A) MANCAIS ROTATIVOS DE ELEMENTOS ROLANTES
Mancais de elementos rolantes ou de rolamento, apesar de apresentarem um projeto e um cálculo dimensional extremamente complexo são o tipo de mancal mais largamente utilizado em mecanismos finos, tanto pela forma simples de cálculo aplicativo e seleção posta à disposição pelos fabricantes, quanto pelo nível de padronização encontrado no mercado. Estes mancais possuem as superfícies com movimento relativo separadas por elementos rolantes, que podem ser: esféricos, cilíndricos, cônicos, na forma de barris ou de agulhas.
Neste tipo de mancais os carregamentos são absorvidos pela deformação elástica de contato dos elementos rolantes junto aos anéis. Por isso, seu campo de utilização é limitado tanto pela rigidez possível de se obter quanto pelo baixo ou inexistente amortecimento, o que diminui sua precisão no deslocamento (Davidson, 1972).
Mancais de elementos rolantes são empregados em uma grande variedade de estruturas, sendo que podem ou não ser miniaturizados, mas devem satisfazer um ou ambos dos seguintes requisitos:
a) fácil movimentação;
b) mínimo atrito (Stoeterau, 1992).
Na figura 16 são apresentados alguns exemplos desse tipo de mancal.
Figura 16 – Mancais de elementos rolantes (NSK, 1996).
Conforme o tipo de carregamento a que estão submetidos, os mancais de elementos rolantes são denominados de mancais radiais, axiais ou radiais/axiais, conforme a figura 17.
Figura 17 - Tipos de mancais de elementos rolantes.
Em geral, os mancais de elementos rolantes são fabricados inteiramente a partir de aços especiais, podendo também ser produzidos com pistas em teflon ou material polimérico.
Mais recentemente, começaram a aparecer comercialmente no mercado mancais de elementos rolantes fabricados em cerâmica, o que fornece a característica adicional a estes mancais de sofrerem baixas deformações devido à dilatação. Isto possibilitou aos mancais de rolamento a serem empregados em aplicações com maiores rotações.
O comportamento estático dos mancais de rolamento, livres de folgas e geometricamente precisos é determinado principalmente por três fatores (Weck, 1991):
Quanto maior o número de elementos rolantes, menor o seu diâmetro e menor o espaçamento entre eles, tornando menor a distorção estática nos mancais de rolamento. Como a produção de elementos rolantes com adequada precisão de forma causa problemas tecnológicos de fabricação, torna-se bastante comum produzir mancais com mais de uma carreira, o que normalmente reduz a distorção estática em 40% e aumenta consideravelmente a rigidez estática do mancal (Weck, 1991).
A característica estática do mancal de rolamento é um critério determinante na precisão do sistema mecânico projetado. Devido às imperfeições nas pistas de rolamento e nos elementos rolantes, o eixo geométrico dos mancais de rolamento não é o mesmo eixo de rotação, mas sim gera uma órbita em torno deste. Desta forma, os mancais são fabricados de acordo com classes de precisão dos seus elementos, na busca pela redução destes erros.
Além disso, mesmo se for considerado um mancal cujos elementos possuem dimensões e formas otimizadas, será estimulada uma vibração durante seu funcionamento, proveniente do próprio princípio de funcionamento do mancal de rolamento devido às deformações elásticas que sofre, como mostra a figura 18.
Figura 18 – Característica vibratória do mancal de rolamento (Weck, 1991).
Como é mostrada na figura 18, a vibração pode ser bastante reduzida com a aplicação de mancais com duas carreiras defasadas entre si, reduzindo o intervalo entre a ação de cada elemento rolante. Mesmo otimizando essa disposição dos elementos rolantes, sempre vai existir esse deslocamento do centro de rotação do mancal.
Com objetivo de melhorar a rigidez estática dos mancais, costuma-se montá-los com um pré-carregamento, mas isto acarreta em alguns problemas adicionais, como o aumento do atrito de rolamento, aumento da temperatura do mancal em funcionamento e a redução da vida dos mesmos pela condição mais propícia à fadiga dos componentes do mancal.
Existem diversas recomendações adicionais referentes ao projeto dos assentos dos mancais de rolamento, sua montagem e manutenção. A idéia básica consiste em permitir que o mancal opere sem sobrecarga devido a uma instalação incorreta e que seja facilmente substituído sem que seja danificado quando for feita a manutenção.