Compreender a pré-carga dos rolamentos
Pré-carga do rolamento — também designada por pré-carga ou carga inicial — é uma carga de compressão controlada aplicada deliberadamente a um rolamento para eliminar a folga interna folga e criar uma ligeira interferência entre os elementos rolantes e as pistas. Ao manter todos os elementos rolantes em contacto contínuo com as pistas em todas as condições de funcionamento, a pré-carga elimina a pequena folga interna que, de outra forma, existiria, resultando num sistema de rolamentos mais rígido e preciso, com melhor distribuição de carga e maior resistência a vibração. É essencial sempre que uma aplicação exija elevada rigidez, posicionamento preciso do eixo ou um funcionamento suave sob cargas variáveis ou oscilantes, sendo prática comum em fusos de máquinas-ferramentas, instrumentos de precisão e máquinas de alta velocidade, onde a prevenção instabilidade é fundamental.
1. Definição: Transformar a folga em rigidez
A maioria dos rolamentos de elementos rolantes é fabricada com uma pequena folga interna, para que possam ser montados e lubrificados. Essa folga é útil para a montagem, mas prejudicial para a precisão: permite que o eixo se desvie ligeiramente antes de os elementos rolantes suportarem a carga e faz com que os elementos submetidos a cargas leves deslizem em vez de rolarem. A pré-carga inverte deliberadamente esta situação — empurra as pistas uma contra a outra (ou comprime-as radialmente) até que a folga desapareça e exista uma força de contacto definida em cada elemento, mesmo antes de a carga externa chegar. Na prática, a pré-carga troca um pouco de atrito e calor adicionais por um grande ganho em rigidez e precisão posicional.
2. Objetivo e vantagens
1. Aumento da rigidez
Esta é a principal vantagem do pré-carregamento:
- Elimina a folga que permite a deflexão sob carga.
- Mantém todos os elementos rolantes em contacto, distribuindo a carga por todo o conjunto.
- Pode aumentar a rigidez do rolamento em cerca de 2 a 5 vezes, em comparação com um rolamento sem pré-carga.
- Reduz a deflexão do eixo e melhora a rigidez geral do sistema.
2. Maior exatidão e precisão
- Elimina desvio do eixo decorrente da folga do rolamento.
- Proporciona um posicionamento preciso e repetível do eixo.
- Fundamental para máquinas de precisão, tais como máquinas-ferramentas e instrumentos de medição.
- Reduz a vibração causada por impactos relacionados com a folga.
3. Prevenção de derrapagens
- Garante que os elementos rolantes realmente rolem em vez de deslizarem.
- Particularmente importante sob cargas leves ou altas velocidades.
- A derrapagem provoca uma rápida desgaste dos rolamentos e danos superficiais.
- A pré-carga mantém uma força de contacto suficiente para um rolamento puro.
4. Redução de ruído
- Elimina o barulho causado pela folga interna.
- Proporciona um funcionamento mais silencioso e suave.
- Especialmente indicado perto de pessoal ou equipamento sensível.
5. Aumento da estabilidade
Em dinâmica do rotor, a pré-carga contribui para a estabilidade:
- O aumento da rigidez do rolamento aumenta a velocidades críticas.
- Melhora amortecimento caraterísticas.
- Ajuda a prevenir instabilidades causadas pelos rolamentos.
- Reduz a suscetibilidade a vibrações externas.
3. Tipos de pré-carga
1. Pré-carga fixa (rígida)
Uma pré-carga constante, independente da temperatura ou da velocidade:
- Método: Espaçadores, calços ou porcas de travamento ajustados em uma posição específica
- Características: elevada rigidez e controlo preciso.
- Limitações: pode aumentar com a temperatura, o que pode causar uma sobrecarga.
- Aplicações: fusos para máquinas-ferramenta e equipamento de precisão.
2. Pré-carga por mola (elástica)
Uma pré-carga mantida por molas, permitindo a compensação térmica:
- Método: molas onduladas, anilhas Belleville ou molas helicoidais.
- Características: permite a dilatação térmica sem sobrecarregar.
- Vantagens: muito mais resistente às variações de temperatura.
- Aplicações: equipamentos sujeitos a variações de temperatura e com requisitos de precisão menos exigentes.
4. Métodos de pré-carregamento
Pré-carga axial (a mais comum)
Montagem frente a frente (em X) ou costas com costas (em O)
- Dois rolamentos de contacto angular montados em oposição um ao outro.
- Uma força axial comprime os rolamentos.
- Elimina a folga axial em ambas as direções.
- A configuração padrão para máquinas-ferramentas e aplicações de alta precisão.
Pré-carga ajustável
- Uma contraporca ou um retentor roscado ajustado para definir a pré-tensão.
- Verificado através do binário, da força axial ou do aumento da temperatura do rolamento.
- Pode ser definido durante a montagem ou revisto durante a manutenção.
Pré-carga radial
- Um encaixe com interferência entre as pistas e o eixo ou a caixa de alojamento cria uma compressão radial.
- Os elementos rolantes são comprimidos radialmente entre as pistas.
- Menos comum do que a pré-carga axial.
- Utilizado em alguns rolamentos selados e em aplicações especiais.
5. Seleção da magnitude da pré-carga
Pré-carga ligeira
- Força: 1–5 % da capacidade de carga dinâmica do rolamento.
- Benefícios: maior rigidez com um aumento mínimo do atrito.
- Aplicações: maquinaria de precisão em geral.
Pré-carga média
- Força: 5–10 % da capacidade de carga dinâmica.
- Benefícios: elevada rigidez e boa precisão.
- Aplicações: fusos para máquinas-ferramenta e acionamentos de precisão.
Pré-carga pesada
- Força: 10–20 % da capacidade de carga dinâmica.
- Benefícios: máxima rigidez e estabilidade.
- Limitações: elevado atrito, geração de calor e redução da vida útil.
- Aplicações: trabalhos de ultraprecisão e requisitos de baixa velocidade e elevada rigidez.
Uma vez que o valor correto depende da capacidade nominal do rolamento, é útil conhecer essa classificação antes de especificar a pré-carga; ferramentas como um Calculadora da vida útil do rolamento L10 (ISO 281) colocar a capacidade de carga dinâmica e a vida útil prevista em contexto, para que a percentagem de pré-carga escolhida possa ser ponderada em relação ao seu efeito na vida útil.
6. Desvantagens e compromissos
Aumento do atrito e do calor
- A pré-carga aumenta as cargas de contacto e, consequentemente, o atrito.
- A temperatura de funcionamento aumenta normalmente entre 5 e 20 °C em relação a um rolamento sem pré-carga.
- Temperaturas mais elevadas aceleram a degradação do lubrificante.
- Arrefecimento melhorado ou lubrificação pode ser necessário.
Vida útil reduzida dos rolamentos
- A pré-carga contribui para as cargas operacionais.
- Os cálculos da vida útil dos rolamentos devem incluir o efeito da pré-carga.
- Uma pré-carga excessiva pode reduzir drasticamente a vida útil.
- O compromisso fundamental é entre rigidez e precisão, por um lado, e durabilidade, por outro.
Sensibilidade térmica
- A pré-carga fixa aumenta com o aumento da temperatura devido à expansão diferencial.
- Um aumento de temperatura não controlado pode levar o rolamento a uma sobrecarga.
- A pré-tensão da mola absorve essas variações térmicas.
- O projeto deve ter em conta toda a gama de temperaturas de funcionamento.
7. Aplicações
Quando a pré-carga é essencial
- Fusos de máquinas-ferramenta: fusos para retificação, fresagem e torneamento que exigem precisão e rigidez.
- Equipamento de alta velocidade: para evitar derrapagens e instabilidade.
- Instrumentos de precisão: equipamentos de medição e sistemas óticos.
- Cargas oscilantes: aplicações com inversões de carga ou cargas variáveis.
- Cargas de momento: rolamentos sujeitos a momentos de inclinação.
Quando a pré-carga não é recomendada
- Aplicações a altas temperaturas, em que existe o risco de sobrecarga térmica.
- Velocidades muito elevadas, em que o atrito e o calor são predominantes.
- Cargas de choque intensas.
- Casos em que a longa vida útil do rolamento tem prioridade sobre a rigidez.
- Aplicações industriais gerais em que a precisão não é essencial.
A pré-carga também tem uma vertente de diagnóstico. Um eixo que tenha perdido a pré-carga devido ao desgaste, ou que tenha sido submetido a uma sobrecarga térmica, alterará a sua assinatura de vibração — muitas vezes modificando as velocidades críticas ou aumentando o nível de banda larga — pelo que os efeitos da pré-carga são visíveis para um analista de vibrações muito antes de ocorrer uma avaria. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A pode capturar o espetro de um fuso espetro de vibração e o nível geral à velocidade de funcionamento, proporcionando um linha de base em relação ao qual se pode acompanhar a evolução de qualquer alteração posterior na pré-carga ou no estado do rolamento — e, quando o problema subjacente se revelar ser desequilíbrio em vez dos rolamentos, equilibrados na mesma máquina.
A pré-carga dos rolamentos é uma ferramenta eficaz para aumentar o desempenho do sistema de rolamentos, proporcionando maior rigidez, maior precisão e proteção contra deslizamentos e instabilidade. No entanto, deve ser especificada com cuidado, ponderando essas vantagens em relação às desvantagens decorrentes do aumento do atrito, do calor e da redução da vida útil, de modo a alcançar o equilíbrio ideal para cada aplicação específica.
