apropriada do melhor
método a ser utilizado.
Os métodos de montagem de rolamentos a frio por impacto e por prensagem
apresentam como vantagens a rapidez e o baixo custo, pois não necessitam de
equipamentos especiais e dispensam o uso da energia elétrica. Apesar de serem os
métodos mais utilizados, não são recomendados, pois demonstraram grandes
possibilidades de danificações no eixo, conforme apresentado na Figura 26 e Figura
27. O fato do rolamento se encaixar sobre pressão ao longo do eixo, possibilita a
formação de riscos ou ranhuras na superfície do eixo. Para casos de eixos que
tenham a função de vedação ao longo de sua superfície e submetidos a montagens
de outros elementos de máquina que precisam de vedação, como exemplo um
retentor, a vedação poderá estar comprometida.
O método a frio por impacto também se mostrou limitado em relação aos
tamanhos dos elementos a serem montados, ou seja, rolamentos com diâmetro
interno superior a 40 mm necessitam de uma grande força de impacto para que o
movimento em relação ao eixo seja possível.
Os métodos de montagem de rolamentos a quente, por indução, condução e
convecção, apresentaram ótimos resultados no que diz respeito à integridade do
eixo. A montagem, a partir do aquecimento do rolamento, provoca a dilatação no
diâmetro do anel interno e este efeito possibilita uma montagem suave e sem danos
a superfícies do eixo. Estes métodos dispõem de mais tempo e maiores custos para
a execução da montagem, pois necessitam de equipamentos especiais, como o
aquecedor indutivo e a estufa, e despedem um alto do consumo de energia elétrica
56
durante o período de aquecimento. Além disso, deve-se ter cuidados em relação ao
controle da temperatura do rolamento.
O método a quente por indução apresentou uma montagem relativamente
rápida do rolamento. No entanto, notou-se uma desvantagem neste método que esta
relacionada ao efeito Joule, o qual provoca um maior aquecimento em materiais que
possuem maior condutividade elétrica, conforme demonstrado na Figura 29 e Figura
30. Este efeito pode ser explicado pela Equação 5 e Equação 6, da seção 3.2.1.4.
Tomando como exemplo, o experimento de montagem a quente com aquecedor
indutivo, realizado com o rolamento de esferas de contato angular com separador
em bronze e anel interno em aço e considerando que a área e o comprimento dos
componentes do rolamento são constantes, podemos afirmar, pela Equação 6, que a
resistência elétrica do separador em bronze é menor que a resistência elétrica do
aço. Portanto, a corrente elétrica induzida pelo campo magnético do aquecedor
indutivo no separador será maior do que a corrente elétrica induzida no anel interno
de aço do rolamento. Obviamente o material de bronze do separador terá uma
corrente parasita maior circulando no seu interior, fazendo com que a energia
dissipada seja maior neste material, aquecendo mais rapidamente que o aço do anel
interno do rolamento.
Como o controle da temperatura neste método de montagem é feito pelo
anel interno, para rolamentos com separador em bronze, há o risco de danificação
nesse material, devido à alta elevação de temperatura induzida pelo campo
magnético, causando pequenas alterações dimensionais permanentes.
O método a quente por condução e convecção apresentaram aquecimento
uniforme dos componentes do rolamento sem provocar qualquer danificação no eixo
ou no rolamento. Também apresentaram a vantagem de montar mais de um
rolamento devido aos espaços livres nas suas áreas de aquecimento. No entanto, o
método a quente por condução apresentou o maior tempo de montagem entre os
experimentos executados.
Com relação às estruturas dos materiais durante o aquecimento, tanto para
o material em aço como para o material em bronze, pode-se concluir através da
análise das curvas dos gráficos da Figura 31 e Figura 32 que o comportamento dos
57
materiais utilizados para rolamentos não sofrem alterações em sua estrutura quando
aquecidos na temperatura de 110°C, conforme indicação nas figuras.
Figura 31 - CURVA TTT AÇO 52100
Fonte: UFMG, 2007
NOTA:
Temperatura e tempo de aquecimento para montagem do rolamento.
Figura 32 - DIAGRAMA DE FASE DO BRONZE
Fonte: ASM, 2001
Nota:
Temperatura e percentual de estanho para montagem do rolamento.
58
Para rolamentos blindados, conclui-se que temperaturas de trabalho acima
de 120°C alteram a viscosidade do lubrificante podendo ocasionar a evaporação e
conseqüente redução da vida útil do rolamento.
59
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Metais: Brasil, 1981.
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60
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NSK. NSK Rolamentos. São Paulo, 2001. Catálogo Geral.
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61
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CALLISTER, Willian D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, Ed.
LTC: Rio de Janeiro, 2002
MELCONIAN, Sarkis. Elementos de Máquinas, Ed. Érica: São Paulo, 2000.
NIEMANN, Gustav. Elementos de Máquinas, Vol. 2, Ed. Edgard Blücher: São
Paulo, 1971.
62
ANEXO 1 - AJUSTE PARA EIXOS COM ROLAMENTOS RADIAIS
Diâmetro de Eixo em mm
Condições
Exemplos
Tolerância
Rolamentos de Rolos
Rolamentos AutoRolamentos
de Esferas Cilíndricos e de Rolos Cônicos compensadores de Rolos
Observações
C arg a ro tativa so b re o an el in tern o o u d ireção d e carg a in d eterm in ad a
C arg a fixa so b re o
an el in tern o
Rolamentos com Furo Cilíndrico
O anel interno
deve poder moverse facilmente no
eixo
Rodas em eixo
estacionário
O anel interno não
precisa mover-se
facilmente no eixo
Polias esticadoras,
polias de gorne
Carga leves e
variáveis
g6
h6
Aparelhos elétricos,
≤ 18
máquinas-ferramenta,
bombas, ventiladores,
vagonetes
(18)- - -100
(100)- - -200
---
≤ 18
Carga normais e
pesadas
Aplicações em geral,
motores elétricos,
turbinas, bombas,
motores de
combustão,
(18)- - -100
engrenagens,
máquinas para
(100)- - -140
trabalhar madeira
Cargas pesadas e Caixas de graxa para
cargas de choque locomotivas e outros
veículos pesados
em severas
condições de
sobre trilhos, motores
trabalho
de tração
Carga axial pura
Fonte: UFMG
---
Todos os diâmetros
Aplicações de toda
espécie
---
---
h5
≤ 40
(40)- - -140
(140)- - -200
≤ 40
(40)- - -100
(100)- - -200
j6
k6
m6
---
---
j5
≤ 40
≤ 40
k5
(40)- - -100
(40)- - -65
m5
(140)- - -200
(100)- - -140
(65)- - -100
m6
(200)- - -280
(140)- - -200
(100)- - -140
n6
-------
(200)- - -400
-----
(140)- - -280
(280)- - -500
> 500
p6
r6
r7
---
(50)- - -140
(50)- - -100
n6
-------
(140)- - -200
-----
(100)- - -140
(140)- - -200
(200)- - -500
p6
r6
r7
Todos os diâmetros
j6
Para aplicações de alta
precisão,
principalmente quando
são usados rolamentos
com precisão maior
que a normal,
recomenda-se j5,k5 e
m5 ao invés de j6,k6 e
m6
Para rolamentos de
rolos cônicos, pode-se
em geral usar k6 e m6
ao invés de k5 e m5
respectivamente, pois
na aplicação deste tipo
de rolamento não é
nessessário considerar
a diminuição da folga
interna
Devem ser usados
rolamentos com folga
maior que a normal
---
63
Fonte: UFMG
ANEXO 2 - TOLERÂNCIA PARA EIXOS
64
ANEXO 3 - DESENHO DOS EIXOS
Fonte: OS AUTORES
65