Determinação da força de pré-carga

A pré-carga pode ser expressa como uma força ou como um caminho (distância), embora a força de pré-carga seja o fator de especificação principal. Dependendo do método de ajuste, a pré-carga também está indiretamente relacionada com o momento de atrito no rolamento.
Valores empíricos para a pré-carga ideal podem ser obtidos em projetos comprovados e podem ser aplicados a projetos semelhantes. Para novos projetos, a SKF recomenda o cálculo da força de pré-carga e a verificação de sua precisão por meio de testes. Como normalmente nem todos os fatores influenciadores do funcionamento real são conhecidos de maneira precisa, podem ser necessárias correções, na prática. A confiabilidade do cálculo depende, acima de tudo, de quão bem as suposições feitas com relação às condições de temperatura em funcionamento e ao comportamento elástico dos componentes associados, principalmente do mancal, coincidem com as condições reais.
Ao determinar a pré-carga, a força de pré-carga necessária para fornecer uma combinação ideal de rigidez, vida do rolamento e confiabilidade operacional deverá ser calculada primeiro. Em seguida, calcule a força de pré-carga a ser utilizada ao ajustar-se os rolamentos durante a montagem. Ao montar, os rolamentos deverão estar à temperatura ambiente e não submetidos a uma carga operacional.
A pré-carga adequada a uma temperatura operacional normal depende da carga do rolamento. Um rolamento de esferas de contato angular ou um rolamento de rolos cônicos pode acomodar cargas radiais e axiais simultaneamente. Com uma carga radial, uma força que age na direção axial será produzida no rolamento, e isso deve, geralmente, ser acomodado por um segundo rolamento, que está voltado para a direção oposta à do primeiro. O deslocamento puramente radial de um anel do rolamento em relação ao outro significará que metade da circunferência do rolamento (ou seja, metade dos corpos rolantes) está com carga e a força axial produzida no rolamento será

Fa = 0,5 Fr/Y

onde Fr é a carga radial do rolamento (fig. 1)

Os valores do fator axial Y podem ser encontrados nas tabelas de produtos.
Quando um único rolamento for submetido a uma carga radial Fr, uma força axial externa Fa da magnitude acima deverá ser aplicada se o pré-requisito para as capacidades normais de carga (metade da circunferência do rolamento com carga) tiver que ser cumprido. Se a força externa aplicada for menor, o número de corpos rolantes que apoiam a carga deverá ser menor e a capacidade de carga do rolamento será correspondentemente reduzida.
Em um arranjo de rolamentos composto por dois rolamentos de uma carreira de esferas de contato angular ou por dois rolamentos de rolos cônicos com disposição O ou X, cada rolamento deverá acomodar as forças axiais do outro. Quando os dois rolamentos forem iguais, a carga radial agirá centralmente entre os rolamentos, e se o arranjo de rolamentos for ajustado para folga zero, a distribuição da carga em que metade dos corpos rolantes está com carga será automaticamente obtida. Em outros casos de carga, particularmente onde há uma carga axial externa, pode ser necessário fazer uma pré-carga dos rolamentos para compensar a folga produzida como resultado da deformação elástica do rolamento, levando em conta a carga axial e para conseguir uma distribuição de carga mais favorável no outro rolamento, que é descarregado axialmente.
A pré-carga também aumenta a rigidez do arranjo de rolamentos. Ao considerar a rigidez, deve ser lembrado que ela não é influenciada somente pela resiliência dos rolamentos, mas também pela elasticidade do eixo e do mancal, pelos ajustes com os quais os anéis são montados e pela deformação elástica de todos os outros componentes no campo de força, incluindo os encostos. Tudo isso tem um impacto considerável na resiliência do sistema de eixo como um todo. A resiliência axial e radial de um rolamento depende de seu projeto interno, ou seja, das condições de contato (ponto ou linha de contato), do número e do diâmetro dos corpos rolantes e do ângulo de contato. Quanto maior o ângulo de contato, maior a rigidez do rolamento na direção axial.
Se, como uma primeira aproximação, uma dependência linear da resiliência na carga for suposta, ou seja, uma relação de mola constante, a comparação mostrará que o deslocamento axial em um arranjo de rolamentos com pré-carga é menor do que para um arranjo de rolamentos sem pré-carga para a mesma força axial externa Ka ( diagrama 1). Um arranjo de rolamentos para pinhão de redutores, por exemplo, consiste em dois rolamentos de rolos cônicos, A e B, de diferentes tamanhos, tendo as constantes de mola cA e cB, e está sujeito a uma força de pré-carga F0. Se a força axial Ka agir no rolamento A, o rolamento B será descarregado e a carga adicional que age no rolamento A e o deslocamento axial δa serão menores do que para um rolamento sem pré-carga. No entanto, se a força axial externa
exceder o valor

Ka = F0 [1 + (cA/cB)]

o rolamento B será aliviado da força de pré-carga axial e o deslocamento axial com a carga adicional será o mesmo que para um arranjo de rolamentos sem pré-carga, ou seja, determinado unicamente pela constante de mola do rolamento A. Para evitar que o rolamento B seja completamente descarregado quando o rolamento A está submetido a uma carga Ka, a força de pré-carga a seguir será, então, solicitada

F0= Ka cB/(cA + cB)
As forças e os deslocamentos elásticos em um arranjo de rolamentos de pré-carga, bem como os efeitos de uma alteração na força de pré-carga, são mais facilmente reconhecidos em um diagrama de força de pré-carga/caminho de pré-carga (diagrama 2). Isso consiste nas curvas de mola dos componentes que são ajustados um contra o outro para pré-carga, permitindo o seguinte
  • o relacionamento da força de pré-carga e o caminho de pré-carga dentro do arranjo de rolamentos pré-carregado
  • o relacionamento entre uma força axial aplicada externamente Ka e a carga do rolamento para um arranjo de rolamentos pré-carregado, bem como a deformação elástica produzida pela força externa.
No diagrama 3, todos os componentes submetidos a cargas adicionais pelas forças operacionais são representados pelas curvas que aumentam da esquerda para a direita e todos os componentes descarregados pelas curvas que aumentam da direita para a esquerda. As curvas 1, 2 e 3 são para diferentes forças de pré-carga (F01, F02 < F01 e F03 = 0). As linhas interrompidas referem-se aos rolamentos, em si, enquanto as linhas não interrompidas são para a posição do rolamento no total (rolamento com componentes associados).
Utilizando o diagrama 4, é possível explicar os relacionamentos, por exemplo, para um arranjo de rolamentos para pinhão de redutores (fig. 2), onde o rolamento A está ajustado contra o rolamento B por meio do eixo e do mancal para fornecer pré-carga. A força axial externa Ka (componente axial das forças de dente) é sobreposta à força de pré-carga F01 (curva 1) de tal maneira que o rolamento A esteja submetido à carga adicional enquanto o rolamento B estiver descarregado. A carga na posição do rolamento A é designada FaA, e na posição do rolamento B, FaB.
Sob a influência da força Ka, o eixo do pinhão é deslocado axialmente pela quantidade δa1. A menor força de pré-carga F02 (curva 2) foi escolhida, de modo que o rolamento B seja descarregado apenas pela força axial Ka, ou seja, FaB = 0 e FaA = Ka. O eixo do pinhão é deslocado neste caso pela quantidade δa2 > δa1. Quando o arranjo não está pré-carregado (curva 3), o deslocamento axial do eixo do pinhão está no seu ponto máximo (δa3 > δa2).
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