Rigidez axial do rolamento rígido de esferas: um guia prático para engenheiros

Um fuso começa a deixar uma leve marca de vibração a 8.000 rpm. O rolamento rígido de esferas atende à classificação de carga publicada, mas o eixo desvia axialmente muito mais do que o orçamento do projeto permite. Esta é uma cena familiar em máquinas de precisão: o número da carga foi verificado, mas o número da rigidez nunca foi especificado. A rigidez axial determina o quanto um eixo se move quando uma força axial atua sobre ele e, em equipamentos como pequenos motores, robôs e dispositivos de medição, esse movimento é tão importante quanto a vida útil do rolamento. Este artigo explica o que significa rigidez axial, quais variáveis ​​de projeto a governam e como garantir que o rolamento selecionado se comporte com a rigidez exigida pela aplicação.

O que significa rigidez axial em um rolamento rígido de esferas

A rigidez axial é a relação entre uma carga axial aplicada e a deflexão axial resultante, expressa em newtons por milímetro. Para um rolamento rígido de esferas, essa relação não é constante. A deflexão entre as esferas e as pistas segue o comportamento de contato hertziano: à medida que a carga aumenta, a área de contato aumenta, a deflexão torna-se proporcionalmente menor e o rolamento parece mais rígido. Em outras palavras, a rigidez aumenta com a carga.

Para colocar um número nisso, um pequeno rolamento rígido de esferas tamanho 608 pode apresentar uma rigidez axial na faixa de 30 a 80 N/µm, dependendo de sua folga e do nível de carga. Um rolamento maior, como o 6205, pode atingir várias centenas de N/µm nas mesmas condições. Estes números não são classificações fixas; são instantâneos de um ponto de carga específico em uma curva não linear.

Um rolamento rígido de esferas é simétrico na direção axial, o que significa que pode suportar cargas axiais em ambas as direções. No entanto, esta simetria tem uma consequência que os engenheiros de design muitas vezes ignoram. O rolamento é construído com folga radial interna, de forma que as esferas não entrem em contato com os dois ressaltos da pista simultaneamente. Sob uma pequena força axial, o eixo se move quase livremente através da folga até que as esferas assentem em um ressalto. A rigidez axial nesta região é efetivamente zero, e somente depois que a folga é consumida é que o rolamento começa a resistir à carga com sua verdadeira rigidez de contato.

Por que a rigidez axial é mais importante do que a classificação de carga

Uma classificação de carga responde a uma pergunta: quanta carga o rolamento pode suportar? A rigidez axial responde a uma questão diferente: com que precisão o rolamento segurará o eixo? Para muitos produtos, a segunda questão é o que determina a qualidade. Um pequeno motor que permite o deslocamento do rotor gera vibração e ruído. Uma junta robótica com folga axial excessiva perde a repetibilidade do posicionamento. Um fuso de precisão que desvia sob a força de corte cria trepidação e mau acabamento superficial.

Considere um motor cujo rotor é posicionado por dois rolamentos rígidos de esferas. Se a folga axial no ressalto da pista deixar 15 µm de curso livre, o rotor se desloca para frente e para trás a cada reversão da força magnética. O movimento axial resultante se traduz diretamente em ruído audível e microimpactos repetidos entre as esferas e o acostamento da pista. Um rolamento pré-carregado ou com folga reduzida elimina esse comportamento na origem.

Nenhuma dessas falhas exige que o rolamento esteja próximo do seu limite de carga. O rolamento simplesmente não é suficientemente rígido para o laço estrutural da máquina. É por isso que os dados de rigidez devem ser tratados como uma especificação de primeira classe e não como uma reflexão tardia de uma folha de dados. Quando um conjunto é projetado para manter o movimento axial dentro de dois mícrons, um rolamento que desvia dez mícrons sob a mesma força torna inúteis todos os outros componentes de precisão do sistema.

Principais fatores que controlam a rigidez axial

A tabela abaixo lista os parâmetros que afetam mais diretamente a rigidez axial de um rolamento rígido de esferas. As compensações são tão importantes quanto a própria melhoria da rigidez.

O problema da folga e como a pré-carga ajuda

A razão mais comum para a baixa rigidez axial na prática não é o diâmetro insuficiente da esfera; é autorização. Os rolamentos rígidos de esferas padrão são classificados em grupos de folga como C2 (menor que o normal), CN (normal) e C3 (maior que o normal). Uma folga maior simplifica a montagem e tolera a expansão térmica, mas também amplia a zona de deslocamento axial. Para aplicações críticas em termos de rigidez, uma folga C2 ou mesmo uma folga reduzida personalizada costuma ser a maneira mais simples de reduzir a folga axial sem alterar a geometria do rolamento.

Se a aplicação não puder aceitar nenhum deslocamento axial livre, o próximo passo é a pré-carga. Uma mola que pressiona axialmente o anel externo assenta continuamente as esferas contra a pista, de modo que o rolamento opere sempre na parte mais rígida de sua curva de deflexão. A pré-carga rígida alcança o mesmo resultado fixando ambos os anéis do rolamento de forma que as esferas estejam sempre em contato. Ambas as abordagens reduzem a folga axial a quase zero, mas adicionam atrito e geram calor, portanto os valores de pré-carga devem ser calculados cuidadosamente para a velocidade operacional esperada e a faixa de temperatura.

Rigidez radial versus axial na prática

Os rolamentos rígidos de esferas às vezes são descritos como radialmente dominantes e a descrição é justa. Uma carga radial é transportada ao longo de uma linha direta através das esferas e de ambas as pistas, enquanto uma carga axial deve ser transferida através dos ressaltos da pista e induzir um ângulo de contato crescente. Devido a essa geometria, a rigidez radial de um rolamento rígido de esferas é geralmente maior do que sua rigidez axial na mesma carga. A diferença não é um defeito; é uma consequência do design do rolamento.

Para um eixo que deve ser localizado com precisão em ambas as direções, a solução prática geralmente é um par de rolamentos ou um rolamento com flange integrado. As variantes flangeadas registram o rolamento axialmente contra a face da caixa e simplificam a montagem em pequenos motores elétricos e redutores. O guia de seleção de rolamentos flangeados explica como a posição do flange e o ajuste do alojamento afetam a localização do eixo axial. Em motores com espaço restrito, um rolamento flangeado blindado como o Rolamento flangeado F696ZZ fornece suporte axial e localização simples do alojamento sem um anel de retenção extra.

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Como verificar a rigidez axial antes de comprar

Os cálculos teóricos de rigidez são um ponto de partida, mas a curva real de carga-deflexão depende da folga fabricada, do perfil da pista e da circularidade da esfera. Um teste de força-deflexão é simples: coloque o rolamento em um suporte rígido, aplique uma carga axial em incrementos com uma prensa calibrada e meça o deslocamento do eixo com um sensor de deslocamento. Traçar a carga contra a deflexão fornece uma curva cuja inclinação na carga operacional é a rigidez tangente do rolamento.

Quando rolamentos em miniatura estão envolvidos, a configuração do teste também deve ser reduzida. A deflexão com alguns newtons de carga axial pode ser de apenas alguns micrômetros, portanto a resolução da medição é mais exigente do que para um rolamento industrial grande. É aqui que um fornecedor de rolamentos com capacidade de medição interna faz a diferença quando você qualifica um novo Rolamento miniatura compacto 688ZZ para uma montagem de precisão.

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Observe que um teste de deflexão de carga estática mede a rigidez estática. Em uma máquina em funcionamento, o rolamento também responde a efeitos dinâmicos: comportamento da película de óleo entre as esferas e as pistas, forças centrífugas nas esferas em alta velocidade e expansão térmica dos anéis. Para a maioria das aplicações abaixo de 60% da classificação de velocidade do rolamento, a rigidez estática é uma base confiável para comparação. O amolecimento relacionado à velocidade torna-se significativo principalmente em fusos de alta velocidade, onde são necessários testes dinâmicos diretos.

Etapas práticas de seleção para arranjos de rolamentos rígidos

O processo de seleção deve começar com um orçamento de deflexão axial e não com um cálculo de carga. Decida quanto movimento do eixo a aplicação pode tolerar com força axial máxima. Em seguida, compare as opções de rolamento pelo seu comportamento de carga-deflexão previsto para aquela força específica, em vez de por um único número de rigidez retirado de um catálogo. A rigidez não tem classificação universal; é uma função de carga, folga e pré-carga.

Para pequenos motores, robótica e instrumentos médicos, a direção da carga é tão importante quanto a sua magnitude. Um rolamento em miniatura de aço inoxidável, como o Rolamento de aço inoxidável SMR148-2RS oferece resistência à corrosão e bom funcionamento em ambientes onde o motor está exposto à umidade ou agentes de limpeza. Onde o espaço é extremamente limitado, um design compacto mantém o envelope do rolamento pequeno, ao mesmo tempo que proporciona um comportamento axial previsível através de uma seleção cuidadosa da folga.

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Os rolamentos selecionados quanto à rigidez também devem ser validados no alojamento real e no ajuste do eixo. Os ajustes de interferência alteram a folga interna após a montagem, e um rolamento que parece rígido em uma bancada de testes pode amolecer quando pressionado em um alojamento. Inclua a condição de montagem na sua avaliação de rigidez em vez de tratar o rolamento como um componente isolado. Para uma visão mais aprofundada de como os rolamentos pequenos suportam sistemas de precisão, consulte nossa visão geral de como rolamentos em miniatura impulsionam a engenharia de precisão e máquinas de alta velocidade .