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MECATRÔNICA ATUAL Nº 6 - OUTUBRO/200236

Douglas Ribeiro dos Santos

No artigo passado dissertamos sobre vários assuntos ligados ao tema rolamento. No que diz respeito ao conceito, diferenciamos e exemplificamos mancais de rolamentos e mancais de deslizamento, abordamos os tipos principais de rolamentos, descrevemos a aplicação de cada tipo de rolamento, apresentamos uma iniciação ao cálculo para seleção de rolamento e também tecemos comentários sobre a codificação dos rolamentos, entre outros.

Neste artigo queremos nos aprofundar um pouco mais no assunto, e para isto vamos descrever os principais componentes de uma caixa de mancal e entender qual a importância de cada um e saber porque estes são dispostos de uma forma específica.

MECATRÔNICA ATUAL Nº 5 - AGOSTO/200236 o resto da estrutura através da caixa de mancal, ou seja, se a caixa de mancal será inteiriça, fabricada a partir de uma única peça ou bipartida, desmontável em basicamente duas peças (vide figura 1). O tipo de construção da caixa de mancal pode facilitar e muito a manutenção, a montagem e a desmontagem do eixo. O mancal pode fazer parte da própria estrutura da máquina ou então ser introduzido na estrutura.

As principais empresas fabricantes de rolamentos fornecem caixas de mancal padronizadas juntamente com componentes para vedação, lubrificação e fixação para aplicações especificas, mais adiante apresentaremos estes mancais.

É muito importante calcular, no caso de projeto, quais as forças que estarão atuando sobre a caixa de mancal, pois como foi dito no artigo passado, o mancal recebe todos os esforços que de alguma forma estão atuando no eixo, e por isso atenção especial deve ser dada à forma de fixação para que se possa garantir rigidez e impedir vibração indesejável.

Dito isto, podemos descrever os principais componentes que uma caixa de mancal deve ter para que os rolamentos possam funcionar de maneira satisfatória, são eles vedadores, ponto de lubrificação e elementos de fixação.

Para melhor entendimento do assunto, iremos montar um eixo aos seus mancais, aproveitaremos a figura para entender as forças que estão atuando sobre o eixo e quais os possíveis rolamentos para instalação.

Imaginemos um eixo (vide figura 2), ao qual está acoplada uma engrenagem movida, uma outra engrenagem denominada motora (pois está montada a um eixo acoplado a um motor), que não aparece no desenho, transmite a força F indicada na figura.

A força F se decompõe em três forças de acordo com os eixos cartesianos ortogonais, são elas a for-

Acaixa de mancal é o lugar onde o mancal estará alojado. Aqui devemos lembrar que uma caixa de mancal pode ser de rolamento ou deslizamento, radial ou axial, neste artigo estamos abordando particularmente os mancais de rolamentos, embora alguns conceitos de caixa de mancal sejam os mesmos para os dois casos.

Quando se fala em caixa de mancal muitos já pensam nos componentes de vedação, lubrificação e fixação, porém é importante destacar que ao se projetar uma máquina deve-se ter em mente como serão feitas as conexões entre os conjuntos girantes e todo

37MECATRÔNICA ATUAL Nº 6 - OUTUBRO/2002 ça axial Fa, a força radial horizontal Frh e a força radial vertical Frv.

Podemos perceber que a única força que transmite movimento é a força radial horizontal Frh, que multiplicada pela distância R (que é o raio da engrenagem) produz um momento torsor; a força radial vertical Frv produz uma flexão no eixo; enquanto que a força axial Fa impõe um empuxo axial que deve ser previsto na configuração da caixa de mancal; o apoio Ap descarrega o empuxo axial sobre o mancal, e a outra extremidade do eixo é livre para permitir dilatação e compensar esforços de flexão.

Sabendo que o eixo vai sofrer flexão, selecionamos um rolamento autocompensador para a caixa de mancal livre de apoios laterais, o que permite a dilatação do eixo, e para a caixa de mancal que sofre a ação de uma força axial, vamos montar um rolamento de contato angular de esferas, que anula o empuxo axial principal e alguma força de reação que possa aparecer, ficando o eixo com a configuração apresentada na figura 3.

Mas por onde será feita a lubrificação? E como será mantida? Como os rolamentos serão protegidos de poeira e ataque de agentes externos?

Para estas perguntas temos dois componentes, um chamado elemento de vedaçã e outro, que é o elemento de lubrificação.

Os vedadores são usados justamente para segurar o lubrificante no interior da caixa de mancal, conseqüentemente dentro do rolamento. É preciso, no entanto, atentar para o melhor ponto de aplicação do lubrificante, isto veremos mais adiante.Outra função importante dos vedadores é impedir a entrada de impurezas do ambiente externo para dentro da caixa de mancal, existem diversos tipos construtivos e materiais para vedadores, porém, para um melhor entendi-

Figura 2 - Eixo de transmissão.

Figura 1 - Mancal Inteiriço e bipartido.

Figura 3 - Eixo com mancais.

MECATRÔNICA ATUAL Nº 6 - OUTUBRO/200238 mento podemos classificar os vedadores em vedadores de contato, ou seja, que atritam no eixo e os vedadores de não contato, aqueles que não atritam com o eixo.

Estes se ajustam com uma certa pressão sobre o eixo, porém ela não pode ser excessiva a ponto de desgastar muito o eixo e produzir um calor excessivo sobre o vedador, mas também não pode ser suave a ponto de não impedir a entrada de impurezas ou umidade; os anéis de feltro são elementos de vedação que não geram muito desgaste sobre o eixo, no entanto, às vezes são necessários dois anéis para produzir o efeito desejado, estes elementos devem ser embebidos em óleo antes da montagem.

Os discos radiais de vedação, também conhecidos como vedadores de lábio radial são fabricados de borracha nitrílica (NBR), estes vedadores são guarnições que possuem um tipo de lábio que, através da ação de uma mola, fica em contato com a superfície do eixo,vide figuras 4 e 5.

Quando o eixo sofre pequenas inclinações, ou no caso de deslocamentos radiais, usa-se o vedador de lábio axial, também conhecido como vedador de anel-V por ser um anel de borracha inteiriço com formato em V.

Os elementos de vedação mola prato ou discos de vedação são geralmente aplicados quando o lubrificante é graxa, vide figura 6.

Os vedadores sem atrito são adequados para funcionar por um longo período de tempo ou um alto número de rotações em ambientes não muito agressivos. Pode-se usar uma fenda estreita entre o eixo e a caixa, mas em ambientes mais agressivos os vedadores tipo labirinto são mais indicados, este tipo de vedador é bastante conhecido, porém requer mais espaço e para uma melhor eficiência deve-se manter o labirinto prenchido com graxa.Comentamos que a vedação tipo labirinto requer um pouco mais de espaço na lateral, costuma-se usar em projetos onde o espaço na lateral é reduzido os anéis lamelares de aço, que tensionam o diâmetro externo ou interno, isto em relação ao lugar onde o anel será alojado, veja figura 7.

Figura 6 - Exemplos de vedadores de contato.

Figura 4 - Vedador. Figura 5 - Detalhe do vedador.

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Já falamos em outros artigos sobre a importância da lubrificação, de modo que não iremos abordar com profundidade os tipos de lubrificantes, sistemas de lubrificação ou os elementos-base de um lubrificante, porém, é importante frisar que o lubrificante forma uma película entre os elementos rolantes e as pistas dos rolamentos, evitando o contato metal/metal mesmo quando cargas altas estão atuando sobre o eixo, reduzindo o atrito e desgaste excessivos, e impedindo a contaminação do rolamento por agentes externos e evitando a corrosão.

A lubrificação pode ser realizada com graxa ou óleo, a grande maioria dos rolamentos hoje é lubrificada com graxa, mesmo nos diferentes segmentos da indústria, a graxa é utilizada nos casos onde o rolamento trabalha em condições normais de temperatura e velocidade, já a lubrificação com óleo é mais aplicada quando as condições de trabalho impossibilitam usar a graxa ou quando for necessário reduzir a temperatura do mancal, por exemplo, em mancais de bombas centrífugas horizontais bipartidas, vide figura 8.

A quantidade de lubrificante também é importante, pois lubrificante demais pode aquecer excessivamente a caixa de mancal, e por isso devemos sempre colocar a quantidade de lubrificante indicada pelo fabricante do equipamento ou do rolamento.

O outro componente que citamos anteriormente é justamente usado para possibilitar a lubrificação, mais conhecido como engraxadeira (vide figura 9 e 10). Aqui o cuidado deve ser, no caso de projeto, de instalar a engraxadeira na posição correta de maneira que realmente o lubrificante penetre no rolamento e não apenas chegue ao lado dele.

No artigo passado abordamos os tipos de montagem de rolamentos, citando as montagens com disposição em “O”, disposição em “X” e disposição tipo “TANDEM”, e agora aproveitamos este artigo (cujo tema é mancais) para acrescentarmos um pouco mais de conceito técnico a estes tipos de montagem, discorrendo sobre os tipos de disposição de mancais.

Voltando ao eixo onde aplicamos as forças, percebemos que ele pôde ser montado com um rolamento em uma extremidade e um rolamento na outra extre-

Figura 7 - Exemplos de montagem de vedadores de não contato. Figura 8 - Mancal de bomba.

MECATRÔNICA ATUAL Nº 6 - OUTUBRO/200240 midade na caixa de mancal de maneira que um lado esteja fixo(bloqueado) e o outro livre. A este tipo de disposição chama-se Mancal fixo-livre, vide figura 1.

Para o caso em que os dois rolamentos são bloqueados (nenhum é livre), alguns chamam de montagem com rolamentos bloqueados bilateralmente, baseada na condição de montagem dos dois rolamentos; outros se referenciam pelos mancais e denominam de disposição de rolamento com mancal ajustado, pois durante a montagem um dos anéis do rolamento é deslocado de maneira que se possa ajustar a folga ou pré-carga sobre os rolamentos. Os rolamentos que possibilitam este tipo de montagem são os de rolos cônicos ou os rolamentos de contato angular de esferas.

Na disposição em “X”, o vértice do ângulo decorrente das linhas que passam pelos pontos de contato entre as esferas e as pistas de rolagem aponta para

Figura 10 - Engraxadeira em corte.

Figura 12 - Mancal ajustado.Figura 1 - Mancal fixo-livre.

dentro, o apoio dos rolamentos se dá pelo anel interno, enquanto o ajuste é realizado pelo anel externo. Na montagem em “O” (vide figura 12), ocorre o inverso, ficando, portanto, definida a forma de fixação do rolamento, quando determinado o tipo de montagem; entendemos também que não podemos desmontar uma máquina e alterar o tipo de fixação do mancal ou o ajuste de pré-carga, sem analisar os arranjos na montagem dos rolamentos.

O Mancal flutuante apresenta um custo baixo, isto quando é permitido um jogo axial do eixo. A fixação é parecida com o mancal ajustado, só que neste o eixo pode se deslocar por causa da folga axial “f ”, (vide figura 13), a folga é dimensionada para que mesmo sob efeito de dilatação térmica o eixo não fique tensionado axialmente.

Os rolamentos apropriados para este tipo de montagem são os autocompensadores de rolos ou esferas e também os fixos de esferas.

Os rolamentos são montados com ajuste, geralmente com interferência, porém é necessário que o rolamento seja de alguma forma fixado também axialmente, e dependendo do tipo de disposição utilizada na montagem é possível determinar qual anel

Figura 9 - Engraxadeira.

41MECATRÔNICA ATUAL Nº 6 - OUTUBRO/2002 deverá ser apoiado, ou então o projetista determina qual a melhor maneira para executar a fixação, sendo que nesta fixação existem diversas possibilidades.

Dissemos anteriormente que as principais empresas fabricantes de rolamentos também disponibilizam caixas de mancais para aplicações específicas, padronizadas e arranjos simplificados, isto é muito importante para os novos projetistas da área de Automação, pois é possível realizar vários projetos pequenos a um custo reduzido, com ganho de tempo e sem ter que conhecer ou se aprofundar muito nos detalhes da caixa de mancal que, como vimos até aqui, possui muitas particularidades.

A empresa SKF está apresentando as novas caixas de mancal bipartidas do tipo SNL, as quais representam um desenvolvimento adicional dos conhecidos alojamentos do tipo SNH, estas caixas combinam elevada capacidade de carga e qualidade de usinagem, bem como uma grande variedade de alternativas de vedação, um dos assuntos abordados durante a apresentação deste tema, veja um mancal SKF-SNL na abertura deste artigo (cortesia da SKF).

A empresa FAG dispõe de uma “caixa” de mancal, na verdade são unidades em ferro fundido ou aço estampado projetadas para trabalhar com um tipo de rolamento de esferas também desenvolvido como solução econômica em aplicações relativamente simples na montagem de rolamentos. Vide figura 14.

Figura 13 - Mancal flutuante. Figura 14 - Mancais FAG - tipo S. (cortesia da FAG).Figura 15 - Fixação do mancal. (cortesia da FAG).

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Figura 16 - Superfície esférica (cortesia da FAG). Figura 17 - Lubrificação (cortesia da FAG).

Figura 19 - Gire o rolamento para a posição certa, endireitando-o. Para isto, use um tarugo de plástico para não danificar o rolamento, esta operação é mais fácil quando se usa uma morsa para prender o mancal. (cortesia da FAG).

Estas unidades são fáceis de montar; o tipo de ajuste aplicado, com folga, permite posicionar e fixar o rolamento com facilidade através da montagem do excêntrico autotravável (vide figura 15).

O rolamento é projetado para absorver desalinhamentos estáticos, isto é possível graças a superfície esférica do anel externo (vide figura 16).

O rolamento já vem lubrificado com graxa e é selado de ambos os lados, a graxa atende por completo a vida nominal do rolamento, no entanto, para os casos onde o rolamento seja montado em alojamento de ferro fundido, a relubrificação é possível, pois o rolamento possui orifícios próprios para este fim (vide figura 17).

A seqüência de montagem abaixo ilustra como é fácil montar este tipo de rolamento na caixa de mancal padronizada. Observe as figuras de 18 a 25.

A intenção neste artigo foi apresentar a caixa de mancal, seus principais componentes, a forma construtiva, passar uma noção de como as forças atuam nesses pontos e as possibilidades de montagem a partir do conceito de disposição dos mancais, se fixo-livre, mancal ajustado ou mancal flutuante.

Apresentamos os componentes de vedação e os diferentes tipos, principalmente se são de contato ou de não contato, e também tecemos comentários sobre a lubrificação e, finalmente, apre-

Figura 18 - Insira o rolamento dentro do canal, removendo antes o colar excêntrico autotravável. (cortesia da FAG).

sentamos os mancais padronizados, uma possibilidade interessante que temos no mercado.

Com certeza, não apresentamos todo o conteúdo da matéria rolamentos e nem foi nossa pretensão, apenas tentamos abordar de uma forma simples conceitos importantes para quem atua de alguma forma com esses componentes. Até a próxima...? l

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