Às vezes, os dispositivos mais úteis em física e engenharia são os mais simples. Os rolamentos de esferas mostram como os anéis de metal podem ser extremamente versáteis. Como você pode ver em tantos itens comuns, como veículos, bicicletas, skates e outras máquinas que envolvem peças metálicas móveis, os humanos usam a força dos rolamentos há séculos.
Usos de rolamentos de esferas
Imagine deslizar por um tapete macio enquanto calça sapatos. Pode ser difícil devido ao atrito entre o carpete e os sapatos, que podem ser feitos de qualquer coisa, incluindo couro, plástico, madeira ou borracha. Se você usasse meias, seria muito mais fácil por causa do atrito muito menor entre o carpete macio e os materiais das meias. Os rolamentos de esferas funcionam da mesma maneira.
Os rolamentos de esferas diminuem a quantidade de atrito entre as cargas colocadas sobre eles. Eles fazem isso porque são bolas de metal ou rolos que se movem em torno de uma superfície de metal lisa em um loop interno e um loop externo (às vezes chamado de anéis). Você pode aprender sobre as muitas aplicações de rolamentos de esferas por meio de sua física. Os rolamentos de esferas carregam tipos de carga em uma direção radial e essas cargas aplicam uma força perpendicular ao eixo de rotação do rolamento de esferas.
O deslizamento das esferas metálicas em torno das alças do rolamento de esferas cria atrito entre um objeto e sua superfície, o que retarda o objeto. Em alguns casos, o objeto se aproxima de uma parada. Esse mecanismo permite que os rolamentos de esferas tenham usos em sistemas de polias ou sistemas rotacionais que precisam ser controlados. Por exemplo, a roda do cubo de um carro usa uma carga radial do peso do carro e do empuxo ao fazer uma curva.
Em todos os casos de rolamentos de esferas, o equilíbrio entre a carga axial e radial faz com que os rolamentos de esferas reduzam o atrito entre as esferas no anel interno e externo e lidem com a carga do objeto. Os rolamentos de esferas recebem a carga e a transferem do anel externo para o interno para permitir que as esferas no centro de cada anel girem com facilidade.
Cada esfera está conectada com os dois anéis, mas somente quando necessário para reduzir o atrito entre os componentes do próprio rolamento de esferas. Por essas razões, os rolamentos de esferas são criados para reduzir o atrito e facilitar a velocidade de rotação.
Tipos de rolamentos de esferas
Os tipos de rolamentos de esferas diferem muito pelo mecanismo envolvido. O tipo mais amplamente utilizado é a única linha rígida, ou rolamento de esferas radial. Esse projeto faz com que as esferas funcionem em pistas com ranhuras profundas e o arranjo de rolamentos de esferas com ranhura profunda permite que suportem cargas radiais e axiais. Versões seladas de rolamentos de esferas são permanentemente lubrificadas para reduzir sua manutenção.
Rolamentos de esferas de duas carreiras use duas filas de bolas. O design dá mais rigidez ao movimento do próprio rolamento. Eles são encontrados em motores elétricos, bombas centrífugas e embreagens eletromagnéticas. Alguns rolamentos de esferas se alinham de uma maneira que permite que o eixo leve em consideração qualquer desalinhamento em um ângulo em relação ao alojamento do rolamento de esferas.
O tipo de contato angular do rolamento de esferas tem um lado do anel externo cortado para permitir que mais esferas se insiram. Esses rolamentos podem, então, suportar grandes quantidades de cargas axiais em uma direção, bem como usar mais esferas nos próprios rolamentos. Isso significa que os engenheiros os usam em pares em ambas as direções para transportar cargas pesadas, em uma configuração que os torna rolamentos de esferas de duas carreiras de contato angular. Esses tipos de rolamentos de esferas variam de acordo com o material também.
Tipos de material de rolamento de esferas
Os rolamentos de esferas variam em material com rolamentos de esferas de aço, cerâmica ou plástico para diferentes usos. Esses tipos de rolamentos de esferas diferem em quão rápido podem operar, quais temperaturas podem atingir e outras propriedades relacionadas ao uso de rolamentos de esferas. Compreender os pontos positivos e negativos de cada tipo de material permitirá que você tome uma decisão mais sábia se precisar de rolamentos de esferas.
Rolamentos de esferas de aço
Os rolamentos de esferas de aço usam componentes inteiramente feitos de aço ou ligas de aço com traços de outros elementos na composição. Eles são candidatos ideais para lidar com cargas de peso muito pesado, enquanto alcançam grandes velocidades de rotação ao girar.
Esses tipos de rolamentos de esferas podem fornecer medições muito precisas porque são fabricados com altos níveis de precisão. Suas propriedades permitem que os rolamentos de esferas de aço carbono tenham aplicação em fechaduras, bicicletas, patins, carrinhos e máquinas transportadoras, entre outros.
O material do rolamento de esferas de aço pode, infelizmente, causar corrosão na presença de água ou gases que alteram a composição química do próprio aço. Esses tipos de rolamentos de esferas também podem ser muito pesados e barulhentos quando usados na fabricação e em outros ambientes.
Os rolamentos de esferas de aço podem ser muito caros e os engenheiros também precisam lubrificar constantemente os metais de aço para mantê-los funcionando com eficiência. Se não forem mantidos de maneira adequada, podem causar falha nos rolamentos e não atingirão o fim de sua vida útil pretendida.
Os fabricantes criam e vendem rolamentos de esferas de aço em estilos diferentes. Você pode comprar bolas de aço com maiores quantidades de carbono que são expostas a tratamentos térmicos ou que foram endurecidas por outros métodos. As variações no conteúdo de carbono entre os rolamentos de esferas de aço afetam suas propriedades. Aços com baixo teor de carbono são encontrados em aplicações que precisam ser resistentes à corrosão, mas não necessariamente têm superfície endurecida.
Embora o aço com baixo teor de carbono possa ser usado no eixo linear de um rolamento de esferas, eles não são ótimos para o contato entre as próprias esferas. Eles geralmente são usados com um polímero para evitar danos nesses casos. Os rolamentos de esferas de aço com quantidades moderadas de carbono são fortes, resistentes à água e resistentes, e essas características os tornam adequados para engrenagens, eixos, pinos e outros componentes de máquinas. Os aços com alto teor de carbono são os mais fortes e duros, ao mesmo tempo em que resistem à corrosão.
Rolamentos de esferas cerâmicos
Os rolamentos de esferas de cerâmica são normalmente criados como "híbridos" que usam o anel externo, o anel interno e a gaiola de aço com as próprias esferas feitas de cerâmica. As propriedades cerâmicas permitem que eles operem em rotações rápidas por minuto, enquanto mantêm sua temperatura operacional fria e limitam a quantidade de ruído que eles criam.
Esses projetos híbridos de cerâmica e aço são danificados pela corrosão, mas as bolas de cerâmica em si são menos propensos à corrosão do que os materiais de aço e são mais duráveis e leves do que as esferas de aço rolamentos.
Esses tipos de rolamentos de esferas podem ser usados em aplicações elétricas onde os rolamentos de esferas de aço não podem, porque os rolamentos de esferas de cerâmica não são condutores, mas também são muito caros. Os rolamentos de esferas de cerâmica podem suportar altas temperaturas, permitindo que operem em velocidades mais altas. Os preços de alguns desses rolamentos de esferas podem ser geralmente caros, mas você também pode encontrar versões mais baratas deles.
O material cerâmico desses rolamentos de esferas confere-lhes pesos inferiores a 40% do que os dos rolamentos de esferas de aço. Os engenheiros normalmente os fabricam usando nitreto de silício cerâmico para fazer com que essas propriedades químicas e físicas ocorram. Eles são usados em rolamentos angulares, rolamentos axiais, rolamentos de mancal, rolamentos de agulha e rolamentos de rolos. Os materiais cerâmicos podem ser mais fortes do que o aço, mas geralmente são mais rígidos como o material do rolamento de esferas.
O polimento de bolas de aço cerâmicas usa um campo magnético com um fluxo de plasma. Este método de produção proporciona taxas de rotação mais altas do que os rolamentos de esferas de aço. Eles são eletricamente isolantes, o que significa que não conduzem eletricidade, então eles não falham se a corrente é passado através deles, e eles podem funcionar sem serem lubrificados como os rolamentos de esferas de aço devem ser.
Rolamentos de esferas de plástico
Inovações recentes produziram rolamentos de esferas de plástico que usam anéis de plástico e uma gaiola de plástico e podem ser comprados na forma de esferas feitas de plástico, vidro ou aço inoxidável. O material de esfera mais comum com este tipo de rolamento de esferas é a esfera de aço inoxidável. Eles são a opção mais acessível, mas também são mais pesados do que os tipos de plástico ou vidro. Eles também podem se tornar magnéticos facilmente, o que pode atrapalhar o movimento e a física de materiais próximos.
Rolamentos de esferas de plástico com esferas de vidro são ótimas opções quando você não pode usar metal. Eles têm alta resistência química e têm pesos menores do que as bolas de aço. As bolas de plástico para os rolamentos de esferas de plástico pesam ainda menos e oferecem resistência ao desgaste à medida que são usadas ao longo do tempo. A maioria dos rolamentos de esferas de plástico são autolubrificantes, leves e resistentes à corrosão enquanto operam silenciosamente.
Infelizmente, esses tipos de rolamentos de esferas não suportam altas temperaturas tão bem quanto outros rolamentos de esferas e, às vezes, não suportam cargas tão altas.