Projeto de Rolamentos e Cabos de aço

Prévia do material em texto

PROJETO DE COMPONENTES 
MECÂNICOS 
AULA 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Julio Almeida 
 
 
CONVERSA INICIAL 
Olá! Seja bem-vindo(a) à nossa quinta aula de Projeto de Componentes 
Mecânicos. 
Nesta aula, veremos os conceitos gerais dos mancais de rolamentos, 
bem como particularidades e características dos cabos de aço. 
Figura 1 – Exemplos de mancais 
 
 
Fonte: SKF Brasil Rolamentos. 
 
Fonte: Quality Fix. 
Existem, em termos práticos, dois tipos básicos de mancais: os mancais 
de rolamentos e os mancais de deslizamento. Nesse segundo grupo 
normalmente se inserem os mancais utilizados nas aplicações industriais em 
geral, dada sua maior gama de alternativas em termos de solução. 
 
 
3 
Os mancais de rolamentos são costumeiramente utilizados em sistemas 
de transmissão de potência, objetivando dar apoio e sustentação aos eixos 
correspondentes. São dispositivos padronizados, que podem suportar cargas 
radiais, axiais, ou, ainda, a combinação desses tipos de carregamento, 
trabalhando numa boa faixa de rotações e ainda exigindo apenas uma pequena 
manutenção. Na sua concepção tradicional, são compostos por pistas interna e 
externa, corpos rolantes (esferas ou rolos) e separadores (gaiolas). 
Já os cabos de aço correspondem a dispositivos utilizados normalmente 
na elevação e transporte de cargas. São componentes metálicos formados por 
um núcleo central de aço ou de fibra, ao redor do qual pernas (formadas a 
partir de um conjunto de arames) são enroladas e torcidas. Dependendo do 
tipo a ser considerado, podem ser selecionadas em formações que permitem 
uma maior flexibilidade ou uma maior resistência ao desgaste e abrasão. 
Quando em funcionamento, contemplam, na maioria dos casos, a presença de 
roldanas e tambores, dispositivos esses que caracterizam uma condição de 
falha adicional em decorrência da flexão que o cabo sofre ao passar através 
deles. 
CONTEXTUALIZANDO 
Os mancais de rolamentos ou, simplesmente, rolamentos apresentam 
uma grande variabilidade em termos dos modelos ou tipos disponíveis 
comercialmente. Os fabricantes em geral disponibilizam essas informações em 
termos de ábacos comparativos, por meio dos quais torna-se possível 
identificar qual o tipo de rolamento que melhor se adapta a elevadas rotações, 
cargas radiais e axiais, e ainda em condições nas quais o eixo possa vir a 
apresentar problemas de desalinhamento, por exemplo. De posse ou a partir 
da definição do tipo do rolamento a ser considerado no projeto, existem 
equações que permitem relacionar a carga ou solicitação atuante sobre o 
rolamento em função da expectativa de vida desejada para que ele venha a 
trabalhar sem ocorrência de falhas. Essa expectativa de vida pode ser avaliada 
em termos de milhões de revoluções ou em horas de funcionamento. 
Quanto aos cabos de aço, faz-se uma avaliação preliminar no contexto 
do tipo (configuração) do cabo a ser considerado, definindo-se o tipo de alma 
(aço ou fibra), características desejadas para o seu funcionamento, como 
flexibilidade e resistência à abrasão, por exemplo, e, por fim, a sua 
 
 
4 
configuração final em termos de número de pernas e número de arames em 
cada perna. O tipo de enrolamento do cabo e as dimensões de polias e 
tambores a serem utilizados também se fazem importantes nesse momento. 
De posse dessas informações, torna-se possível efetivar o cálculo da máxima 
solicitação à qual o cabo será submetido e a definição do diâmetro necessário 
para ele. 
Dentro dessa perspectiva, cabe questionar: quando devo optar pela 
utilização de um mancal de rolamento ou um mancal de deslizamento? O que 
acontece quando se opta por um cabo de aço com alma de fibra em 
substituição a um cabo com alma de aço? Quais são as solicitações presentes 
no dimensionamento ou seleção de um cabo de aço? 
TEMA 1 – ROLAMENTOS: GENERALIDADES 
Conforme descrito anteriormente, os rolamentos são basicamente 
compostos por: pista interna, pista externa, corpos rolantes e separadores. Os 
corpos rolantes podem ser esferas ou rolos, sendo que os rolamentos de rolos 
são preferidos quando se dispõe, comparativamente, de cargas de maior 
intensidade. Os rolamentos de esferas têm um único ponto de contato, 
enquanto nos de rolos a área de contato está vinculada a uma linha, 
caracterizando com isso uma melhor distribuição de carga. Esses rolamentos 
podem ainda ser divididos em radiais e axiais, ou seja, rolamentos que têm 
uma boa aceitação para a condição exclusiva de cargas radiais ou axiais, 
apesar de haver uma boa quantidade de rolamentos que suportam a 
combinação desses carregamentos. 
No contexto das falhas, pode-se garantir que, caso se disponha de 
lubrificante em quantidade e qualidade adequadas, a falha ocorrerá apenas por 
fadiga superficial, seguindo ainda a distribuição estatística de Weibull. Nesse 
contexto, os rolamentos são projetados segundo a premissa de que 90% dos 
mancais (aleatórios) avaliados alcancem ou excedam suas cargas de projeto 
quando aplicada determinada carga. Trata-se do conceito de vida nominal – 
L10. 
Como definição de vida nominal pode-se considerar que se trata do 
número total de revoluções (ou horas de funcionamento) em operação (em 
carga constante) até que o critério de falha seja desenvolvido. 
 
 
5 
 
Figura 2 – Partes principais de um rolamento 
 
 
 
Figura 3 – Vida do mancal 
 
Figura 4 – Tipos de rolamentos em relação às cargas atuantes 
 
 
 
6 
 
 
Fonte: SKF Brasil Rolamentos. 
TEMA 2 – ROLAMENTOS: TIPOS 
Comercialmente, existe uma boa variabilidade de tipos de rolamentos 
disponíveis. Nesse contexto, podem-se destacar como principais tipos: 
a. rolamentos rígidos de esferas – devem ser considerados como o ponto 
de partida de projeto, por serem os mais comuns, suportarem cargas 
combinadas e permitirem elevadas rotações. 
b. autocompensadores de esferas – similares ao fixo de esferas, mas 
próprios para eixos longos e situações específicas de desalinhamentos. 
c. contato angular – permite cargas combinadas, com a parcela de carga 
axial num único sentido, motivo pelo qual são normalmente utilizados 
aos pares. 
d. autocompensador de rolos – próprio para situações de desalinhamentos 
e grandes carregamentos. 
e. rolos cilíndricos – para grandes cargas radiais e nenhuma carga axial. 
 
 
7 
f. rolos cônicos – permitem grandes cargas axiais, são desmontáveis e 
normalmente utilizados aos pares. A inclinação do rolo pode ser uma 
restrição ao carregamento. 
g. axiais de esferas – não suportam cargas radiais, não suportam altas 
rotações e exigem um bom posicionamento do eixo. 
h. agulhas – para restrições de dimensões no sentido radial, cargas 
bruscas e baixas rotações. 
Figura 5 – Tipos mais comuns de rolamentos 
 
 
Fonte: SKF Brasil Rolamentos. 
TEMA 3 – ROLAMENTOS: SELEÇÃO 
Antes de apresentar as equações básicas para a seleção do tamanho do 
rolamento a ser considerado para um determinado nível de carregamento, 
torna-se necessário apresentar a definição de dois conceitos-chave para o 
dimensionamento de rolamentos. Trata-se dos conceitos de capacidade de 
carga dinâmica e capacidade de carga estática. 
Capacidade de Carga Dinâmica (C10) – valor que expressa a carga (do 
fabricante) que permitirá ao rolamento atingir 1 milhão de revoluções (ISO 
281/I-1977). 
Capacidade de Carga Estática (Co) – valor que expressa a carga que 
causará uma deformação permanente total do corpo rolante e das pistas, 
correspondente a 0,0001 do diâmetro do corpo rolante. 
 
 
8 
Ambos os conceitos estão diretamente relacionados com as equações 
gerais a serem consideradas para o dimensionamento de rolamentos, na 
forma: 
/a
.n.Lh
F.C
1
610 10
60






 
.FaY.FrXP ii  
Onde: 
F = carga atuante no rolamento; 
Lh = vida esperada (em horas); 
n = rotação do eixo (rpm); 
a = 3 – mancais de esferas; 
a = 10/3 – mancais derolos; 
Fr = carga radial no rolamento; 
Xi = fator de carga radial (tabelado); 
Fa = carga axial no rolamento; 
Yi = fator de carga axial. 
Notemos que, primeiramente, deve-se efetivar uma avaliação da carga 
equivalente atuante sobre o rolamento (caso o rolamento suporte essa 
condição), mediante o uso de fatores de carga (X, Y) que são tabelados em 
função do tipo do rolamento considerado. A seguir, é reproduzida essa 
informação para o caso geral de rolamentos de esferas. 
Tabela 1 – Fatores de carga para mancais de esferas 
 
Fonte: Shigley. 
 
 
9 
De posse dessa carga equivalente, faz-se aplicação da equação geral 
dos rolamentos, que relaciona a capacidade de carga dinâmica (a qual 
corresponde a um valor típico de cada fabricante) com a expectativa de vida 
em horas de funcionamento. Normalmente se estabelece um valor mínimo 
necessário para a referida capacidade de carga dinâmica, para, posteriormente 
e mediante uma consulta a tabelas do gênero, definir-se a dimensão 
necessária para o rolamento considerado. A tabela a seguir apresenta um 
exemplo dessa situação para o caso de rolamentos rígidos de esferas (sulco 
profundo) e rolamentos de contato angular. 
Tabela 2 – Capacidades de carga estática e dinâmica para rolamentos 
 
Fonte: Shigley. 
TEMA 4 – CABOS DE AÇO: GENERALIDADES 
 Cabos de aço são dispositivos metálicos formados por um núcleo central 
de aço ou de fibra e por pernas (formadas a partir de um conjunto de arames), 
que são enroladas e torcidas ao redor desse núcleo. São normalmente 
utilizados no transporte e elevação de cargas, podendo, entretanto, ter uma 
aplicação bem mais ampla, contemplando as indústrias da construção civil, 
 
 
10 
mineração, siderurgia, elevadores, pesca, eletrificação, petróleo e gás e 
equipamentos em geral, entre outras. 
Figura 6 – Partes componentes de um cabo de aço 
 
A configuração das pernas de um cabo afeta diretamente as suas 
características funcionais, dado que se pode optar por um cabo com maior 
resistência à abrasão e menor resistência à fadiga, por exemplo, em detrimento 
de outra configuração que garanta o efeito contrário. Nesse contexto, podem-
se destacar as principais configurações de pernas da seguinte forma: 
a. perna comum de capa simples – composição mais simples disponível, 
na qual todos os arames possuem o mesmo diâmetro. 
b. perna SEALE – composição utilizada quando a resistência à abrasão é 
preponderante. 
c. perna FILLER – composição que apresenta arames muito finos entre 
duas camadas, visando garantir uma maior área de contato e uma maior 
resistência ao esmagamento. 
d. perna WARRINGTON – composição indicada para resistência ao 
desgaste e à fadiga, caracterizando-se por uma camada exterior 
formada por arames de dois diâmetros diferentes e alternados. 
Figura 7 – Tipos de pernas para cabos de aço 
 
Fonte: CIMAF. 
 
 
11 
A alma do cabo de aço, além de dar suporte às pernas, tem por objetivo 
principal fazer com que o carregamento externo seja uniformemente distribuído 
ao longo do cabo. Podem ser confeccionadas em fibras ou em aço-carbono, 
sendo que as almas de fibra (sintéticas ou naturais) garantem uma maior 
flexibilidade ao cabo, enquanto as de aço permitem o uso em temperaturas 
mais elevadas e apresentam menor deformação quando carregados. 
Figura 8 – Tipos de almas para cabos de aço 
 
Fonte: CIMAF. 
Por fim, no contexto da especificação de um cabo de aço, deve-se 
considerar o número de pernas, o número de arames por perna, o tipo de alma 
e a especificação do tipo de perna considerada. O exemplo a seguir ilustra 
essa condição: 
 
 
12 
Figura 9 – Especificação típica de um cabo de aço 
 
Fonte: CIMAF. 
6 x 7 AF: 
 6 pernas; 
 7 arames por perna; 
 alma de fibra. 
Figura 10 – Tambores e polias: exemplos 
 
Fonte: Enquip limitada. 
 
Fonte: Usinagem Mundial. 
TEMA 5 – CABOS DE AÇO: SELEÇÃO 
A seleção de um cabo de aço corresponde, num contexto geral, à 
determinação do diâmetro necessário para uma determinada solicitação em 
 
 
13 
termos de carregamento. A especificação do cabo, nesse momento, já deve ser 
conhecida e definida a partir das premissas correspondentes à aplicação dele 
(flexibilidade, resistência à abrasão e à fadiga, entre outros). 
Dessa forma, tem-se: 
uFw.l)
m
W
(Ft  
cabo
u
A
Fu 
Onde: 
Ft = carga total sobre o cabo; 
W = carga externa sobre o cabo; 
m = número de cabos; 
w = peso do cabo por unidade de comprimento (tabelado); 
l = comprimento do cabo; 
u = resistência do cabo (tabelado); 
Fu = carga limite do cabo. 
Tabela 3 – Dados gerais de cabos de aço 
 
Fonte: Shigley. 
 
 
14 
FINALIZANDO 
Finalizando, em nossa quinta aula vimos importantes conceitos no 
contexto dos mancais de rolamentos e dos cabos de aço. Mancais de 
rolamentos foram avaliados no contexto das suas principais particularidades e 
tipos, como também em termos da seleção do tamanho do rolamento 
necessário para uma determinada aplicação. No contexto do tópico cabos de 
aço, evidenciaram-se, além das suas particularidades e aplicações, os tipos de 
pernas, tipos de almas e características gerais no contexto da escolha do tipo a 
ser considerado. O dimensionamento do diâmetro do cabo para uma 
determinada condição de carregamento externo também foi avaliado, 
garantindo com isso uma seleção compatível e segura desse importante 
dispositivo, presente em muitas aplicações práticas correspondentes. 
Após esta aula, o(a) aluno(a) será capaz de reconhecer e identificar os 
principais tipos de rolamentos, suas principais características e 
funcionalidades, como também reconhecer e avaliar premissas associadas aos 
principais tipos de cabos de aço. Projetos e cálculos simplificados e 
necessários para cada tipo de aplicação também fizeram parte do escopo, 
possibilitando ao(à) aluno(a) condições para uma verificação ou 
dimensionamento correspondente. 
Leitura complementar 
Capítulos 14.2 – Tipos de rolamentos, 14.3 – Rolamentos axiais e 14.6 – 
Relação entre carga e vida, do livro-texto. 
 
 
 
15 
REFERÊNCIAS 
BUDYNAS, R. G.; NISBETT, J. K. Elementos de máquinas de Shigley. São 
Paulo: Bookman, 2013. 
CIMAF. Manual técnico de cabos. Osasco: CIMAF, 2012. 
ENQUIP LIMITADA. Disponível em: <http:// www.enquip.com.br>. Acesso em: 
19 nov. 2017. 
HAMROCK, B. J. Elementos de máquinas. Nova York: McGraw-Hill, 2004. 
MOTT, R. Elementos de máquinas em projetos mecânicos. São Paulo: 
Pearson, 2005. 
QUALITY FIX. Disponível em: <http://qualityfix.com.br>. Acesso em: 19 nov. 
2017. 
SKF Brasil Rolamentos. Disponível em: <http://www.skf.com.br>. Acesso em: 
19 nov. 2017. 
USINAGEM MUNDIAL. Disponível em: <http://usinagemmundial.com.br>. 
Acesso em: 19 nov. 2017.