Aula 5 Elementos I

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Universidade Federal do Pará – UFPA
Campus Universitário de Tucuruí – CAMTUC
Faculdade de Engenharia Mecânica – FEM
Tucuruí
2014
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Elementos de Máquina I - UFPA - FEM
Disciplina: Elemento de Máquinas I
Prof. Eng.º Maciel da Costa Furtado
Objetivo: Identificar os principais tipos de rolamentos e suas aplicações
Aula 5: Mancais de Elementos Rolantes 
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Elementos de Máquina I - UFPA - FEM
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Elementos de Máquina I - UFPA - FEM
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Rolamentos são elementos criados com a finalidade de diminuir ao máximo as perdas de energia causadas pelo atrito. São geralmente constituídos de dois anéis concêntricos, entre os quais são colocados elementos rolantes como esferas, roletes e agulhas. O anel externo é fixado num mancal externo, enquanto que o anel interno é fixo no eixo.
Introdução
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Considerações
Vantagens: 
menor atrito e aquecimento; 
baixa exigência de lubrificação; 
intercambialidade internacional; 
não há desgaste do eixo; 
Desvantagens:
maior sensibilidade aos choques; 
maiores custo de fabricação; 
tolerância pequena para a carcaça e alojamento do eixo; 
não suporta cargas tão elevadas como os mancais de deslizamento; 
ocupa maior espaço radial. 
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Forma de Seleção de um Rolamento
Os rolamentos são selecionados conforme: 
as medidas do eixo; 
o diâmetro interno (d); 
o diâmetro externo (D); 
a largura (L); 
o tipo de solicitação; 
o tipo de carga; 
Frequência de rotação. 
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Nomenclatura
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Tipos de Mancais de Rolamentos
Rolamentos de esferas
(a) Entalhe de enchimento
(b) Contato angular 
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Tipos de Mancais de Rolamentos
Rolamentos de esferas de carreira dupla
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Tipos de Mancais de Rolamentos
Rolamentos de esferas (d) Auto alinhado internamente, (e) Auto alinhado externamente e (f) de escora ou axial
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Tipos de Mancais de Rolamentos
Rolamentos com vedação e blindagem
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Tipos de Mancais de Rolamentos
Mancais de rolos cliíndricos
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Tipos de Mancais de Rolamentos
Mancais de rolos esféricos 
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Tipos de Mancais de Rolamentos
Rolamentos de rolos cônicos
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Geometria do mancal com rolete cônico
Tipos de Mancais de Rolamentos
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Dimensões dos Mancais de Rolamentos
Ressalta-se que informações detalhadas sobre os ajuste utilizados em mancais são fornecidas nas literaturas dos fabricantes e nas normas ANSI e AFBMA. 
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Dimensões dos Mancais de Rolamentos
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Vida do Mancal
Medidas comuns de vida são as seguintes:
Número de revoluções do anel interno (anel externo estacionário), até a primeira evidência tangível de fadiga;
Número de horas de uso a uma velocidade angular padronizada, até a primeira evidência tangível de fadiga;
Padrões de falha são especificados pela ABMA (American Bearing Manufacturers Association);
O critério de fadiga empregado pela Timken Company são a “lascagem” ou o crateramento de uma área de 0,01 in² nas pistas do rolamento.
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Vida do Mancal
Vida nominal é o termo empregado para um grupo de mancais de esferas ou de rolos nominalmente idênticos definido como sendo o número de revoluções (ou horas a uma velocidade constante) que atingirão ou excederão 90 % de um grupo de mancais, antes que o critério de falha se manifeste.
Os termos vida mínima ou L10 são também utilizados como sinônimos para vida nominal. Corresponde a 10 % das revoluções até a falha dos grupos de mancais. 
Vida mediana é a vida de 50% da vida de um grupo de mancais. Gira em torno de quarto a cinco vezes da vida L10.
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Distribuição típica da vida de mancais de elementos rolantes (Fig. 11-22, pag. 658)
Vida do Mancal
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Carga e Vida do Mancal na Confiabilidade Especificada
	A vida L para outros percentuais de falha além do padrão 10% pode ser calculada pela multiplicação da viga L10 por um fator de confiabilidade KR tomado da curva de distribuição de Weibull que este obedece.
Onde: L é a vida em fadiga expressa em milhões de revolução. Os fatores KR de Weibull para vários percentuais são mostrado na tabela a seguir.
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Carga e Vida do Mancal na Confiabilidade Especificada
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Carga dinâmica básica de Classificação
Uma vez que o tipo de mancal apropriado para aplicação tenha sido escolhido com base nas considerações discutidas anteriormente, seleção de um mancal de tamanho apropriado depende das magnitudes de carga estática e dinâmicas aplicadas e da vida desejada até a fadiga 
Mancais de esferas:
Mancais de rolos:
Onde: L10 é a vida em fadiga expressa em milhões de revoluções, P é a carga constante aplicada e C é a carga dinâmica básica de classificação
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Seleção de Mancais de Elementos Rolantes
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Carga dinâmica básica de Classificação
Combinando as Eq. (2) e (3) com a Eq. (1) para obter a expressão para a vida de um mancal qualquer taxa de falha selecionada :
Mancais de esferas:
Mancais de rolos:
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Seleção de Mancais de Elementos Rolantes
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Classificação da Vida Modificada do Mancal
A ASME e ISO adotaram recentemente um novo padrão para cálculo da vida de mancais de rolamento. O novo padrão também inclui os efeitos de uma tensão hetziana. Esse novo padrão também inclui os efeitos de uma série de fatores tais como fricção, tensão circular de ajuste de pressão, condição de lubrificação e limpeza, cargas centrífugas, entre outras. Todos esses fatores são combinados em fator de tensão-vida Asl que é então aplicado ao valor tradicional L10 das Eq. (4) e (5).
Seleção de Mancais de Elementos Rolantes
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Carga Estática Básica de Classificação C0
Os fabricantes de mancais publicam a carga básica estática de classificação C0 para cada mancal, calculado de acordo com as padronização da AFBMA. Esse carregamento pode as vezes ser excedido sem falha, especialmente se as velocidades de rotação forem baixas, o que evita o problema de vibração. Em geral, requer-se uma carga de 8C0 ou mais para fraturar um mancal. A figura 11-23 mostra uma página do catálogo de um fabricante de mancal que especifica o valor C0 para cada mancal. 
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Exemplo: Seleção de Mancal de Esferas Para um Eixo projetado
Problema: Selecionar mancais de radiais de esferas para o eixo mostrado na Fig. (11-5).
Dados: As cargas transversais máximas no eixo na posição dos mancais são 16 lb em R1 e 54 lb em R2. como a carga em R2 é 4× aquele em R1, o projeto pode ser criado para R2 e usado também para R1. O diâmetro do eixo em R1 e R2 é 0,591 in, baseado na escolha de tentativa de uma mancal de 15 mm de diâmetro interno. Velocidade do eixo é 1725 rpm.
Hipótese: as cargas axiais são desprezíveis. Uma taxa de falha de 5% é desejável.
Encontre: as vidas de fadiga dos mancais para ambas as posições no eixo.
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Solução
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Carga Radial e Axial Combinadas
Se as cargas axial e radial forem aplicadas no mancal, uma carga equivalente deve ser calculada para o uso na Eq. (4) e (5). AFBMA recomenda a seguinte equação:
Seleção
de Mancais de Elementos Rolantes
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Onde: P é a carga equivalente, Fr é a carga radial constante aplicada, Fa a força axial constante aplicada, V é uma fator de rotação (ver Figura 11-24), X é um fator radial (ver Figura 11-24) e Y um fator axial (ver Figura 11-24).
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Carga Radial e Axial Combinadas
O fator de rotação V é 1 para um mancal com um anel interno rodando. Se o anel externo rodar, V é aumentado para 1,2 para certos tipos de mancais. Os fatores X e Y variam com o tipo de mancal e se relacionam à habilidade do tipo de mancal em acomodar cargas axiais bem como radiais. Os valores de de V, X e Y são definidos pelo fabricante de mancais em tabelas como a reproduzida na Fig. 11-24.
Seleção de Mancais de Elementos Rolantes
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Carga Radial e Axial Combinadas
Um fator e também é especificado para os tipos de mancais na Fig. 11-24 e define a razão mínima entre as forças axial e radial abaixo da qual a força axial pode ser ignorada (calculada igual a zero) na Eq. (7)
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Seleção de Mancais de Elementos Rolantes
Procedimento de Cálculo
As Eq. (4), (5), (6) e (7) podem ser resolvidas conjuntamente para qualquer situação na qual a força aplicada ou a vida desejada de fadiga seja conhecida. Normalmente, as cargas radial e axial que atuam na localização de cada mancal serão conhecidas a partir da análise de cargas de projeto. Frequentemente, um tamanho aproximado do eixo será conhecido a partir dos cálculos de tensões e deformações. É preciso, então, consultar um catálogo de mancais, selecionar um mancal de teste e extrair os valores de C, C0, V, X, e Y. A carga efetiva P pode ser encontrada pelas Eq. (6) e (7) e usada nas Eq. (4) e (5) com C para encontra a vida prevista de fadiga L.
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Seleção de Mancais de Elementos Rolantes
Procedimento de Cálculo
Alternativamente, sendo que V, X e Y dependem somente do tipo, mas não do tamanho de um mancal, eles podem ser determinados primeiro e as Eq. (4), (5), (6) e (7) resolvidas simultaneamente para o valor do fator de carga dinâmica C requerido para alcançar a vida desejada L. Os catálogos de mancais podem ser consultados para encontrar um mancal de tamanho conveniente com o valor necessário de C. Em ambos os casos, a carga estática deve também comparada ao fator de carga estática C0 para o mancal escolhido para se precaver contra deformações excessivas. 
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Exemplo: Seleção de Mancal de Esferas Para Cargas Radial e Axial Combinadas
Problema: Selecionar mancais de esferas de ranhura funda para o carremento especificado e a vida desejada.
Dados: A carga radial Fr = 1686 lb (7500 N) e a carga axial Fa = 1012 lb (4500 N). A velocidade do eixo é 2000 rpm.
Hipótese: Um mancal de esfera do tipo Conrad de ranhura profunda será usado. O anel interno gira.
Encontre: Um mancal de tamanho conveniente para uma vida dada L10 = 5.108 revoluções.
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Detalhes da Montagem dos Mancais
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Detalhes da Montagem dos Mancais
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Mancais Especiais