Os rolamentos rígidos de esferas precisam de pré-carga? Guia Completo

Os rolamentos rígidos de esferas não precisam de pré-carga na maioria das aplicações padrão. Eles são projetados para operar com uma folga interna controlada e a pré-carga é uma medida condicional para situações específicas, como funcionamento em alta velocidade, cargas muito leves, limites rígidos de ruído ou requisitos de alta rigidez. Este artigo explica o que a pré-carga realmente faz, quando os rolamentos rígidos de esferas realmente a exigem e como aplicá-la sem reduzir a vida útil do rolamento.

O que é pré-carga em rolamentos de esferas?

A pré-carga é uma força axial sustentada aplicada a um rolamento durante a instalação para que os elementos rolantes permaneçam em contato contínuo com as pistas. A força remove a folga axial livre que existe dentro de um rolamento em seu estado neutro e sem carga. Em termos práticos, a pré-carga converte a folga interna do rolamento em uma condição compressiva controlada.

Folga interna e pré-carga são coisas diferentes. A folga interna é a folga incorporada projetada no rolamento na fábrica, classificada como C0, C2, C3 ou classes semelhantes. Pré-carregamento é um estado de carregamento criado no momento da montagem. Quando a pré-carga axial aplicada é grande o suficiente para consumir a folga interna, o estado operacional torna-se, na verdade, uma folga negativa.

O objetivo principal da pré-carga é evitar que os elementos rolantes derrapem ou percam momentaneamente o contato com as pistas. Quando o contato é contínuo, o movimento é mais suave, as forças de impacto desaparecem e o conjunto do rolamento torna-se mensuravelmente mais rígido.

Os rolamentos rígidos de esferas normalmente precisam de pré-carga?

Não. Sob cargas radiais padrão e velocidades moderadas, os rolamentos rígidos de esferas são projetados e fabricados para funcionar sem pré-carga. A folga interna incorporada nos rolamentos padrão acomoda a expansão térmica e a deflexão normal da carga. É por isso que a maioria dos rolamentos rígidos de esferas em serviço operam exatamente como saem da caixa.

Os rolamentos rígidos de esferas usam o método de montagem Conrad, no qual as esferas são inseridas através de uma folga entre os anéis interno e externo e depois espaçadas uniformemente pela gaiola. Esta construção é naturalmente adequada para funcionar com uma folga definida e não com contato axial forçado. A aplicação de pré-carga empurra o rolamento para fora do seu estado operacional projetado com base na folga, o que é justificado apenas quando a aplicação assim o exige.

Séries padrão como 6000, 6200, 6300, 6800 e 6900 são instaladas sem pré-carga em motores, bombas, eletrodomésticos e equipamentos gerais de transmissão de energia. Muitos fabricantes de motores instalam rolamentos padrão diretamente no eixo e na carcaça, sem nenhum arranjo de pré-carga. Esta é a expectativa padrão em todo o setor e se aplica a rolamentos rígidos de esferas para motores assim como acontece com os rolamentos de uso geral.

Para aplicações que não exigem rigidez especial ou desempenho de ruído, um rolamento vedado padrão geralmente é suficiente. Um rolamento rígido de esferas selado série 6000 com vedações de borracha, por exemplo, preserva a condição de folga interna durante a instalação e operação e funciona sem pré-carga em serviços típicos de motores e bombas.

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Quando os rolamentos rígidos de esferas exigem pré-carga?

A pré-carga torna-se relevante quando as condições operacionais empurram um rolamento rígido de esferas para fora da faixa para a qual sua folga padrão foi projetada. As situações abaixo são as que surgem com mais frequência na prática.

Operação de alta velocidade

Quando o valor dn (diâmetro do furo em milímetros multiplicado pela velocidade do eixo em rpm) se aproxima da faixa de alta velocidade, as forças centrífugas podem levantar os elementos rolantes da pista externa e causar derrapagem. A pré-carga axial mantém as esferas em contato contínuo com ambas as pistas, evitando derrapagens e o calor que elas geram. Para serviço de motor de alta velocidade, rolamentos para motores de alta velocidade são construídos com um controle geométrico mais rígido, mas o método de instalação ainda deve corresponder à velocidade. Nesta faixa, uma pré-carga axial leve é ​​uma prática de engenharia comum e aceita.

Carga radial leve em alta velocidade

Quando a carga radial é muito pequena, normalmente abaixo de 1 a 2 por cento da classificação de carga dinâmica do rolamento, os elementos rolantes podem não rolar de maneira confiável e, em vez disso, deslizar dentro das pistas. Essa derrapagem produz desgaste e temperatura elevada. Uma pré-carga leve cria uma força de contato estável entre as esferas e as pistas. É por isso rolamentos rígidos de esferas em miniatura usados em pequenos instrumentos e motores leves são frequentemente pré-carregados com molas quando funcionam em alta velocidade.

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Cargas variáveis ou de choque

Quando a direção ou magnitude da carga muda frequentemente, a folga do rolamento cria uma breve perda de contato seguida de impacto quando a carga retorna. A pré-carga remove essa folga, para que os corpos rolantes permaneçam em contato durante as inversões de carga, reduzindo o ruído de impacto e a fadiga mecânica.

Limites rigorosos de ruído ou vibração

A pré-carga absorve a folga interna e restringe o movimento descontrolado da esfera, o que reduz o ruído emitido pelo rolamento. Em aplicações com limites rígidos de ruído ou vibração, um rolamento levemente pré-carregado funciona de forma mais silenciosa do que o mesmo rolamento operando solto. Para uma operação consistentemente silenciosa, rolamentos profundos de baixo ruído adicione um nível extra de controle de tolerância de fabricação além de qualquer pré-carga exigida pela aplicação.

Alta rigidez ou precisão de posicionamento

A pré-carga comprime a zona de deflexão elástica do rolamento, de modo que a posição do eixo muda menos sob variações de cargas. Fusos de máquinas-ferramenta, estágios de posicionamento e equipamentos de medição dependem desse efeito para manter uma posição estável do eixo.

Se você ainda não tiver certeza, execute esta lista de verificação:

• A velocidade operacional é alta em termos de valor dn? Se sim, planeje a pré-carga axial.
• A carga radial está abaixo de aproximadamente 1 a 2 por cento da classificação de carga dinâmica? Se sim, recomenda-se uma pré-carga leve.
• A carga muda de direção com frequência ou inclui choques? Se sim, a pré-carga estabilizará o rolamento.
• Os limites de ruído ou vibração são rigorosos? Se sim, combine a pré-carga com uma classe de rolamento de baixo ruído.
• A carga é constante, moderada e principalmente radial? Se sim, instale sem pré-carregamento.

Como aplicar pré-carga axial em rolamentos rígidos de esferas

Depois de confirmar que a pré-carga é necessária, a próxima questão é como aplicá-la. Três métodos são de uso comum.

Pré-carga da mola

O método mais indulgente é a pré-carga da mola. Uma arruela Belleville ou uma mola helicoidal aplica uma força axial controlada ao anel externo ou ao anel interno. Como uma mola mantém uma força relativamente constante mesmo quando a expansão térmica altera a distância entre os assentos do rolamento, a pré-carga da mola é a escolha mais segura para rolamentos rígidos de esferas. É também a solução padrão para configurações de rolamento único, onde um rolamento suporta a carga e a mola simplesmente mantém os corpos rolantes em contato.

Arranjo de rolamento duplo

O segundo método usa dois rolamentos rígidos de esferas montados face a face ou costas com costas. A pré-carga é definida pela diferença de largura entre o espaçador do anel interno e o espaçador do anel externo. Os espaçadores usinados determinam quanta força axial os dois rolamentos exercem um sobre o outro. Esta configuração produz um sistema mais rígido, mas requer usinagem precisa do espaçador e montagem cuidadosa.

Ajuste da contraporca ou da tampa final

O terceiro método é o posicionamento axial rígido com uma contraporca ou tampa de extremidade. O rolamento é fixado axialmente até que a folga interna seja absorvida. Este método é simples, mas menos tolerante, porque a força de fixação é difícil de medir e a expansão térmica pode rapidamente converter uma pré-carga correta em excessiva.

Como referência aproximada, a pré-carga axial para um rolamento rígido de esferas geralmente fica na faixa de aproximadamente 0,5 a 2 por cento da classificação de carga dinâmica axial do rolamento. O valor exato depende do tamanho do rolamento, da velocidade operacional e da rigidez que a aplicação exige; portanto, trate esse valor como um ponto de partida e não como uma especificação final. O fabricante do rolamento deve confirmar a pré-carga recomendada para sua tarefa específica.

Riscos de pré-carga excessiva – e como evitá-los

Aplicar muita pré-carga é um problema de campo mais comum do que aplicar pouca. Quando a força de pré-carga é excessiva, o atrito entre os corpos rolantes e as pistas aumenta acentuadamente, e o primeiro sinal visível é um aumento na temperatura operacional. Uma temperatura da carcaça que fique consistentemente mais de 30°C acima da temperatura ambiente é um aviso de que a pré-carga, a classe de folga ou a lubrificação precisam ser revisadas.

A temperatura elevada leva ao segundo problema: degradação acelerada do lubrificante. Quando a graxa ou o óleo perdem a resistência do filme, ocorre o contato metal-metal e o desgaste acelera rapidamente. Ao mesmo tempo, a carga efetiva do rolamento é maior que a carga externa porque a pré-carga aumenta o estado de tensão interna, o que encurta a vida útil calculada em fadiga.

O ruído anormal é outro sinal útil. Um rolamento pré-carregado adequadamente funciona de forma mais silenciosa do que um solto, mas a pré-carga excessiva produz um gemido mais agudo ou um som áspero à medida que os elementos rolantes deformam as pistas. Se o ruído aumentar após a aplicação da pré-carga, reduza primeiro a força de pré-carga antes de alterar outros parâmetros. Para obter mais informações sobre os fatores por trás dos rolamentos ruidosos, consulte controlando ruído e vibração em rolamentos rígidos de esferas .

Há também um risco no nível do design a ser considerado. Os rolamentos rígidos de esferas não são a escolha ideal quando uma aplicação requer posicionamento axial bidirecional frequente e preciso. Os rolamentos de esferas de contato angular são projetados especificamente para suportar pré-carga axial e proporcionar melhor rigidez axial. Se a precisão do posicionamento for o requisito de acionamento, reconsidere o tipo de rolamento antes de decidir aumentar a pré-carga em um rolamento rígido de esferas.

Como especificar requisitos de pré-carga ao solicitar rolamentos

Os rolamentos rígidos de esferas padrão são enviados sem pré-carga; a pré-carga é criada no ponto de montagem. O processo de pedido ainda precisa refletir o plano de pré-carga, porque a classe de folga interna do rolamento afeta diretamente a quantidade de pré-carga que pode ser aplicada em serviço.

Escolha a classe de folga interna junto com o objetivo de pré-carga. A folga C3 é comum para operação em alta temperatura ou alta velocidade porque deixa espaço para expansão térmica e a pré-carga axial funciona contra uma folga efetiva reduzida. Para aplicações de precisão onde a folga interna mínima é aceitável, C2 ou uma classe de folga mais estreita pode ser especificada. Indique claramente a classe de folga e a força de pré-carga ao comunicar suas necessidades ao fornecedor.

Se a aplicação precisar de pares de rolamentos combinados com uma pré-carga consistente, informe isso no pedido. Os rolamentos destinados a uma configuração de pares pré-carregados devem ser selecionados ou fabricados com dimensões correspondentes; não é garantido que um par padrão pronto para uso produza o mesmo comportamento de pré-carga.

As configurações personalizadas merecem atenção especial. Projetos não padronizados, como anéis internos estendidos, vedações especiais ou materiais de gaiola modificados, podem interagir com o método de pré-carga. Discutir a força de pré-carga e a classe de folga com o fabricante na fase de projeto evita a situação em que a peça entregue não consegue atingir a pré-carga pretendida. Para requisitos personalizados, soluções personalizadas de rolamentos não padronizados pode ser adaptado para corresponder às especificações de pré-carga e folga da aplicação.

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Conclusão: o pré-carregamento é um requisito condicional, não um padrão

Se os rolamentos rígidos de esferas precisam de pré-carga depende inteiramente das condições operacionais. A carga radial padrão em velocidade moderada funciona corretamente sem pré-carga; a folga interna faz parte do projeto do rolamento. Alta velocidade, carga muito leve, direção de carga variável, limites rígidos de ruído e requisitos de alta rigidez justificam a adição de pré-carga axial. Quando a pré-carga é aplicada, um sistema baseado em mola é o método mais seguro, e a força de pré-carga deve ser mantida no lado conservador, porque a pré-carga excessiva causa calor, ruído e redução da vida útil do rolamento.

Revise sua aplicação em relação às condições listadas na Tabela 1. Se alguma delas se aplicar, planeje a pré-carga juntamente com a classe de folga ao solicitar os rolamentos. Se nenhuma delas se aplicar, instale o rolamento exatamente como ele foi projetado para funcionar — sem pré-carga.