projeto eixo 2007 2

projeto eixo 2007 2

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Existem várias velocidades criticas à serem determinadas para os mancais, mas apenas a primeira e, se necessário, a segunda se fazem interessantes para o projetista, pois as outras velocidades são de magnitude muito elevadas que ficam fora da gama de velocidades usuais de operação. A velocidade critica dos mancais é determinada seguindo a equação de Rayleigh-Ritz.

c W.y W.ygπ onde: wc= velocidade crítica. W = carga estática sobre o eixo.

yR = deflexão sob as cargas estáticas. g = aceleração da gravidade local 9,81m/s².

4.2 Chaveta

A chaveta é um elemento mecânico fabricado em aço. Sua forma, em geral, é retangular ou semicircular. A chaveta se interpõe numa cavidade de um eixo e de uma peça. A chaveta tem por finalidade ligar dois elementos mecânicos. As chavetas classificam-se em: chavetas de cunha, chavetas paralelas e chavetas de disco.

Figura 4.6 - Chaveta

As chavetas tem esse nome porque são parecidas com uma cunha. Uma de suas faces é inclinada, para facilitar a união de peças.

Figura 4.7 – Chaveta de Cunha As chavetas de cunha se classificam em dois grupos: chavetas longitudinais e chavetas transversais.

São colocadas na extensão do eixo para unir roldanas, rodas, volantes, etc. Podem ser com ou sem cabeça e são de montagem e desmontagem fácil. Sua inclinação é de 1:100 e suas medidas principais são definidas quanto a: altura (h); comprimento (L); e largura (b).

Figura 4.8 – Chaveta Longitudinal

As chavetas longitudinais podem ser de diversos tipos: encaixada, meia-cana, plana, embutida e tangencial.

São muito usadas. Sua forma corresponde a do tipo mais simples de chaveta de cunha. Para facilitar seu emprego, o rasgo do eixo é sempre mais comprido que a chaveta.

Figura 4.9 – Chaveta Encaixada

Sua base é côncava (com o mesmo raio do eixo). Sua inclinação é de 1:100, com ou sem cabeça. Não é necessário rasgo na árvore, pois a chaveta transmite o movimento por efeito do atrito. Desta forma, quando o esforço no elemento conduzido for muito grande, a chaveta desliza sobre a árvore.

Figura 4.10 – Chaveta meia-cana

Sua forma é similar a da chaveta encaixada, porém, para sua montagem não se abre rasgo no eixo. É feito um rebaixo plano.

Figura 4.1 – Chaveta Longitudinal

• Chavetas Embutidas

Essas chavetas tem os extremos arredondados. O rasgo para seu alojamento no eixo possui o mesmo comprimento da chaveta. As chavetas embutidas nunca tem cabeça.

Figura 4.12 – Chaveta Longitudinal

São formadas por um par de cunhas, colocados em cada rasgo. São sempre utilizados duas chavetas, e o rasgo são posicionados a 120º. Transmitem fortes cargas e são utilizadas, sobretudo, quando o eixo está submetido a mudança de carga ou golpes.

Figura 4.13 – Chaveta Longitudinal

São aplicadas em união de peças que transmitem movimentos rotativos e retilíneos alternativos.

Figura 4.14 – Chaveta Longitudinal

Quando as chavetas transversais são empregadas em uniões permanentes, sua inclinação varia entre 1:25 e 1:50. Se a união se submete à montagem e desmontagem freqüentes, a inclinação pode ser de 1:6 a 1:15.

Figura 4.15 – Chaveta Longitudinal

Essas chavetas tem as faces paralelas, portanto, não tem inclinação. A transmissão do movimento é feita pelo ajuste de suas faces laterais as laterais do rasgo da chaveta. Fica uma pequena folga entre o ponto mais alto da chaveta e o fundo do rasgo do elemento conduzido.

Figura 4.16 – Chaveta Longitudinal

As chavetas paralelas não possuem cabeça. Quanto à forma de seus extremos, eles podem ser retos ou arredondados. Podem, ainda, ter parafusos para fixar a chaveta ao eixo.

Figura 4.17 – Chaveta Longitudinal Chaveta de disco ou meia-lua (tipo woodruff)

É uma variante da chaveta paralela. Recebe esse nome porque sua forma corresponde a um segmento circular.

É comumente empregada em eixos cônicos por facilitar a montagem e se adaptar à conicidade do fundo do rasgo do elemento externo.

Figura 4.18 – Chaveta Longitudinal

4.3 Mancal

Mancal é um suporte de apoio de eixos e rolamentos que são elementos girantes de maquinas.

Os mancais classificam-se em duas categorias: mancais de deslizamento e mancais de rolamento.

Mancais de deslizamento - são concavidades nas quais as pontas de um eixo se apóiam.

Por exemplo, na figura seguinte, as duas concavidades existentes nos blocos onde as pontas de um eixo se apóiam são mancais de deslizamento.

figura 4.19 – Mancal de Deslizamento

Mancais de rolamento - São aqueles que comportam esferas ou rolos nos quais o eixo se apoia. Quando o eixo gira, as esferas ou rolos também giram confinados dentro do mancal. Por exemplo, se colocarmos esferas ou rolos inseridos entre um eixo e um bloco, conforme figura ao lado, o eixo rolará sobre as esferas ou rolos.

Figura 4.20 – Mancal de Rolamento

4.4 Rolamento

Os rolamentos podem ser de diversos tipos: Fixo de uma carreira de esferas, de contato angular de uma carreira de esferas, autocompensador de esferas, de rolo cilíndrico, autocompensador de uma carreira de rolos, autocompensador de duas carreiras de rolos, de rolos cônicos, axial de esfera, axial autocompensador de rolos, de agulha e com proteção.

Os rolamentos projetados para suportar cargas que atuam na direção do eixo são chamados de rolamentos axiais.

Muitos tipos de rolamento radiais são capazes de suportar, também, cargas combinadas, isto é, cargas radiais e axiais.

4.4.1 Aplicação de rolamentos

O arranjo de rolamentos, num elemento de máquina, pode ser feito de vários modos. É comum usar dois rolamentos espaçados a uma certa distância. Estes rolamentos podem ser alojados numa mesma caixa ou em duas caixas separadas, sendo a escolha feita com base no projeto da máquina e na viabilidade de empregar caixas menos onerosas.

A maioria das caixas padronizadas é construída para alojar um rolamento.

Também são fabricadas caixas padronizadas para dois rolamentos, embora em menor quantidade.

figura 4.21 – Caixas para rolamento

Em certos tipos de máquina, os rolamentos são montados diretamente no corpo delas.

Os redutores são um exemplo. Em tais casos, o fabricante da máquina deve projetar e produzir tampas e porcas, bem como projetar o sistema de vedação e de lubrificação.

figura 4.2 – Lubrificação de rolamentos

4.4.2 Tipos de rolamentos

É mais comum dos rolamentos. Suporta cargas radiais e pequenas cargas axiais e é apropriado para rotações mais elevadas.

Sua capacidade de ajustagem angular é limitada. É necessário um perfeito alinhamento entre o eixo e os furos da caixa.

.Figura 4.23 – Rolamento de uma carreira de esferas em corte e Dimensões de acordo com o catálogo SKF

Admite cargas axiais somente em um sentido e deve sempre ser montado contra outro rolamento que possa receber a carga axial no sentido contrário.

Figura 4.24 – Rolamento de Contato Angular

• Rolamento autocompensador de esferas É um rolamento de duas carreiras de esferas com pista esférica no anel externo, o que lhe confere a propriedade de ajustagem angular, ou seja, de compensar possíveis desalinhamentos ou flexões do eixo.

figura 4.25 - Rolamento autocompensador de esferas

• Rolamento de rolo cilíndrico É apropriado para cargas radiais elevadas. Seus componentes são separáveis, o que facilita a montagem e desmontagem.

figura 4.26 - Rolamento de rolo cilíndrico

• Rolamento autocompensador de uma carreira de rolos Seu emprego é particularmente indicado para construções em que se exige uma grande capacidade para suportar carga radial e a compensação de falhas de alinhamento.

Figura 4.27 - Rolamento autocompensador de uma carreira de rolos • Rolamento autocompensador de duas carreiras de rolos

É um rolamento adequado aos mais pesados serviços. Os rolos são de grande diâmetro e comprimento.

Devido ao alto grau de oscilação entre rolos e pistas, existe uma distribuição uniforme da carga.

Figura 4.28 - Rolamento autocompensador de duas carreiras de rolos

• Rolamento axial de esfera

Ambos os tipos de rolamento axial de esfera (escora simples e escora dupla) admitem elevadas cargas axiais, porém, não podem ser submetidos a cargas radiais. Para que as esferas sejam guiadas firmemente em suas pistas, È necessária a atuação permanente de uma carga axial mínima.

figura 4.29 - Rolamento Axial de Esferas

Possui grande capacidade de carga axial devido à disposição inclinada dos rolos.

Também pode suportar consideráveis cargas radiais.

A pista esférica do anel da caixa confere ao rolamento a propriedade de alinhamento angular, compensando possíveis desalinhamentos ou flexões do eixo.

Figura 4.30 - Rolamento axial autocompensador de rolos

Possui uma seção transversal muito fina em comparação com os rolamentos de rolos comuns.É utilizado especialmente quando o espaço radial é limitado.

figura 4.31 - Rolamento de agulha

São assim chamados os rolamentos que, em função das características de trabalho, precisam ser protegidos ou vedados.

A vedação é feita por blindagem (placa). Existem vários tipos. Os principais tipos de placas são:

figura 4.32 - Rolamento com proteção

As designações Z e RS são colocadas à direita do número que identifica os rolamentos. Quando acompanhados do número 2 indicam proteção de ambos os lados.

4.4.3 Defeitos comuns dos rolamentos

Os defeitos comuns ocorrem por: • desgaste;

• falhas mecânicas.

O desgaste pode ser causado por: 9 deficiência de lubrificação; 9 presença de partículas abrasivas; 9 oxidação (ferrugem); 9 desgaste por patinação (girar em falso); 9 desgaste por brinelamento.

A origem da fadiga está no deslocamento da peça, ao girar em falso. A peça se descasca, principalmente nos casos de carga excessiva.

figura 4.3 - Descascamento parcial revela fadiga por desalinhamento, ovalização ou por conificação do alojamento.

¾ Falhas mecânicas

O brinelamento é caracterizado por depressões correspondentes aos roletes ou esferas nas pistas do rolamento.

Resulta de aplicação da pré-carga, sem girar o rolamento, ou da prensagem do rolamento com excesso de interferência.

figura 4.34 – Binelamento

Goivagem é defeito semelhante ao anterior, mas provocado por partículas estranhas que ficam prensadas pelo rolete ou esfera nas pistas.

Figura 4.35 – Goivagem

As rachaduras e fraturas resultam, geralmente, de aperto excessivo do anel ou cone sobre o eixo. Podem, também, aparecer como resultado do girar do anel sobre o eixo, acompanhado de sobrecarga.

figura 4.36 – Rachaduras e fraturas

O engripamento pode ocorrer devido a lubrificante muito espesso ou viscoso. Pode acontecer, também, por eliminação de folga nos roletes ou esferas por aperto excessivo.

4.4.4 Dimensionamento do Rolamento

Para dimensionar um rolamento, é importante definir inicialmente o tipo de solicitação ao qual estará submetido, carga estática ou dinâmica. Na carga estática, encontra-se parado ou oscila lentamente (n<10rpm). Na carga dinâmica, o rolamento se movimenta com (n ≥ 10rpm).

Carga Estática Quando o rolamento estiver atuando parado ou oscilações, é dimencionado por meio da capacidade carga estática (C0).

É a carga que provoca no rolamento e na pista, uma deformação plástica da ordem de 1/10000 do diâmetro do elemento rolante. Isto corresponde, em condições normais de oscilação, a uma pressão de superfície Hertz de 4000MPa.

Sendo:

C0 Capacidade de carga estática (kN) fs Fator de esforço estático P0 Carga estática equivalente (kN)

Carga Estática Equivalente (Po)

É uma suposta carga resultante, determinada em função das cargas axial e radial, que atuam simultaneamente no rolamento. Quando o rolamento for solicitado por uma carga radial ou axial isoladamente, esta será a carga equivalente. Na atuação simultânea das cargas axial e radial, a carga equivalente é determinada pela fórmula que se segue:

P0 Carga estática equivalente (kN) X0 Fator radial Y0 Fator axial Fr Carga radial (kN) Fa Carga axial (kN)

Fator de Esforços Estático (fs) É um coeficiente de segurança que preserva a ocorrência de deformação plástica excessivas nos pontos de contato, entre os corpos rolantes e a pista. São indicados os seguintes valores:

Limite Inferior de ƒs Condição de Operação Rol. De EsferasRol. de Rolos Requer baixo ruído em especial 2 3 Casos com vibração e choque 1.5 2 Casos de operação normal 1 1.5

Quando o rolamento atuar com movimento (n ≥ 10rpm), é dimensionado por meio da capacidade de carga dinâmica (C).

Carga Dinâmica Equivalente (P)

Determina-se a carga dinâmica equivalente quando houver a atuação simultânea radial e axial no rolamento. A carga dinâmica equivalente constitui-se de um suposta carga resultante, sendo definida por meio de:

Sendo:

P Carga dinâmica equivalente (kN) Fr Carga radial (kN) Fa Carga axial (kN) X0 Fator radial Y0 Fator axial

Capacidade de Carga Dinâmica (C)

É a carga sob a qual 90% de um lote de rolamentos alcança um milhão de rotações sem apresentar sinais de fadiga. A capacidade de carga dinâmica dos diversos tipos de rolamento é encontrada nas tabelas que compõem os catálogos. A capacidade de carga dinâmica que deve ter o rolamento para suportar com segurança as cargas aplicadas é determinada por:

P f

Sendo:

C Capacidade de carga dinâmica (kN) P Carga dinâmica equivalente (kN) fn Fator de rotação fl Fator de esforços dinâmicos

Rolamentos Expostos a Altas Temperaturas Nos rolamentos expostos a altas temperaturas torna-se necessário considerar um fator de temperatura (ft). Nesse caso para determinar a capacidade de carga dinâmica é dada por:

P f f C

Sendo:

C Capadidade de carga dinâmica (kN) P Carga dinâmica equivalente (kN) fn Fator de rotação fl Fator de esforços dinâmicos ft Fator de temperatura

4.4.5 Vida do rolamento

As funções requeridas para os rolamentos diferem de acordo com a aplicação, e devem ser mantidas necessariamente por um período além do determinado. O rolamento mesmo que utilizado corretamente, ao passar do tempo deixa de desempenhar de forma satisfatória, devido entre outros casos como o aumento de ruído e vibração, a redução da precisão pelo desgaste, a deterioração da graxa lubrificante ou o escamamento por fadiga na superfície de rolamento. A vida do rolamento no amplo sentido do termo são estes períodos até a impossibilidade do uso, denominados respectivamente como, vida de ruído, vida de desgaste, vida de graxa ou vida de fadiga.

Entre a capacidade de carga básica, a carga no rolamento e a vida nominal há a seguinte relação:

Onde:

L Vida Nominal (.106rev)

P Carga no rolamento equivalente C Capacidade de carga

A vida nominal de um rolamento Lh é determinada por meio da norma DIN-622. As recomendações da ISSO permitem considerar no cálculo a melhorias na qualidade dos aços e a influência da lubrificação na fadiga do material. Tem-se então que:

Lna Duração até a fadiga (h) a1 Fator de probabilidade a2 Fator de matéria-prima a3 Fator das condições de serviço Lh Vida nominal do rolamento

9 Fator a1 (coeficiente de confiabilidade)

O fator a1 que prevê a probabilidade de falhas no material devido à fadiga é regido por leis estatísticas, sendo obtido na tabela seguinte:

Confiabilidade (%) 90 95 96 97 98 9 Duração L10 L5 L4 L3 L2 L1 a1 1 0,62 0,53 0,4 0,3 0,21 Tabela .4.1 – coeficiente de confiabilidade

9 Fator a2 (matéria-prima)

O fator a2 considera as características da matéria-prima e respectivo tratamento térmico. Para aços de alta qualidade recomenda-se a2 = 1, e ele se altera para altas temperaturas.

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