Carga radial e carga axial: qual é a diferença?

O que é carga radial?

Carga radial é uma força que atua perpendicularmente ao eixo de rotação, ao longo de um raio. A gravidade em um eixo horizontal é o exemplo mais simples: o eixo pressiona a parte inferior do furo do mancal. Tensão de correia, tração de corrente, a força de separação entre engrenagens de dentes retos, forças de desbalanceamento e a reação em um pino de pivô são todas radiais.

Em um mancal de deslizamento, a carga radial é suportada pela superfície cilíndrica de deslizamento. O eixo não toca todo o furo; ele se apoia em um arco carregado que, para fins de projeto, é tratado como a área projetada diâmetro interno × comprimento. É por isso que a carga específica em uma bucha cilíndrica é escrita como p = F / (d × L): a mesma força em uma bucha mais longa ou de diâmetro maior produz uma pressão menor.

O que é carga axial?

A carga axial, também chamada de empuxo ou carga de encosto, atua paralelamente ao eixo de rotação. Ela tenta empurrar o eixo através do mancal, e não contra ele. Entre as fontes estão a reação do rotor de uma bomba ou de uma hélice, a componente de empuxo de engrenagens helicoidais ou de parafuso sem-fim, a força de aperto ao longo de um fuso ou árvore e o peso de um eixo vertical.

Um furo cilíndrico não consegue suportar carga axial; o eixo simplesmente deslizaria através dele. O empuxo é suportado por uma face plana perpendicular ao eixo: uma arruela de encosto entre o ressalto do eixo e o alojamento, o flange de uma bucha flangeada ou a face de extremidade de uma bucha com um ressalto no eixo. A carga específica é a força dividida pela área da face do mancal, p = F / A, em que A é a área anular da arruela ou do flange, descontados os canais.

Exemplos de cargas radiais e axiais

A mesma máquina geralmente contém as duas. O pino da lança de uma escavadeira suporta radialmente o peso da lança e a reação de escavação, enquanto as cargas laterais na caçamba produzem empuxo axial nas extremidades do pino. O eixo de uma bomba centrífuga recebe carga radial do desbalanceamento hidráulico do rotor e carga axial da diferença de pressão através do rotor. O cubo de roda de um veículo suporta o peso do veículo radialmente e a força de curva axialmente.

Cargas combinadas e como são suportadas

A maioria das articulações recebe as duas cargas ao mesmo tempo. Três arranjos as suportam. Uma bucha cilíndrica com uma arruela de encosto separada mantém cada carga em sua própria superfície e permite dimensionar e substituir cada uma de forma independente; é a escolha habitual em máquinas pesadas. Uma bucha flangeada combina as duas em uma só peça: o corpo cilíndrico suporta a carga radial e o flange suporta uma carga axial leve a moderada, além de posicionar a bucha no alojamento. Um par de buchas com ressaltos no eixo é o terceiro arranjo, comum em mecanismos pequenos.

O flange de uma bucha flangeada não é um mancal axial completo. Ele é fino, geralmente não é lubrificado na face traseira e tem área pequena, por isso serve para cargas de posicionamento e empuxo ocasional, e não para carga axial contínua. Quando a componente axial for significativa, especifique uma arruela de encosto.

O que cada carga faz com o mancal

A carga radial determina a pressão na parede ao longo do arco carregado, o filme hidrodinâmico em um mancal lubrificado a óleo e, por meio da folga de trabalho, quanto o eixo se desloca do centro. Carga radial excessiva para o material produz escoamento plástico da camada de deslizamento (bronze e bimetal), fluência do polímero (PTFE, POM) ou trincas por fadiga sob carga cíclica. O desalinhamento transforma uma carga radial distribuída em carga de borda em uma das extremidades do furo, que é a causa mais comum de falha prematura de buchas em pivôs.

A carga axial determina a pressão na face de encosto. Como as faces de encosto são pequenas e sua velocidade de deslizamento aumenta com o raio, elas trabalham mais quentes que as buchas cilíndricas sob a mesma pressão; o limite de PV, e não o limite de carga, costuma ser o primeiro a ser ultrapassado. O lubrificante precisa ser conduzido até a face por canais radiais, já que não consegue entrar pela lateral como em uma bucha cilíndrica.

A carga específica p e a velocidade de deslizamento v são verificadas separadamente contra p máx., v máx. e (p·v) máx. do material. Atingir um dos limites não deixa margem para os outros.

Fatores que alteram a distribuição da carga

O cálculo nominal supõe que a carga se distribui uniformemente sobre a área projetada. Na prática, vários fatores pioram essa distribuição.

• Desalinhamento entre eixo e alojamento concentra a carga radial em uma das extremidades do furo (carga de borda). Construções autocompensadoras, buchas mais curtas ou um assento esférico reduzem o efeito.
• Relação comprimento/diâmetro: uma bucha longa e esbelta (L/d acima de cerca de 1,5) é mais sensível ao desalinhamento; uma curta (L/d abaixo de 0,5) suporta menos carga e deixa escapar mais lubrificante.
• Folga de trabalho: folga insuficiente priva o filme de lubrificante e engripa o mancal; folga excessiva deixa o eixo sair do centro e martelar sob carga reversível.
• Rigidez do alojamento: um alojamento fino ou ranhurado deixa a bucha se deformar sob carga, e o furo não permanece circular.
• Choques e reversões: cargas cíclicas e reversíveis fadigam a camada de deslizamento a uma pressão menor que uma carga constante; vale o limite de carga dinâmica, não o estático.
• Dilatação térmica: em temperatura, eixo, bucha e alojamento se expandem em ritmos diferentes e a folga muda; a folga é definida para a temperatura de operação, não para a de montagem.

Como calcular a carga específica

Para uma bucha cilíndrica de diâmetro interno d e comprimento L que suporta uma força radial F, a carga específica é p = F / (d × L). Para uma arruela de encosto com diâmetro interno d₁ e diâmetro externo d₂ que suporta uma força axial F, a área da face é A = π (d₂² − d₁²) / 4, descontados os canais, e p = F / A. A velocidade de deslizamento de uma bucha em rotação é v = π d n / 60 (d em metros, n em rpm); para uma arruela, use o diâmetro médio (d₁ + d₂) / 2.

Exemplo prático: uma bucha de bronze com 50 mm de diâmetro interno × 60 mm de comprimento suportando 60 kN radiais trabalha com p = 60.000 / (50 × 60) = 20 N/mm². A 30 rpm, a velocidade de deslizamento é π × 0,050 × 30 / 60 = 0,079 m/s, portanto p·v = 1,6 N/mm²·m/s. Os dois valores são então verificados contra os limites publicados para o material escolhido.

Nossa calculadora de carga de mancais faz essas contas para buchas e arruelas. Quando as condições de trabalho estiverem próximas de um limite, envie-as com a solicitação e confirmaremos o material para elas.

Como escolher o elemento de mancal para a carga

Para uma carga predominantemente radial, especifique uma bucha cilíndrica e dimensione-a por p e p·v; bronze lubrificado, bimetal ou aço temperado para serviço pesado e lento; composto de PTFE, bronze grafitado ou bronze sinterizado onde a articulação não pode ser engraxada. Para uma carga predominantemente axial, especifique uma arruela de encosto nos mesmos materiais e conduza o lubrificante até a face com canais radiais. Para uma carga combinada, use bucha mais arruela quando o empuxo for contínuo, ou uma bucha flangeada quando ele for uma carga de posicionamento ou ocasional.

Qualquer que seja o arranjo, informe a direção, a magnitude e o ciclo de trabalho da carga na solicitação. O desenho mostra a geometria; só as cargas nos dizem qual material vai sobreviver nela.