Arranjo de rolamentos em caixas de engrenagens: extremidade fixa versus flutuante e como as cargas do engrenamento escolhem o tipo

Esta caixa de engrenagens precisa mesmo de uma extremidade fixa e uma flutuante?

Um eixo sobre dois ou três rolamentos precisa de um rolamento fixado que determine sua posição axial, mesmo quando o empuxo é desprezível¹⁰.

Quando os apoios estão distantes entre si, o eixo e a carcaça crescem em quantidades diferentes, e um rolamento deve flutuar para que o crescimento diferencial não crie um empuxo parasita¹⁰. O mesmo vale para um empilhamento de tolerâncias axiais entre as duas posições de rolamento¹⁰.

O movimento térmico é absorvido de uma de duas maneiras. Um rolamento flutuante deixa o eixo deslizar axialmente, ou uma folga interna projetada absorve a variação; folga radial maior convém a um anel interno mais quente, e essa folga se fecha conforme o eixo se expande⁴.

Rolamentos de rolos cilíndricos NU/N podem absorver o deslocamento dentro do próprio rolamento²³. Um eixo de redutor longo, com distância significativa entre os apoios, é o caso em que são exigidos um rolamento fixo e um flutuante¹⁰.

Um eixo curto cuja contração não afeta muito a operação é o caso em que os dois lados não precisam ser distinguidos. Um par combinado de rolamentos de contato angular ou cônicos assume então a carga axial, com folga ajustada por porcas ou calços²².

Essa é uma divergência genuína entre as fontes, não um limite que se possa ler: nenhuma fonte indica o comprimento do eixo ou o espaçamento a partir do qual o rolamento flutuante se torna necessário^10,12,22.

Antes de fixar o arranjo, peça ao seu fornecedor ou projetista de engrenagens a diferença de temperatura esperada entre eixo e carcaça nos assentos dos rolamentos, e o empilhamento de tolerâncias axiais entre as duas posições. Nenhum desses números está neste conjunto de fontes, e ambos decidem se a flutuação é necessária.

Qual tipo de rolamento pertence à extremidade flutuante

A posição flutuante é melhor servida por um rolamento de rolos cilíndricos com uma pista reta, porque os rolos lubrificados deslizam ao longo do caminho reto e absorvem o deslocamento axial dentro do próprio rolamento¹⁰.

A SKF descreve os mesmos desenhos N e NU para posições não fixadas em que a expansão térmica do eixo deve ser acomodada²³.

Se em vez disso você usar um rolamento não separável no lado livre, a prática usual é um ajuste com folga entre o anel externo e a carcaça, ou em alguns casos entre o eixo e o anel interno. Assim o eixo pode mover-se através do rolamento¹².

Rolamentos rígidos de esferas, de esferas de contato angular de duas carreiras, cônicos TDO e de rolos esféricos são todos tratados assim quando ficam no lado livre¹⁰.

Um detalhe que pega muita gente: um rolamento de rolos cilíndricos usado como rolamento flutuante ainda precisa que seu anel externo seja retido, porque ele não está preso ao anel interno e pode caminhar².

A mesma fonte observa que o rolo largo e plano pode agitar o óleo gravemente se muito óleo ficar retido nessa área, então o gerenciamento do óleo importa se a eficiência é um motor². Verifique no desenho da carcaça o ajuste que você pretende na posição flutuante antes de a RFQ sair.

Um NU/N separável precisa de um recurso de fixação para o anel externo; uma alternativa não separável precisa do ajuste com folga escrito no desenho, não deixado ao maquinista.

Escolher o tipo da extremidade fixa pela carga axial que ele deve suportar

O lado fixo define a posição axial do eixo e deve assumir carga axial em ambos os sentidos, então seu tipo é escolhido pela capacidade sob essa carga¹².

A lista de candidatos é ampla: rígidos de esferas, pares combinados ou empilhados de contato angular, duas carreiras de contato angular, rolamentos oscilantes de esferas, rolos cilíndricos com flange (NUP e NH), cônicos de duas carreiras e de rolos esféricos¹².

Qual escolher depende da magnitude da carga, da velocidade e da rigidez necessária, e nenhuma fonte nomeia um único tipo obrigatório para uma extremidade fixa de redutor¹². Onde o crescimento térmico produz uma força de reação axial, rolos cônicos em par oposto assumem por projeto as componentes axial e radial juntas²¹.

Rolamentos de contato angular geram uma força de componente axial própria, por isso um par é disposto em O ou em X¹⁸. Rolamentos de rolos esféricos se autoalinham enquanto suportam cargas combinadas radiais e axiais pesadas, e são citados como comuns em redutores¹¹.

Em um eixo vertical com carga axial pesada, o lado fixo ainda recebe um rolamento que suporte carga radial e axial juntas. E um rolamento de empuxo pode ser adicionado ao lado de um radial quando a carga axial é grande²².

Passe ao fornecedor a carga axial em ambos os sentidos e a rigidez exigida, não apenas o furo. A lista de candidatos é longa o bastante para que o caso de carga, e não a página do catálogo, tenha de reduzi-la.

Ajustar a direção da carga do engrenamento ao tipo de rolamento

Os rolamentos veem cargas radiais perpendiculares ao eixo do rotor e cargas axiais ao longo dele, e muitos desenhos suportam ambas ao mesmo tempo, com a estrutura interna otimizada para a direção e a magnitude dominantes¹⁷.

Tipo, magnitude e direção da carga são o primeiro fator de seleção, à frente de velocidade, temperatura e espaço⁹. Engrenagens retas de dentes retos não geram carga axial, de modo que uma caixa pode operar inteiramente com rolamentos cilíndricos cujos ressaltos têm a única função de manter o eixo no lugar².

Esse é o caso em que superespecificar um rolamento de carga combinada não compra nada. Quando o engrenamento produz carga axial, o lado fixo precisa de um tipo que a suporte: rolos cônicos assumem juntos carga radial e axial unidirecional e são tipicamente usados em pares, enquanto rolos cilíndricos assumem apenas carga radial pura¹⁴.

As variantes de rolos cilíndricos diferem aqui, e a diferença importa na RFQ. Os desenhos NU e N assumem apenas carga radial; NJ assume carga axial em um sentido; NUP ou NJ+HJ em ambos²³.

Para carga combinada, a carga dinâmica equivalente é P = XFr + YFa, com o limite e decidindo se o termo axial conta de todo¹⁸. Determine se o seu engrenamento produz força axial antes de escolher o tipo da extremidade fixa.

Se não produz, o arranjo inteiramente cilíndrico é uma prática citada; se produz, o lado fixo deve suportar essa força em ambos os sentidos.

Definir a base de vida e confiabilidade antes de se comprometer com um tamanho

A vida é calculada conforme a ISO 281 como L10 a partir da carga dinâmica básica do rolamento e da carga dinâmica equivalente, usando cargas de pico que incluem partida, regime permanente e parada de emergência^5,24.

Confiabilidade acima de 90% é tratada por um fator a1 aplicado a esse resultado: 1,00 em L10, 0,64 em L5 e 0,25 em L1²⁶. Se a vida ajustada for inaceitável, a resposta é um rolamento com maior capacidade dinâmica, não um arranjo diferente²⁶.

O alvo em si é específico da aplicação. É definido por normas do setor ou política da empresa e pela frequência de operação do equipamento — intermitente versus contínuo, turnos por dia, dias por semana³¹.

Nenhuma fonte neste conjunto indica um alvo L10h exigido, um fator de segurança estático ou dinâmico, ou um valor aISO para um redutor, então esses dados devem vir da sua própria especificação de operação. Faça o cálculo L10 no candidato escolhido e aplique depois o fator a1 para a confiabilidade de que realmente precisa.

Se o número ficar curto, aumente a capacidade dinâmica antes de rever o arranjo.

Lubrificação e vedação para o arranjo escolhido

A configuração de vedação define a proteção contra contaminação e a carga de manutenção. Rolamentos abertos giram mais rápido sem proteção, escudos metálicos são sem contato e retêm poeira moderada, e vedações de borracha 2RS dão proteção máxima ao custo de velocidade³⁰.

Um fornecedor de rolamentos de precisão descreve vedações labirinto sem contato como primeira linha de proteção, e afirma que vedações CF dão eficiência de vedação total contra líquidos em respingo sem espaço adicional²⁹. O método de lubrificação pode mudar o resultado mais do que a vedação.

Uma fábrica de papel converteu os rolamentos de seus rolos de prensa de graxa para óleo circulante após falhas repetidas. Desde a conversão não houve falhas de rolamento nessa seção e as leituras de vibração que sinalizam danos precoces por deslizamento diminuíram⁷.

A mesma fonte observa que a conversão exige mais treinamento do pessoal de lubrificação e manutenção, incluindo descarte de óleo e monitoramento de nível⁷. Para uma posição flutuante com rolos cilíndricos, lembre o ponto de agitação de óleo da seção flutuante: óleo demais nessa área custa eficiência².

Decida o método de lubrificação e o tipo de vedação juntos, porque a escolha da vedação limita a velocidade e a escolha da lubrificação define a rotina de manutenção. Nem a vazão de óleo nem a vida da graxa estão estabelecidas neste conjunto de fontes; esses dados vêm do fornecedor do lubrificante.

O que fixar na montagem e o que deixar ajustável

Onde o arranjo precisa de maior rigidez sob carga mais pesada ou de impacto, os rolamentos do lado fixo são montados em O com pré-carga, e o eixo e a carcaça devem ser feitos com dimensões precisas¹⁹.

Quando os intervalos entre rolamentos são curtos, a folga axial pode em vez disso ser ajustada após a montagem com porcas ou calços²². As verificações abaixo separam os dois casos antes da liberação do desenho.

• ✓Confirmar se o lado fixo precisa de pré-carga para rigidez, ou se o ajuste de folga por porcas ou calços é aceitável.
• ✓Se pré-carga for exigida, verificar se as dimensões do eixo e da carcaça estão toleradas para montagem precisa.
• ✓Conferir o espaçamento entre rolamentos contra o caso de intervalo curto em que lados fixo e livre não são distinguidos.
• ✓Confirmar que o caso de carga foi caracterizado antes de congelar o arranjo.
• ✓Conferir a velocidade exigida contra a velocidade limite e o índice dN do rolamento candidato.
• ✓Confirmar tolerância ao desalinhamento, lubrificação e montagem contra o eixo, a carcaça e o ambiente reais.

Onde custo e prazo de entrega são realmente determinados

Não existe arranjo universalmente melhor; a aplicação dirige o projeto da caixa de engrenagens, que dirige o sistema de rolamentos⁸.

Um trem de engrenagens de alto desempenho e silencioso pode justificar eixos com pré-carga, enquanto um projeto dirigido por custo e eficiência pode usar rolamentos com menor precisão e rigidez de funcionamento e aceitar NVH secundário⁸.

Na produção de séries curtas de rolamentos especiais, o desenho da gaiola pode se tornar o fator decisivo do tipo de rolamento, porque diâmetros primitivos e complementos de elementos rolantes únicos costumam ser inviáveis uma vez contada a ferramentaria⁶.

O grau do material alimenta a mesma decisão: plásticos de baixo grau vendem por cerca de 1 US$/kg enquanto polímeros mais sofisticados custam cerca de 60 US$/kg³². Padrão versus especial também move os termos comerciais.

Um fornecedor declara que a quantidade mínima de pedido para rolamentos C3 varia por tipo, especificação e se é preciso personalização, e que orçamento e avaliação de prazo exigem o modelo, o código de folga, a quantidade e a aplicação³³.

Se seus volumes são baixos, verifique se a gaiola especificada tem diâmetro primitivo e complemento padrão antes de assumir que o rolamento está disponível de prateleira. Essa única pergunta frequentemente decide se vale a pena orçar a via especial.

Onde as fontes divergem

O que as fontes não estabelecem

• Nenhuma fonte fornece método ou dados para calcular as componentes tangencial, radial e axial da força do engrenamento, o espectro de carga ou o ciclo de operação de um redutor.
• Nenhuma fonte quantifica a precisão de posicionamento axial exigida ou a flutuação axial admissível.
• Nenhuma fonte fornece valores numéricos de capacidade de carga radial ou axial, velocidades limite, limites de desalinhamento ou rigidez para os tipos de rolamento candidatos.
• Nenhuma fonte dá magnitudes de crescimento térmico ou um método de cálculo para a expansão do eixo e da carcaça em um redutor.
• Nenhuma fonte indica um alvo L10 ou L10h exigido, fatores de segurança estáticos ou dinâmicos, ou valores aISO para esta aplicação.
• Nenhuma fonte dá tempos de montagem ou desmontagem, ou requisitos de ferramentaria para montagem ajustada versus fixa.
• Nenhuma fonte dá vazões de óleo, nível de óleo, vida da graxa ou especificações de proteção contra contaminação para um redutor.
• Nenhuma fonte dá custo unitário do rolamento, usinagem da carcaça, mão de obra de montagem ou limiares de volume para rolamentos especiais versus padrão.
• Nenhuma fonte aborda casos de carga específicos do redutor como desalinhamento das engrenagens, forças dinâmicas do engrenamento ou efeitos da pré-carga no contato dos dentes.