Pré-carga

Capítulo 9: Pré-carga

Diferentemente dos mancais de deslizamento, os rolamentos podem operar com folga interna negativa, ou pré‑carga.

Pré carga em Rolamentos

Os rolamentos costumam operar com folga interna.
Entretanto, eles podem ser montados de forma a aplicar uma folga negativa, denominada pré‑carga, o que gera tensões internas capazes de proporcionar características favoráveis em determinadas situações, como o controle do batimento do eixo ou o aumento da rigidez do conjunto.

Sob essa condição de pré‑carga, a folga medida é zero, e os anéis interno e externo, bem como os elementos rolantes, encontram‑se elasticamente deformados.

Esse estado é denominado pré‑carga.
A pré‑carga é frequentemente aplicada em rolamentos de esferas de contato angular e em rolamentos de rolos cônicos, que normalmente são montados em pares opostos com folga ajustável.
2D cross-section of angular contact ball bearing back-to-back arrangement (DB)

Rolamento de esferas de contato angular
Arranjo em oposição / dorso a dorso (DB)

2D cross section of tapered roller bearing front-to-front arrangement (DB)

Rolamento de rolos cônicos
Arranjo frente a frente (DB)

Por que Utilizar Pré carga?

A pré‑carga pode ser utilizada para:

  1. Posicionar o eixo com precisão nas direções radial e axial e reduzir o batimento:
    ・Fusos de máquinas‑ferramenta, instrumentos de medição, etc.
  2. Aumentar a rigidez do rolamento:
    ・Fusos de máquinas‑ferramenta, pinhões de diferenciais automotivos, etc.
  3. Evitar ruído causado por vibrações axiais e ressonância:
    ・Pequenos motores elétricos, etc.
  4. Suprimir movimentos indesejados, como deslizamento giroscópico e deslizamento por rotação dos elementos rolantes:
    ・Aplicações que utilizam rolamentos de esferas de contato angular de alta rotação, rolamentos axiais de esferas, etc.
  5. Manter os elementos rolantes na posição correta em relação aos anéis:
    ・Rolamentos axiais de esferas e rolamentos axiais autocompensadores de rolos utilizados em eixos horizontais.

Rigidez

Rigidez é a resistência de um objeto à deformação provocada por forças externas. Em outras palavras, é a capacidade de um objeto de manter sua forma original quando submetido a cargas.

Animação mostrando uma bola com alta rigidez e uma bola com baixa rigidez. Quando uma força é aplicada de cima, a bola com baixa rigidez se deforma mais do que a bola com alta rigidez.
Animação da deformação elástica (temporária) em um rolamento de esferas. O anel interno e o anel externo se deformam em direções opostas enquanto a esfera sofre deformação a partir de seus pontos de contato com os anéis.

Quando submetidos a carga, os elementos rolantes e os anéis de um rolamento sofrem uma mudança de forma. Essa mudança, chamada de deformação elástica, é revertida quando a carga é removida.

Um rolamento com “alta rigidez” apresenta pequena deformação elástica.

Alta rigidez do rolamento → Baixo desalinhamento do eixo em rotação sob carga

De modo geral, rolamentos de rolos possuem rigidez maior do que rolamentos de esferas, e rolamentos com pré‑carga são mais rígidos do que rolamentos sem pré‑carga.

Métodos de Pré carga

Tabela listando as características da pré-carga de posição e da pré-carga de pressão constante. Em geral, a pré-carga de posição permite maior rigidez, mas pode ser afetada por mudanças de temperatura nas peças adjacentes. A pré-carga de pressão constante é consistente independentemente da temperatura, mas requer mais componentes e geralmente proporciona menos rigidez.

Pré carga e Rigidez

O deslocamento axial de um rolamento simples sem pré‑carga é de aproximadamente um terço a metade daquele de um rolamento com pré‑carga, quando submetidos à mesma carga axial.

Em outras palavras, um rolamento com pré‑carga apresenta uma rigidez de 2 a 3 vezes maior.

De modo geral, a pré‑carga por posição é adequada para aumentar a rigidez.

Por outro lado, a pré‑carga por pressão constante é mais indicada para rotação em alta velocidade, prevenção de vibrações axiais ou para uso em rolamentos axiais montados em eixos horizontais.

Definições:

  • Fa: Carga axial
  • δa: Deslocamento axial sob pré‑carga por posição, pré‑carga por pressão constante ou sem pré‑carga, com Fa aplicada
Três curvas comparando métodos de pré-carga e rigidez. A pré-carga de posição proporciona cerca de três vezes mais rigidez do que sem pré-carga e a pré-carga de pressão constante cerca de duas vezes.

Perda de Pré carga

Ao aplicar pré‑carga em rolamentos de esferas de contato angular e rolamentos de rolos cônicos, são frequentemente utilizados arranjos em oposição (back‑to‑back – DB), devido à grande distância entre os centros de carga efetivos e à elevada rigidez total do conjunto.

A figura à direita ilustra o deslocamento axial (folga interna/pré‑carga) entre os anéis internos, δa₀, em um arranjo de rolamentos antes da montagem. Quando os Rolamentos A e B são aproximados axialmente e os anéis internos entram em contato, a folga/deslocamento δa₀ existente entre eles é eliminada, gerando uma pré‑carga Fa₀.

Quando uma carga axial externa Fa é aplicada ao Rolamento A, tanto a pré‑carga Fa₀ quanto a carga externa Fa atuam sobre esse rolamento, reduzindo seu deslocamento axial, ao mesmo tempo em que reduzem o deslocamento no Rolamento B.

Em outras palavras, à medida que Fa aumenta, o deslocamento axial δa aumenta, enquanto o deslocamento axial δaB do Rolamento B torna‑se zero, anulando a pré‑carga. Essa condição é denominada perda de pré‑carga.

Seção transversal 2D de um arranjo DB sob pré-carga de posição. Várias variáveis de carga e deslocamento são mostradas.

Pré‑carga em um arranjo em oposição (costas com costas)

Curvas de deslocamento para uma montagem emparelhada com pré-carga de posição. Várias variáveis de deslocamento e carga estão listadas.

Deslocamento axial com pré‑carga por posição

Definições:

δa₀: Folga de pré‑carga entre os anéis internos

δa₀A: Folga de pré‑carga do Rolamento A

Fa: Carga axial externa

FaA: Carga axial aplicada ao Rolamento A sob Fa

FaB: Carga axial aplicada ao Rolamento B sob Fa

δa: Deslocamento do sistema (conjunto de rolamentos) sob Fa

δaA: Deslocamento do Rolamento A sob Fa

δaB: Deslocamento do Rolamento B sob Fa

Fa₀: Pré‑carga

δa₀B: Folga de pré‑carga do Rolamento B

Aplicação da Pré carga por Posição

A pré‑carga por posição pode ser aplicada por meio de:

  • Utilização de uma montagem em par com folga axial e dimensões de ressalto (stand‑out) previamente ajustadas.
  • Utilização de calços ou espaçadores com dimensões previamente ajustadas.
  • Aperto axial do rolamento por meio de parafusos, porcas, calços, etc.
    ⇒ Esse método é normalmente utilizado para verificar o torque inicial (momento de atrito de partida) e ajustar a pré‑carga.

Os métodos 1 e 2 são os mais comumente utilizados.

Seção transversal 2D de uma montagem emparelhada mostrando os anéis externos em contato e uma folga entre os anéis internos indicada como a pré-carga.

O ajuste da largura dos anéis interno e/ou externo aplica a pré‑carga adequada.
(Isto mostra a condição antes da montagem.
Após a montagem, os anéis internos entrarão em contato entre si.)

Seção transversal 2D da pré-carga de posição antes da montagem. Os anéis externos tocam o espaçador do anel externo, mas há uma folga entre os anéis internos e o espaçador do anel interno. Como isso entrará em contato após a montagem, a quantidade de folga é indicada como a pré-carga.

O ajuste da largura do espaçador aplica a pré‑carga adequada.
(Isto mostra a condição antes da montagem.
Após a montagem, o anel interno e o espaçador entrarão em contato entre si.)

Seção transversal 2D do pré-carregamento de posição aplicado por um calço.

A pré‑carga adequada é obtida pelo ajuste do calço.

Pré carga por posição: Arranjos Universais

Diagramas de arranjos de rolamentos costas com costas (DB), frente a frente (DF) e DT (tandem). Em DB, a pré-carga é o dobro da saliência da face traseira, enquanto em DF, a pré-carga é o dobro da saliência da face frontal. Os arranjos DT têm saliência igual para as faces frontal e traseira, portanto normalmente não há folga antes da montagem.

Pré carga por Posição: Medições de Ressalto (Arranjos DB)

Ressalto (stand‑out) refere‑se à diferença entre as faces finais do anel interno e do anel externo, conforme indicado por f e b abaixo. Trata‑se da diferença entre a largura montada do rolamento e a largura do anel interno ou externo.

Para determinar a folga axial utilizando medições de ressalto em um arranjo em oposição (back‑to‑back – DB) de rolamentos de rolos cônicos:

  1. Posicione o rolamento sobre um suporte com a face traseira do anel interno voltada para baixo e gire o anel externo pelo menos 10 voltas para estabilizar os rolos. Em seguida, meça a largura do anel interno e a largura do rolamento montado.
  2. Meça também a largura do anel interno e a largura do rolamento montado do outro rolamento a ser utilizado no arranjo.
  3. Em seguida, meça as dimensões de largura de K (espaçador do anel externo) e L (espaçador do anel interno).
Seção transversal 2D da pré-carga de posição em uma disposição de rolamentos costas com costas (DB). Um espaçador do anel interno e um espaçador do anel externo ficam entre os rolamentos.

A folga axial Δa pode ser calculada inserindo essas medições na equação abaixo:

Representações 2D de medidas e fórmulas de destaque usadas com pré-carga de posição em arranjos DB.

Pré carga por Posição: Medições de Ressalto (Arranjos DF)

Para determinar a folga axial utilizando medições de ressalto em um arranjo frente a frente (face‑to‑face – DF) de rolamentos de rolos cônicos:

  1. Posicione o rolamento sobre um suporte com a face frontal do anel interno voltada para baixo e gire o anel externo pelo menos 10 voltas para estabilizar os rolos. Em seguida, meça a largura do anel externo e a largura do rolamento montado.
  2. Meça também a largura do anel externo e a largura do rolamento montado do outro rolamento a ser utilizado no arranjo.
  3. Em seguida, meça as dimensões de largura de K (espaçador do anel externo) e L (espaçador do anel interno).
Seção transversal 2D da pré-carga de posição em uma disposição de rolamentos frente a frente (DF). Um espaçador do anel interno e um espaçador do anel externo são colocados entre os rolamentos.

A folga axial Δa pode ser calculada inserindo essas medições na equação abaixo.
Muitos arranjos DF não possuem espaçador do anel interno; portanto, as faces traseiras dos anéis internos frequentemente entram em contato entre si. Nesses casos, considera‑se L = 0.

Representações 2D de medidas e fórmulas de destaque usadas com pré-carga de posição em arranjos DF.

Constant-Pressure Preload

A constant-pressure preload is achieved by coil springs, disc springs, corrugated washers, or similar to consistently ensure a proper level of preload, even if the bearings move during mounting or operation. This method suits applications where preload must remain nearly constant.

A pré-carga de pressão constante é aplicada usando componentes como molas helicoidais, molas prato e arruelas onduladas.
Seção transversal 2D de um arranjo com dois rolamentos com pré-carga de pressão constante aplicada usando uma mola.

With a spring

Seção transversal 2D de pré-carga de pressão constante aplicada com duas molas.

With multiple springs

Seção transversal 2D da pré-carga de pressão constante aplicada com uma mola.

With a spring

Pré carga Necessária para Rolamentos Axiais

Os rolamentos são frequentemente submetidos a rotação em alta velocidade, acelerações e desacelerações rápidas e cargas severas e flutuantes. Essas condições podem causar smearing devido ao deslizamento entre os elementos rolantes e as superfícies das pistas, ou riscamento (scoring) em rolamentos de rolos.

É necessária a aplicação de uma carga mínima específica para controlar o deslizamento indesejado e o riscamento.

Para rolamentos axiais de esferas, a carga axial mínima requerida é o maior dos dois valores obtidos a partir da equação a seguir:

Formula for minimum axial load for thrust ball bearings.
2D cross-section of a thrust ball bearing with the shaft washer, balls, cage, and housing washer visible.

onde:

Fa min: Carga axial mínima (N)
C0a: Capacidade de carga axial estática básica (N)
n: Velocidade de rotação do rolamento (min⁻¹)
Nmax: Velocidade limite do rolamento (min⁻¹)

Pré‑carga para Rolamentos Axiais Autocompensadores de Rolos

A carga axial mínima requerida é determinada pela equação a seguir:

Formula for minimum axial load for spherical roller thrust bearings.
Spherical roller thrust bearing with shaft washer removed.

Importância da Pré carga Adequada

Se a pré carga for excessiva

Uma pré‑carga excessiva faz com que cargas sejam geradas entre os elementos rolantes (superfícies de contato rolante) e os anéis (superfícies das pistas), independentemente da carga externa aplicada. Essa carga adicional pode provocar geração anormal de calor, aumento do momento de atrito e redução da vida à fadiga do rolamento.

Se a pré carga for insuficiente

A carga externa pode gerar folga interna, resultando em rigidez insuficiente do rolamento ou perda de pré‑carga. Esses efeitos podem comprometer o desempenho esperado, tornando impossível alcançar o controle adequado do batimento do eixo ou outras características desejadas.