Classificações de Carga Dinâmica e Vida por Fadiga

Capítulo 5: Classificações de Carga Dinâmica e Vida por Fadiga

A capacidade de carga e a vida à fadiga são conceitos fundamentais para a confiabilidade dos rolamentos.
A capacidade de carga dinâmica básica de um rolamento expressa a carga constante que um rolamento com anel externo estacionário pode suportar, sob rotação do anel interno, durante um milhão de rotações, com um determinado nível de confiabilidade.

À medida que os anéis interno e externo e os elementos rolantes giram, suas pistas de rolamento são submetidas repetidamente à carga, o que provoca fadiga do material. Com o tempo, essa fadiga resulta em um dano de aspecto escamoso, denominado descascamento.

A vida à fadiga por rolamento indica o número total de rotações até o aparecimento desse dano e, em contextos técnicos, é frequentemente abreviada simplesmente como “vida do rolamento”.

Vida do Rolamento

De forma geral, a vida do rolamento expressa por quanto tempo um rolamento pode operar mantendo o desempenho exigido, o que significa que o conceito de vida do rolamento pode ser interpretado de diferentes maneiras.

Por exemplo, um rolamento pode precisar ser substituído quando ocorre aumento de ruído, vibração, torque, ou quando a temperatura de operação do rolamento se torna excessiva para a aplicação.

A vida do rolamento pode ser estimada com base na experiência prática ou por meio de cálculos, considerando fatores como carga aplicada, velocidade de rotação, lubrificação, condições ambientais e tipo de rolamento.

Diagrama dos tipos de vida útil de rolamentos incalculável e calculável. Os requisitos de vida útil de ruído e desgaste variam, portanto, os limites são frequentemente empíricos, mas a vida útil da graxa e à fadiga de rolamento pode ser determinada por meio de cálculos. Todos os tipos fazem parte da vida útil do rolamento conforme definida para máquinas grandes, com ruído, desgaste e graxa usados na vida útil funcional para máquinas pequenas.

Vida à Fadiga por Rolamento

À medida que o rolamento gira sob carga, as pistas de rolamento dos anéis interno e externo e as superfícies de rolamento dos elementos rolantes são submetidas a cargas cíclicas, que geram tensões internas no material.

Com o tempo, a fadiga do material provoca o surgimento de um dano de aspecto escamoso, denominado descascamento por fadiga, que aparece nas pistas de rolamento ou nas superfícies de rolamento (principalmente na pista do anel interno).

O número total de rotações até o aparecimento desse dano é denominado vida à fadiga por rolamento.

Diagrama da vida à fadiga por rolamento em um rolamento de rolos. A cada passagem de um rolo dentro do rolamento, a magnitude da tensão na pista aumenta, com um grande pico observado próximo à superfície justamente quando o rolo passa. A tensão diminui quando o rolo já passou, criando um ciclo de tensão que causa fadiga do material.
Actual spalling (flaking) on the inner ring raceway surface of a bearing. The normally smooth surface appears rough around the entire circumference of the ring.

Exemplo de descascamento no anel interno

Variação da Vida à Fadiga por Rolamento

A vida à fadiga por rolamento varia consideravelmente, mesmo quando rolamentos com as mesmas dimensões, estrutura, materiais, tratamento térmico e processos de fabricação operam sob condições idênticas.

Isso ocorre porque a fadiga do material é inerentemente variável, conforme ilustrado a seguir.

Portanto, a variação da vida é tratada como um fenômeno estatístico na definição da vida nominal básica

Gráfico de barras e curva indicando a frequência de falhas de rolamentos ao longo do tempo. A vida útil nominal (L10) é determinada quando 10% dos rolamentos falham, o que significa que pode-se esperar que 90% dos rolamentos ultrapassem essa métrica, com variação decrescente ao longo do tempo. Como resultado, a vida útil máxima real é muito maior do que a vida útil nominal.

Vida Nominal Básica L₁₀

A vida nominal básica (L₁₀) refere‑se ao tempo de operação durante o qual rolamentos idênticos, submetidos às mesmas condições de operação, podem girar até que ocorra descascamento por fadiga (flaking) em 10% deles, devido à fadiga por rolamento. Ela indica uma vida com confiabilidade estatística de 90% e pode ser expressa em horas de operação ou em número de rotações.

Line chart of results from bearing life tests. The L10 basic rating life of a bearing is calculated for the point where 10% of bearings fail under pre-determined conditions. In this example. the L10 life was 11 hours.
  • O gráfico de Weibull apresentado visualiza a ocorrência de danos (deterioração da confiabilidade) ao longo do tempo, utilizando uma aproximação linear dos resultados dos testes de vida.
  • Ao representar os resultados dos ensaios de confiabilidade em um gráfico de Weibull, é possível confirmar que a vida dos rolamentos segue uma distribuição de Weibull*. Nesse gráfico, o eixo X representa o tempo, utilizando uma escala logarítmica (log₁₀), enquanto o eixo Y representa as falhas acumuladas (rolamentos danificados).

    * Distribuição de Weibull: método utilizado para descrever uma distribuição estatística de probabilidade, amplamente empregado na engenharia de confiabilidade para visualizar a robustez e o comportamento de um produto ao longo do tempo.

Capacidade de Carga Dinâmica Básica

Definição:
A capacidade de carga dinâmica básica é a carga constante que um rolamento pode suportar, para uma vida nominal de um milhão de rotações, sob rotação do anel interno com o anel externo estacionário, considerando um nível de confiabilidade especificado (normalmente expresso em termos de L₁₀, correspondente a 10% de falha / 90% de confiabilidade).

Animation comparing point contact with ball on left and line contact with roller on right.


Contato pontual
Adequado para cargas leves, baixo torque e altas velocidades


Contato linear
Adequado para cargas elevadas e baixas velocidades

Fórmula Básica de Cálculo de Vida:

Rolamentos de esferas: L10 = (C/P)³

Rolamentos de rolos: L10 = (C/P)¹⁰ᐟ³

onde

L10: Classificação básica de vida (×10⁶ rotações)
C: Carga dinâmica básica nominal (N)
P: Carga do rolamento (carga dinâmica equivalente) (N)

Para rolamentos radiais, C é indicado como Cr; para rolamentos axiais (de encosto), C é indicado como Ca.
Para rolamentos radiais, P é indicado como Pr; para rolamentos axiais (de encosto), P é indicado como Pa.

Observe que alguns caracteres podem não apresentar formatação matemática (itálico, subscritos, etc.) em algumas descrições.

Carga e Vida

Conforme estabelecido acima, a vida do rolamento reflete a relação entre a carga dinâmica básica nominal do rolamento e a carga aplicada. Entretanto, por conveniência, a vida básica nominal à fadiga é frequentemente expressa em horas, utilizando-se a seguinte relação, que incorpora a velocidade de rotação.

Equation for basic rating life in ball bearings.

Rolamentos de esferas

Equation for basic rating life in roller bearings

Rolamentos de rolos

onde

L10: Classificação básica de vida (×10⁶ rotações)
C: Carga dinâmica básica nominal (N)
P: Carga do rolamento (carga dinâmica equivalente) (N)
n: Velocidade de rotação do rolamento

Uma diretriz derivada dessa relação estabelece que:

Quando a carga é reduzida à metade:

a vida útil dos rolamentos de esferas torna-se 8 vezes maior
e a vida útil dos rolamentos de rolos torna-se 10 vezes maior.