Cada folha de dados de rolamento lista dois números no topo de sua tabela de carga: C e C0. Eles parecem semelhantes, mas respondem a perguntas diferentes. C, a classificação de carga dinâmica básica, informa quanto tempo um rolamento funcionará sob rotação contínua. C0, a classificação de carga estática, informa se um rolamento pode sobreviver a uma carga de choque pesada sem danos permanentes. Este artigo explica a classificação de carga dinâmica, explica o cálculo da vida nominal e mostra como aplicá-la ao selecionar rolamentos.
Qual é a classificação básica de carga dinâmica?
A classificação de carga dinâmica básica, escrita como C, é a carga radial constante que um grupo de rolamentos aparentemente idênticos pode suportar durante um milhão de rotações antes que a fadiga do material apareça em 90% do grupo. Não é uma promessa para um único rolamento; é um valor estatístico derivado de testes de fadiga de populações completas de rolamentos.
Três condições estão incluídas na definição. O anel interno gira enquanto o anel externo permanece estacionário. A carga é constante em magnitude e direção. O rolamento opera em temperaturas normais com lubrificação adequada. Se a aplicação for diferente, serão necessários fatores de ajuste de vida útil em vez do valor C bruto.
Na prática, C é o primeiro número a ser comparado ao verificar se um rolamento tem capacidade suficiente para uma aplicação em execução. Um C mais alto significa vida útil prevista mais longa com a mesma carga ou a capacidade de transportar uma carga maior com a mesma vida. É o valor mais importante no dimensionamento de rolamentos para equipamentos rotativos.
Classificação de carga estática C0 vs Classificação de carga dinâmica C
A classificação de carga estática C0 é a carga máxima que um rolamento não rotativo pode suportar sem deformação permanente dos elementos rolantes ou das pistas. Aplica-se a cargas estacionárias, movimentos de oscilação lenta e cargas de choque durante a montagem ou transporte. A classificação de carga dinâmica C aplica-se à rotação contínua, onde a fadiga do contato de rolamento durante ciclos de tensão repetidos é o modo de falha dominante.
Comparação de classificações de carga dinâmica e estática
Parâmetro
Classificação de carga dinâmica C
Classificação de carga estática C0
Modo de falha primário
Fadiga de contato rolante
Deformação plástica
Aplica-se a
Operação rotativa
Câmera estacionária ou lenta
Base de vida
Um milhão de rotações, 90% de confiabilidade
Não é necessária rotação
Tipo de carga
Carga radial constante
Carga máxima permitida
Uso principal
Cálculo de vida útil
Sobrecarga e verificação de segurança
Pense na classificação dinâmica como o número da maratona e na classificação estática como o número do levantamento de peso. Um rolamento que funciona hora após hora precisa de um valor C suficiente para sobreviver a repetidos ciclos de tensão. Um rolamento que fica imóvel sob um suporte pesado precisa de CO suficiente para evitar a formação de sal nas suas pistas. Muitas falhas remontam à mistura desses dois valores.
Figura 1: Classificações de carga dinâmica básicas típicas para séries de rolamentos comuns
O gráfico compara classificações típicas de carga dinâmica básica em seis séries de rolamentos comuns. Os rolamentos de esferas de contato angular de duas carreiras da série 33 apresentam o valor C mais alto porque duas carreiras de esferas criam um caminho de contato de transporte de carga maior. Os rolamentos rígidos de esferas padrão apresentam a classificação dinâmica mais baixa neste grupo. A diferença entre as séries mais fortes e mais fracas chega a cerca de três vezes. Portanto, os engenheiros raramente escolhem um rolamento apenas pelo tamanho do furo; a classificação de carga dinâmica geralmente decide qual série é utilizável.
A fórmula de vida da classificação L10
Depois de conhecer C e a carga real aplicada, o cálculo da vida nominal é simples. Para rolamentos de esferas, L10 é igual a (C dividido por P) ao cubo, multiplicado por um milhão de revoluções. Para rolamentos de rolos, o expoente é 10 sobre 3 em vez de 3. P é a carga dinâmica equivalente, expressa na mesma unidade que C.
Um exemplo torna isso concreto. Um rolamento rígido de esferas da série 6000 com C igual a 4,58 kN operando sob uma carga equivalente de 1,2 kN fornece uma relação C sobre P de 3,82. Cubificar essa proporção resulta em 55,5, então L10 equivale a 55,5 milhões de revoluções. A 3.000 rpm, isso equivale a aproximadamente 308 horas de vida nominal. Dobre a carga para 2,4 kN e a vida útil cai para cerca de 39 horas. Essa relação não linear surpreende muitos engenheiros.
Figura 2: Vida nominal L10 versus relação de carga para rolamentos de esferas e rolos
A curva mostra a rapidez com que a vida L10 prevista diminui à medida que a razão de carga C sobre P diminui. Na proporção de 1, a vida tem exatamente um milhão de revoluções por definição. Passando para 1,5, a vida sobe para cerca de 3,4 milhões de revoluções. Quando a proporção cai abaixo de 1, a vida cai rapidamente, atingindo apenas 0,34 milhão de rotações a 0,7. A inclinação acentuada é a razão pela qual a sobrecarga de um rolamento de esferas é tão destrutiva e a razão pela qual os engenheiros mantêm a relação acima de 1,5 para operação contínua.
A maioria dos rolamentos em máquinas reais não suporta cargas puramente radiais. Os eixos desviam, as engrenagens geram impulso axial e o desalinhamento adiciona forças laterais. A carga dinâmica equivalente P converte uma combinação de cargas radiais e axiais em uma única carga radial equivalente que produz a mesma vida à fadiga que a carga real.
Para rolamentos radiais, P é calculado como P igual a X vezes Fr mais Y vezes Fa, onde Fr é a carga radial, Fa é a carga axial, X é o fator de carga radial e Y é o fator de carga axial. Se o rolamento suporta apenas uma carga radial, X é igual a 1 e Y é igual a 0, então P é igual a Fr. Para rolamentos de esferas de contato angular, X e Y dependem do ângulo de contato e da relação entre Fa e Fr.
Fatores X e Y típicos para rolamentos de esferas de contato angular de duas carreiras
Condição
X
Y
Fa/Fr não excede e
1
0
Fa/Fr excede e, 32 séries
0.44
1.42
Fa/Fr excede e, 33 séries
0.45
1.30
Fa/Fr excede e, série 52
0.44
1.40
O valor e é o limite da relação de carga fornecido em cada tabela de especificações de rolamento. Quando Fa dividido por Fr fica abaixo de e, o termo radial domina e o fator axial Y é ignorado. Quando a relação excede e, a carga axial é significativa e o fator Y deve ser aplicado. Usar valores X e Y incorretos é uma fonte comum de superdimensionamento ou falha prematura.
Fatores de segurança e condições operacionais do mundo real
As aplicações reais raramente correspondem às condições de teste limpo atrás de C. Vibração, oscilações de temperatura, degradação da lubrificação, contaminação e desalinhamento reduzem a vida útil real do rolamento. A ISO 281 fornece uma equação de vida modificada que inclui fatores de confiabilidade, material, lubrificação e contaminação. A maioria dos trabalhos de seleção aplica um fator de segurança de 1,0 a 1,5 para inversores industriais normais e de 1,5 a 3,0 para cargas de choque ou equipamentos críticos.
Figura 3: Classificações de carga dinâmica e estática agrupadas por série de rolamentos
Este gráfico de colunas agrupadas compara C e C0 para os rolamentos de esferas de contato angular de duas carreiras das séries 32, 33, 52 e 53. Em todas as quatro séries, a classificação dinâmica C excede a classificação estática C0. A série 33 oferece os valores mais elevados em ambas as categorias. A série 32 fica na extremidade inferior, refletindo seu complemento de bola mais compacto. Quando uma máquina apresenta ciclos frequentes de partida e parada e cargas de choque, ambos os valores são importantes durante a verificação. A relação entre C e C0 também indica quanta margem de fadiga o projeto carrega.
Os valores do catálogo C pressupõem um ambiente limpo e bem lubrificado. Um rolamento vedado evita a contaminação, mas também limita o reabastecimento de graxa. Carcaças que retêm o calor diminuem a resistência efetiva à fadiga do material. Os rolamentos operando perto do limite de velocidade podem precisar de redução de capacidade. Os valores C publicados são um ponto de partida, não uma garantia, e devem ser revisados em relação aos ciclos de trabalho reais.
Comparando Arquiteturas de Rolamentos
Diferentes arquiteturas de rolamentos equilibram capacidade de carga, velocidade, rigidez e ruído de maneira diferente. Um rolamento rígido de esferas é simples, rápido e silencioso, mas sua única carreira limita a capacidade de carga. Um rolamento de esferas de contato angular de duas carreiras utiliza duas carreiras de esferas com um ângulo de contato otimizado, proporcionando classificações dinâmicas e estáticas muito mais altas no mesmo envelope. Um rolamento de esferas de duas carreiras se ajusta entre os dois, melhorando a estabilidade e a capacidade radial, mantendo ao mesmo tempo uma capacidade axial moderada.
Figura 4: Perfil de desempenho relativo de três arquiteturas de rolamentos
O gráfico de radar compara três tipos de rolamentos em seis atributos práticos. O rolamento de contato angular de duas carreiras oferece capacidade de carga dinâmica, capacidade de carga estática e rigidez, razão pela qual é preferido para aplicações industriais pesadas e de alta precisão. O rolamento de esferas de duas carreiras oferece um perfil equilibrado com bom manuseio de carga e melhor tolerância ao desalinhamento do que os projetos de contato angular. O rolamento rígido de esferas continua sendo a melhor escolha quando a velocidade e o baixo ruído dominam e as cargas permanecem moderadas. A tolerância ao desalinhamento é a compensação mais clara, porque os rolamentos de contato angular a sacrificam pela capacidade de carga. A capacidade de velocidade também favorece o projeto de ranhura profunda de carreira única porque seu conjunto de esferas compacto gera menos tensão centrífuga. Essa comparação de perfis ajuda a definir uma família de rolamentos antes do início do cálculo detalhado da vida útil.
Para sistemas industriais pesados onde as cargas são altas e as horas de operação são longas, os rolamentos de esferas de contato angular de duas carreiras das séries 32 e 33 fornecem a classificação dinâmica necessária para manter a vida útil do L10 dentro de limites aceitáveis.
Quando a estabilidade do equipamento e o compartilhamento de carga radial são mais importantes do que a capacidade axial, os rolamentos de esferas de duas carreiras proporcionam um forte equilíbrio entre rigidez e funcionamento silencioso.
O processo de seleção começa com o tamanho do furo e os requisitos de velocidade e depois passa para a verificação da classificação de carga. Siga estas etapas:
Determine as cargas radiais e axiais no rolamento para cada condição operacional.
Calcule a carga dinâmica equivalente P usando os fatores X e Y apropriados.
Aplique um fator de segurança baseado no tipo de serviço e nas consequências da falha.
Compare a carga efetiva com C e estime a vida útil do L10 em horas.
Se a vida útil for curta, escolha uma série C superior ou uma arquitetura de rolamento diferente.
A classificação de carga dinâmica do rolamento é o número mais importante no projeto de máquinas rotativas. Depois de entender o que C representa, como ele difere de C0 e como ele contribui para a equação de vida útil do L10, você poderá comparar as opções de rolamentos com confiança. O cálculo é simples; a interpretação não é. Cargas reais, ambientes reais e margens de segurança reais determinam se uma escolha de rolamento será bem-sucedida. Use a classificação dinâmica como ponto de partida e, em seguida, confirme cada aplicação com uma análise cuidadosa da carga equivalente e das condições operacionais.
