Tolerância de ajuste de rolamentos: Como especificar furos de alojamento e diâmetros de eixo que não falham

A tolerância de ajuste de um rolamento é a interferência ou folga controlada entre o anel interior ou exterior de um rolamento e o eixo correspondente ou o furo da caixa. Se o ajuste for incorreto — demasiado folgado —, o rolamento gira no seu assento, causando atrito na caixa e gerando resíduos que destroem os elementos rolantes. Se for demasiado apertado, o rolamento fica sob pré-carga interna, aquece e falha prematuramente. Este guia aborda as classes de ajuste ISO, quando utilizar ajustes com interferência em vez de ajustes com folga, como indicar as tolerâncias no seu desenho de maquinagem e os erros mais comuns nas especificações de ajuste que surgem na revisão do projeto.

A seleção dos rolamentos é alvo de atenção. A tolerância de ajuste dos rolamentos é ignorada até que algo falhe.

As capacidades de carga indicadas pelo fabricante do rolamento pressupõem que o rolamento está corretamente instalado, o que significa que o anel interior é suportado uniformemente pelo eixo e o anel exterior é suportado uniformemente pela caixa. Ambas as premissas exigem uma tolerância de ajuste correta. Um ajuste com interferência que seja 0,01 mm demasiado folgado num eixo em rotação sob carga permite que o anel sofra um microdeslizamento. Esse microdeslizamento gera corrosão por atrito, produz resíduos de óxido de ferro e dá início à fadiga na pista de rolamento, tudo isto enquanto a capacidade de carga do rolamento permanece inalterada, pelo menos no papel.

A tolerância de ajuste que evita esta situação não é complicada de especificar. O que é complicado é o facto de esta interagir com o material do eixo, o material da carcaça, a temperatura de funcionamento, a direção da carga, a velocidade de rotação e o método de instalação de formas que as orientações genéricas não conseguem abranger na totalidade. Este guia apresenta-lhe uma abordagem sistemática.

Em Precisão Yicen, os furos dos rolamentos e os munhões dos eixos são normalmente fabricados com tolerâncias IT5 e IT6 — o intervalo em que se enquadram a maioria das especificações de ajuste dos rolamentos. Segue-se o quadro técnico para a sua especificação correta.

Compreender o ajuste dos rolamentos: o que significam os números

Noções básicas sobre o sistema de tolerâncias ISO

Os ajustes dos rolamentos são especificados utilizando o sistema de tolerâncias ISO 286, que define a posição e a dimensão de uma zona de tolerância através de uma letra (posição em relação ao valor nominal) e de um número (grau de tolerância ou grau IT).

No caso dos eixos, utilizam-se letras minúsculas: k, m, n para encaixes com interferência; h para encaixe deslizante; g, f, e para encaixes com folga. No caso dos furos dos alojamentos, utilizam-se letras maiúsculas: K, M, N para encaixes com interferência; H para encaixe neutro; G, F, E para encaixes com folga.

O número da classe IT define o intervalo total de tolerância. A classe IT5 permite menos variação do que a IT6, que, por sua vez, permite menos variação do que a IT7. Para assentos de rolamentos:

• O IT5 é utilizado em aplicações de alta precisão (fusos de máquinas-ferramentas, instrumentos de precisão)
• A norma IT6 é a norma aplicável à maioria das aplicações industriais
• O IT7 é utilizado em aplicações com cargas ligeiras ou em locais de montagem de rolamentos não críticos

Combinando estes elementos: uma especificação do eixo de k6 significa um ajuste com interferência (k) com grau de tolerância IT6. Uma especificação do alojamento de H7 significa um ajuste neutro a folga (H) com grau de tolerância IT7. A interferência ou folga efetivamente produzida depende do diâmetro nominal do furo e dos valores de tolerância específicos constantes das tabelas da norma ISO 286.

Quando utilizar ajustes com interferência em vez de ajustes com folga

Qual dos anéis do rolamento gira em relação à carga?

Esta é a questão fundamental. A regra é simples: o anel que gira em relação à direção da carga deve ter um ajuste com interferência. O anel que permanece fixo em relação à carga pode ter um ajuste com folga ou uma ligeira interferência.

Numa aplicação típica do eixo de um motor elétrico, o eixo roda e a carcaça permanece fixa. A carga exercida sobre o rolamento (resultante da tensão da correia, da força da engrenagem ou da gravidade) é fixa no espaço — aponta sempre na mesma direção, independentemente da rotação do eixo. Assim, o anel interior roda em relação à carga, enquanto o anel exterior permanece fixo em relação à carga.

Resultado: o anel interior requer um ajuste com interferência (k6 ou m6 no eixo). O anel exterior pode ter um ajuste mais folgado (H6 ou H7 no alojamento).

Se a carga rodar juntamente com o eixo — como num cubo de roda, em que o cubo roda e o eixo permanece fixo —, a lógica inverte-se: o anel exterior fica com um ajuste por interferência no furo do cubo rotativo, enquanto o anel interior utiliza um ajuste mais folgado no eixo fixo.

Errar neste ponto é um dos erros mais comuns na especificação do ajuste dos rolamentos. Um anel interior com um ajuste com folga numa aplicação com carga rotativa acabará por girar no próprio eixo em poucos meses.

Recomendações padrão de ajuste por aplicação

Cargas radiais normais, com o eixo em rotação:

• Eixo: k6 (ajuste com folga) para d < 100 mm; m6 para d 100–140 mm
• Caixa: H7 (distância até à posição neutra)
• Interferência típica produzida: +5 a +20 µm no eixo

Cargas radiais pesadas ou de choque, eixo em rotação:

• Eixo: n6 ou p6 (interferência média a elevada)
• Caixa: H6 (tolerância da caixa mais apertada do que a padrão)
• Folga típica: +15 a +40 µm no eixo

Apenas cargas axiais (rolamentos de empuxo):

• Ambos os anéis podem ter um ajuste folgado — a carga é transmitida através das faces dos anéis, e não pelo contacto com o furo
• Eixo: j6 ou h6
• Caixa: H7 ou G7

Anel exterior rotativo (aplicações em cubos de roda):

• Diâmetro do furo do alojamento: N7 ou M7 (interferência no elemento rotativo)
• Eixo: h6 ou g6 (ajuste deslizante no elemento fixo)

Eixos de máquinas-ferramentas de precisão:

• Eixo: j5 ou k5 (classe IT5, faixa de tolerância mais estreita)
• Caixa: H5 ou J5
• Exige uma precisão IT5 ou superior nas características usinadas — o que pode ser alcançado através de retificação de precisão ou mandrilagem de precisão, e não através de torneamento padrão

Como a expansão térmica altera o cálculo do ajuste

Os cálculos de ajuste com interferência à temperatura ambiente constituem um ponto de partida, não um ponto final. A temperatura de funcionamento altera a interferência.

Os eixos e os rolamentos de aço têm coeficientes de expansão térmica semelhantes (aproximadamente 12 µm/m°C). Um rolamento de aço num eixo de aço, dentro de uma caixa de aço, não sofre alterações significativas no ajuste com a variação da temperatura.

O problema reside nas caixas de alumínio. O alumínio expande-se a uma taxa de cerca de 23 µm/m°C — quase o dobro da taxa do aço. Um ajuste por interferência especificado a 20 °C para uma caixa de alumínio pode tornar-se um ajuste com folga a uma temperatura de funcionamento de 80 °C.

O cálculo: para um furo de 62 mm numa caixa de alumínio com um anel exterior de aço, um aumento de temperatura de 60 °C produz aproximadamente: 62 mm × (23 − 12) µm/m°C × 60 °C = 40,9 µm de folga adicional. Um ajuste que apresentava uma interferência de 15 µm à temperatura ambiente passa a ter uma folga de 26 µm à temperatura de funcionamento. O anel exterior está agora a girar.

No caso das caixas de alumínio, aumente a interferência inicial de acordo com o diferencial de expansão térmica à temperatura máxima de funcionamento. Ou especifique a inserção de uma manga de aço no furo da caixa, o que elimina o problema de expansão do alumínio na sede do rolamento.

Indicação das tolerâncias dos rolamentos num desenho de maquinagem

A indicação de tolerância no seu desenho determina o que o seu fornecedor de usinagem produz. Indicações vagas resultam em peças com aspeto correto, mas que não passam nas verificações de ajuste na montagem.

Pino do eixo: Especifique o diâmetro nominal do eixo, a designação da tolerância (por exemplo, φ25 k6) e os valores explícitos de desvio superior e inferior entre parênteses, para maior clareza. Para φ25 k6, os desvios são de +15/+2 µm, o que significa que o eixo acabado deve medir entre 25,002 e 25,015 mm. A característica deve apresentar uma tolerância de cilindricidade (e não apenas de circularidade) igual a metade do valor do grau IT ou superior.

Diâmetro do alojamento: Especifique o diâmetro nominal, a designação da tolerância (por exemplo, φ52 H7) e os desvios explícitos. Para φ52 H7, os desvios são de 0/+30 µm, o que significa que o diâmetro interior deve medir entre 52,000 e 52,030 mm. Especifique a cilindricidade e a perpendicularidade do eixo do diâmetro interior em relação à linha central do eixo.

Acabamento da superfície: As sedes dos rolamentos exigem um valor de Ra de 0,8 µm ou inferior. As superfícies mais rugosas reduzem a interferência efetiva — os picos da superfície são esmagados durante a instalação e o contacto efetivo do rolamento é inferior à interferência nominal. Para aplicações de precisão, o valor de Ra de 0,4 µm é o padrão nos munhões de eixo retificados.

Em Precisão Yicen, os mancais e os furos das caixas são regularmente fabricados com precisão IT5 e IT6, com um acabamento superficial de Ra 0,8 µm. A verificação por CMM é padrão antes do envio.

Método de instalação e o seu efeito no ajuste pretendido

A forma como um rolamento é instalado influencia o grau de interferência inicial que é necessário especificar.

Prensagem a frio (prensagem mecânica à temperatura ambiente) é o método de instalação mais comum. A força máxima de prensagem é aproximadamente: F = µ × p × π × d × B, em que µ é o coeficiente de atrito, p é a pressão de interface resultante da interferência, d é o diâmetro do furo e B é a largura do rolamento. Para um ajuste k6 num eixo de 40 mm, a força de pressão é normalmente de 10–30 kN. Exceder este valor danifica os elementos rolantes — nunca pressione um rolamento aplicando força através dos elementos rolantes.

Instalação térmica (aquecimento do rolamento para expandir o furo, de modo a permitir a montagem por deslizamento) é utilizado para montagens com interferência mais elevada e rolamentos de maiores dimensões. O aquecimento a 80–100 °C acima da temperatura ambiente expande um furo de 100 mm em aproximadamente 120–150 µm, proporcionando a folga necessária para a montagem por deslizamento, mesmo em montagens p6. Nunca exceda os 120 °C — isto pode afetar a estabilidade dimensional e a dureza do rolamento.

Montagem hidráulica Recorre à injeção de óleo através de um racor hidráulico no eixo para separar temporariamente as superfícies durante a instalação. Utilizado em rolamentos de furo cónico de grandes dimensões — na gama de 150 mm e acima, onde os métodos de pressão e térmicos se tornam impraticáveis.

A especificação do método de instalação na documentação de projeto determina que tipo de interferência é viável especificar. Um ajuste p6 que exija montagem hidráulica num eixo que a equipa de montagem pretenda encaixar a frio constitui um erro de projeto.

Conclusão

A tolerância de ajuste do rolamento não é um pormenor. Trata-se de um modo de falha primário que é erroneamente atribuído à qualidade do rolamento, à lubrificação ou aos cálculos de carga, quando a causa principal é um furo ou um eixo que foi maquinado com uma classe de tolerância errada.

Especifique os ajustes com base na direção da carga e na rotação. Tenha em conta a expansão térmica se a caixa for de alumínio ou se a temperatura de funcionamento for significativamente superior à temperatura ambiente. Indique explicitamente as tolerâncias no desenho de maquinagem — não apenas a designação ISO, mas também os valores reais de desvio. E especifique o acabamento superficial: Ra 0,8 µm não é opcional nos assentos dos rolamentos.

Solicite um orçamento à Yicen Precision para furos de alojamento de rolamentos e munhões de eixo maquinados com precisão IT5 e IT6, com verificação por CMM.

Perguntas mais frequentes

Qual é a tolerância padrão para o furo de uma caixa de rolamentos? 

Na maioria das aplicações industriais com um eixo rotativo e uma caixa fixa, o furo da caixa é especificado como H7 — uma zona de tolerância que vai do valor nominal (H = desvio inferior zero) até ao valor nominal mais o valor de tolerância IT7. Para um furo de carcaça de 52 mm, H7 especifica um diâmetro de furo entre 52,000 e 52,030 mm. As aplicações que exigem maior precisão utilizam H6; os fusos de máquinas-ferramentas de precisão podem utilizar H5 ou superior, o que requer retificação em vez de mandrilagem.

O que acontece se o ajuste de um rolamento for demasiado folgado? 

Um anel de rolamento que esteja demasiado solto em relação à sua superfície de contacto irá sofrer microdeslizamentos sob carga — o anel oscila ligeiramente no seu assento durante cada ciclo de carga. Isto gera corrosão por atrito, produz resíduos de óxido de ferro e dá origem a fissuras por fadiga na interface. Os resíduos migram para o percurso dos elementos rolantes e aceleram o desgaste da pista de rolamento. A avaria manifesta-se como danos na superfície do rolamento, mas tem origem nas especificações de ajuste. Diagnóstico padrão: marcas de atrito (óxido castanho-avermelhado) no munhão do eixo ou na superfície do furo da caixa.

Como devo ter em conta a expansão térmica nas caixas de alumínio? 

Calcule a expansão térmica diferencial entre o alumínio e o aço ao longo da sua gama de temperaturas de funcionamento. O alumínio expande-se a 23 µm/m°C; o aço, a 12 µm/m°C. Por cada grau de aumento de temperatura, a caixa de alumínio expande-se 11 µm/m mais do que o anel exterior do rolamento de aço. Multiplique o diâmetro do furo por 11 µm/m°C e pelo aumento de temperatura previsto para obter a folga adicional gerada à temperatura de funcionamento. Adicione este valor à sua especificação de interferência à temperatura ambiente para garantir que se mantém um ajuste adequado à temperatura de funcionamento.

Que acabamento superficial é necessário num munhão do eixo de um rolamento? 

Ra 0,8 µm é o requisito padrão para os munhões dos eixos de rolamentos em aplicações industriais gerais. Superfícies mais rugosas reduzem a interferência efetiva, uma vez que os picos da superfície são esmagados durante a instalação e o contacto real é menor do que o calculado com base na interferência nominal assumida. Para aplicações em fusos de precisão, o Ra de 0,4 µm ou melhor é o padrão, normalmente obtido através de retificação cilíndrica após o torneamento. As superfícies torneadas sem retificação atingem normalmente um Ra de 0,8–1,6 µm, dependendo da velocidade de avanço e do estado da ferramenta.

Posso utilizar a mesma especificação de ajuste tanto para os anéis de rolamento internos como para os externos? 

Não. O ajuste de cada anel depende do facto de este rodar ou não em relação à direção da carga. O anel rotativo (em relação à carga) requer um ajuste com interferência; o anel fixo pode utilizar um ajuste mais folgado ou com folga. Na maioria das aplicações em motores elétricos e caixas de velocidades, o anel interior roda com o eixo e necessita de interferência, enquanto o anel exterior permanece fixo no alojamento e utiliza H7 ou equivalente. Utilizar interferência em ambos os anéis não é incorreto, mas aumenta a dificuldade de instalação e é desnecessário para o anel fixo. 

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