Engrenagem sem-fim Seleção de Rolamentos — Cálculo da carga axial, carga radial e vida útil L10

Sim. Uma engrenagem helicoidal de entrada adiciona uma força radial ao eixo sem-fim, mas também adiciona uma força axial. A força tangencial da engrenagem helicoidal (Ft_hel) atua tangencialmente no engrenamento e contribui para a carga radial no eixo sem-fim. A força axial da engrenagem helicoidal (Fa_hel) atua axialmente no eixo sem-fim, somando-se ou subtraindo-se do empuxo axial do engrenamento (Fa1), dependendo do sentido de rotação da hélice da engrenagem helicoidal. Para hélices com o mesmo sentido de rotação, as forças se somam; para hélices com sentidos de rotação opostos, elas se subtraem. Sempre verifique o sinal da força axial combinada antes de selecionar a capacidade axial do mancal fixo. Uma engrenagem helicoidal de entrada com o mesmo sentido de rotação da rosca do sem-fim pode aumentar significativamente a carga axial total no eixo sem-fim.

Sim, e para acionamentos por parafuso sem-fim de serviço pesado (D3-D4, alto torque de saída), os rolamentos de rolos cônicos são frequentemente preferidos aos rolamentos de esferas de contato angular para a posição de rolamento fixo. Os rolamentos de rolos cônicos têm maior capacidade radial e axial do que os rolamentos de esferas de contato angular com diâmetro de furo equivalente e são mais adequados para ambientes contaminados, pois o contato de rolos produz uma carga maior nos elementos rolantes sobre a contaminação por partículas do que o contato de esferas. O rolamento de rolos cônicos requer uma pré-carga ou folga de trabalho a ser ajustada na instalação — este é um procedimento de configuração mais complexo do que o dos rolamentos de esferas de contato angular em arranjo back-to-back, mas proporciona capacidade e robustez superiores para aplicações exigentes.

A tensão efetiva da correia em V (a força que produz torque) é igual ao torque do motor dividido pelo raio da polia da correia: F_efetiva = T_motor / r_polia. A tensão total da correia aplicada radialmente ao eixo é a soma vetorial da tensão do lado tensionado T1 e da tensão do lado frouxo T2: F_correia = T1 + T2. Para uma transmissão por correia em V, T1/T2 = e^(μ_V x θ), onde μ_V é o coeficiente de atrito da correia em V (~0,4-0,5) e θ é o ângulo de contato. Uma aproximação conservadora para o cálculo da carga do rolamento: F_correia = 2,5 x F_efetiva para uma transmissão por correia em V com tensão normal. Essa força da correia atua radialmente na posição da linha central da correia no eixo, somando-se à força radial de engrenamento. A força radial combinada Fr_total para o cálculo do rolamento é a soma vetorial de F_correia e Fr_engrenamento, dependendo do ângulo entre elas.

Com a seleção correta dos rolamentos (rolamentos de esferas de contato angular para o eixo sem-fim, cálculo correto da carga combinada e arranjo de montagem correto), a vida útil L10 do rolamento deve ser igual ou superior à vida útil do conjunto de engrenagens — tipicamente de 15.000 a 30.000 horas para acionamentos industriais. Se a vida útil do rolamento for significativamente menor que a da engrenagem, a especificação do rolamento está incorreta ou a montagem está inadequada. Na prática, as falhas de rolamentos em acionamentos por engrenagem sem-fim são quase sempre atribuíveis a uma das três causas: tipo de rolamento incorreto (DGBB onde é necessário contato angular), cálculo de carga incorreto (cargas externas não incluídas) ou montagem incorreta (ambos os rolamentos fixos, criando restrição térmica). Um rolamento corretamente especificado e montado em um acionamento por engrenagem sem-fim não deve ser um item de substituição planejado durante a vida útil do conjunto de engrenagens.

A magnitude da pré-carga depende do tamanho do rolamento, das condições de carga e da velocidade. Recomenda-se, de forma geral, pré-carga média (tipicamente de 1 a 3% da capacidade de carga dinâmica básica C) para acionamentos industriais com engrenagem helicoidal em velocidade normal (eixo helicoidal de 500 a 1500 RPM). Pré-carga leve para acionamentos de alta velocidade (eixo helicoidal acima de 1500 RPM) para evitar a geração excessiva de calor devido ao contato de rolamento do rolamento sob pré-carga. Pré-carga pesada para aplicações que exigem alta rigidez (juntas de robôs de precisão, sistemas de posicionamento) onde a deflexão do eixo sob carga deve ser minimizada. A pré-carga pode ser aplicada por meio de espaçadores entre os anéis internos do rolamento, arruelas de pressão ou pelo torque da porca de fixação. Consulte a tabela de pré-carga do fabricante do rolamento para a designação específica do rolamento e a velocidade do eixo.

Sim, quase certamente. O ruído dos rolamentos em uma transmissão por engrenagem helicoidal tem características distintas do ruído de engrenamento: o ruído dos rolamentos normalmente produz um zumbido ou chiado de banda larga que aumenta com a velocidade, em vez do ruído tonal na frequência de engrenamento e seus harmônicos, produzido por problemas de engrenamento. Para distinguir: calcule a frequência de engrenamento (RPM do eixo helicoidal x z1 / 60 Hz). Se a frequência de ruído dominante acompanhar a velocidade do eixo, mas NÃO estiver na frequência de engrenamento ou em seus harmônicos, o ruído provém do contato dos elementos rolantes nos rolamentos, e não do engrenamento. As frequências específicas de defeito do rolamento (BPFI da pista interna, BPFO da pista externa, BSF do elemento rolante) podem ser calculadas a partir da geometria do rolamento, se disponível, proporcionando uma identificação ainda mais precisa.

A orientação vertical do eixo sem-fim altera a direção da componente da gravidade em relação ao eixo. Na orientação vertical, o peso do eixo sem-fim atua para baixo ao longo do eixo, aumentando a carga axial no mancal inferior e potencialmente reduzindo a carga no mancal superior. Para eixos verticais: o mancal inferior deve ser o mancal fixo (de encosto), capaz de suportar tanto o empuxo axial Fa1 da engrenagem sem-fim quanto a componente do peso do eixo atuando para baixo. O mancal superior é o mancal flutuante. Verifique se a componente da gravidade do peso do eixo está incluída no cálculo da carga axial para o mancal fixo inferior. Para um eixo sem-fim com módulo M5, o peso do eixo pode ser de 3 a 8 kg, produzindo uma carga axial de 30 a 80 N devido à gravidade, pequena em comparação com as cargas de encosto típicas de vários kN, mas que deve ser confirmada.

Os rolamentos de esferas de contato angular montados em configuração back-to-back exigem dimensões precisas do ressalto do eixo e condições adequadas do furo da caixa para um assentamento correto. Parâmetros críticos: a altura do ressalto do eixo deve estar entre 50% e 80% da altura do anel interno do rolamento para proporcionar uma área de contato adequada sem interferir com os elementos rolantes. O diâmetro do ressalto do eixo não deve exceder o diâmetro da borda externa do anel interno. A tolerância do furo da caixa deve ser H7 para carregamento do anel interno do eixo rotativo (o que se aplica ao eixo sem-fim), proporcionando uma pequena interferência para evitar a rotação do anel interno no eixo sob carga. Anel externo na caixa: tolerância K7 para rolamentos fixos, H7 ou J7 para rolamentos flutuantes. Preenchimento com graxa para rolamentos de eixo sem-fim: 1/3 a 1/2 do espaço livre na cavidade da caixa do rolamento; mais do que isso causa superaquecimento devido à agitação viscosa.