Uma engrenagem é um tipo de mecanismo que possui duas ou mais rodas de engrenagem, que são usadas para transmitir potência mecânica de um componente para outro.[1][2] Se as duas rodas forem de tamanhos diferentes, a maior é chamada de coroa "Coroa (mecanismo)") e a menor pinhão "Pinion (mecanismo)").[3] Uma engrenagem serve para transmitir movimento circular através do contato de rodas dentadas.
Uma das aplicações mais importantes das engrenagens é a transmissão do movimento do eixo de uma fonte de energia, como um motor de combustão interna ou um motor elétrico, para outro eixo localizado a uma determinada distância e que deve realizar trabalho. De modo que uma das rodas é conectada pela fonte de energia e é conhecida como roda motriz e a outra é conectada ao eixo que deve receber o movimento do eixo motriz e é chamada de roda motriz.[4] Se o sistema for composto por mais de um par de rodas dentadas, ele é chamado de 'trem'.
A principal vantagem que as transmissões de engrenagens apresentam sobre as transmissões de polias é que elas não escorregam como as polias, o que resulta em precisão na relação de transmissão.
História
Desde a antiguidade, cordas e elementos de madeira têm sido utilizados para resolver os problemas de transporte, propulsão, elevação e movimento “Movimento (física)”). Ninguém sabe ao certo onde ou quando as engrenagens foram inventadas. A literatura da China antiga, Grécia, Turquia e Damasco menciona engrenagens, mas não fornece muitos detalhes sobre elas.
O mecanismo de engrenagem mais antigo cujos vestígios temos é o mecanismo de Anticítera.[5] É uma calculadora astronômica datada entre 150 e 100 AC. C. e composto por pelo menos 30 engrenagens de bronze com dentes triangulares. Apresenta recursos tecnológicos avançados, como trens de engrenagens epicíclicos que, até a descoberta desse mecanismo, se acreditava terem sido inventados no século XX. A partir de citações de Cícero sabe-se que Anticítera não era um exemplo isolado, mas que existiam pelo menos dois outros mecanismos semelhantes naquela época, construídos por Arquimedes e Posidônio. Por outro lado, Arquimedes é frequentemente considerado um dos inventores das engrenagens porque projetou um parafuso sem-fim.
engrenagens
Introdução
Em geral
Uma engrenagem é um tipo de mecanismo que possui duas ou mais rodas de engrenagem, que são usadas para transmitir potência mecânica de um componente para outro.[1][2] Se as duas rodas forem de tamanhos diferentes, a maior é chamada de coroa "Coroa (mecanismo)") e a menor pinhão "Pinion (mecanismo)").[3] Uma engrenagem serve para transmitir movimento circular através do contato de rodas dentadas.
Uma das aplicações mais importantes das engrenagens é a transmissão do movimento do eixo de uma fonte de energia, como um motor de combustão interna ou um motor elétrico, para outro eixo localizado a uma determinada distância e que deve realizar trabalho. De modo que uma das rodas é conectada pela fonte de energia e é conhecida como roda motriz e a outra é conectada ao eixo que deve receber o movimento do eixo motriz e é chamada de roda motriz.[4] Se o sistema for composto por mais de um par de rodas dentadas, ele é chamado de 'trem'.
A principal vantagem que as transmissões de engrenagens apresentam sobre as transmissões de polias é que elas não escorregam como as polias, o que resulta em precisão na relação de transmissão.
História
Desde a antiguidade, cordas e elementos de madeira têm sido utilizados para resolver os problemas de transporte, propulsão, elevação e movimento “Movimento (física)”). Ninguém sabe ao certo onde ou quando as engrenagens foram inventadas. A literatura da China antiga, Grécia, Turquia e Damasco menciona engrenagens, mas não fornece muitos detalhes sobre elas.
O mecanismo de engrenagem mais antigo cujos vestígios temos é o mecanismo de Anticítera.[5] É uma calculadora astronômica datada entre 150 e 100 AC. C. e composto por pelo menos 30 engrenagens de bronze com dentes triangulares. Apresenta recursos tecnológicos avançados, como trens de engrenagens epicíclicos que, até a descoberta desse mecanismo, se acreditava terem sido inventados no século XX. A partir de citações de Cícero sabe-se que Anticítera não era um exemplo isolado, mas que existiam pelo menos dois outros mecanismos semelhantes naquela época, construídos por Arquimedes e Posidônio. Por outro lado, Arquimedes é frequentemente considerado um dos inventores das engrenagens porque projetou um parafuso sem-fim.
Exemplos muito antigos de máquinas com engrenagens também foram preservados na China. Um exemplo é a chamada “carruagem voltada para o sul” (120-250 dC), um mecanismo engenhoso que mantinha o braço de uma figura humana sempre apontando para o sul graças ao uso de engrenagens diferenciais epicíclicas. Um pouco antes, por volta de 50 d. C., são as engrenagens helicoidais esculpidas em madeira e encontradas em uma tumba real na cidade chinesa de Shensi.[5].
Não está claro como a tecnologia das engrenagens foi transmitida nos séculos subsequentes. É possível que o conhecimento contemporâneo do mecanismo de Anticítera tenha sobrevivido e contribuído para o florescimento da ciência e da tecnologia no mundo islâmico dos séculos IX a XIII. Por exemplo, um manuscrito andaluz do século menciona pela primeira vez o uso em relógios mecânicos de engrenagens epicíclicas e segmentadas.[6] Obras islâmicas sobre astronomia e mecânica podem ter sido a base que permitiu que calculadoras astronômicas fossem fabricadas novamente na Idade Moderna. No início do Renascimento esta tecnologia foi utilizada na Europa para o desenvolvimento de relógios sofisticados, na maioria dos casos destinados a edifícios públicos como catedrais.[7].
Leonardo da Vinci, que morreu na França em 1519, deixou numerosos desenhos e diagramas de alguns dos mecanismos utilizados diariamente hoje, incluindo vários tipos de engrenagens helicoidais.
Os primeiros dados existentes sobre a transmissão da rotação com velocidade angular uniforme por meio de engrenagens correspondem ao ano de 1674, quando o famoso astrônomo dinamarquês Olaf Roemer (1644-1710) propôs a forma ou perfil do dente epicicloide.
Robert Willis (1800-1875), considerado um dos primeiros engenheiros mecânicos, foi quem obteve a primeira aplicação prática do epicicloide ao utilizá-lo na construção de uma série de engrenagens intercambiáveis. Da mesma forma, a ideia de utilizar o círculo evolvente no perfil do dente partiu dos primeiros matemáticos, mas as implementações práticas também se devem a Willis. Willis é o responsável pela criação do odontógrafo, aparelho utilizado para traçar simplificadamente o perfil do dente evolvente.
É muito possível que o francês Phillipe de Lahire tenha sido o primeiro a conceber o dente perfil involuto em 1695, logo após Roemer conceber o dente epicíclico.
A primeira aplicação prática do dente evolvente deveu-se ao suíço Leonhard Euler (1707). Em 1856, Christian Schiele descobriu o sistema de fresamento de engrenagens retas utilizando a fresa "Cutter (ferramenta)"), mas o procedimento só seria colocado em prática em 1887, com base na patente Grant.[8].
Em 1874, o americano William Gleason inventou a primeira fresadora de engrenagens cônicas e graças à ação de seus filhos, especialmente de sua filha Kate Gleason (1865-1933), transformou sua empresa Gleason Works, com sede em Rochester (Nova York, EUA) em um dos mais importantes fabricantes de máquinas-ferramenta do mundo.
Em 1897, o inventor alemão Robert Hermann Pfauter (1854-1914), inventou e patenteou uma máquina universal para dentadura de dentes retos e engrenagens helicoidais por fresa. Como resultado desta invenção e de muitas outras invenções e aplicações que fez na usinagem de engrenagens, fundou a Pfauter Company que, com o tempo, se tornou uma multinacional fabricante de todos os tipos de máquinas-ferramentas.
Em 1905, M. Chambon, de Lyon (França), foi o criador da máquina para dentição de engrenagens cônicas pelo processo de fresagem. Nessa época, André Citroën inventou as engrenagens de dupla hélice.[9].
Em 1906, o engenheiro e empresário alemão Friedrich Wilhelm Lorenz (1842-1924) especializou-se na criação de máquinas e equipamentos para usinagem de engrenagens e em 1906 fabricou uma fresadora de engrenagens capaz de usinar os dentes de uma roda com diâmetro de 6 m, módulo 100 e comprimento de dente de 1,5 m.
No final do século, coincidindo com a era de ouro do desenvolvimento de engrenagens, o inventor e fundador da Fellows Gear Shaper Company, Edwin R. Fellows (1846-1945), inventou um método revolucionário para usinar engrenagens helicoidais glóbicas, como aquelas montadas em caixas de direção de veículos antes de serem hidráulicas.
Tipos de engrenagens
Contenido
La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado. Según estos criterios existen los siguientes tipos de engranajes:.
Eficiência dos redutores de velocidade
No caso de Winsmith varia entre 80% e 90%, nas helicoidais de Brook Hansen e Stöber entre 95% e 98%, e nas planetárias em torno de 98% ou (98^(# de estágios).
Características que definem uma engrenagem reta
Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.
Hay dos tipos de engranajes, los llamados de diente normal y los de diente corto cuya altura es más pequeña que el considerado como diente normal. En los engranajes de diente corto, la cabeza del diente vale (), y la altura del pie del diente vale () siendo el valor de la altura total del diente ().
Involuta do círculo base
Para o movimento que é transmitido entre um par de engrenagens, assume-se que dois rolos estão em contato, onde não há deslizamento, o diâmetro desses rolos é conhecido como diâmetro primitivo dp e o círculo que é construído com dp é conhecido como círculo primitivo. Com um dente de engrenagem o objetivo é prolongar a ação dos rolos, e é por isso que o perfil que os descreve é evolvente ou evolvente. Para desenhar a envolvente é necessário primeiro definir o círculo base (ver fig. seguinte).
i.- Partindo do círculo primitivo Cp, no quadrante superior traça-se uma linha horizontal tangente ao círculo, obtendo-se o ponto A.
ii.- Em seguida, passando pelo ponto A, traça-se a linha reta de contato com ângulo Ψ (pressão).
iii.- A seguir, constrói-se o círculo base concêntrico ao círculo primitivo tangente à linha de contato, que foi traçada utilizando o ângulo de pressão Ψ, obtendo-se assim o ponto B e o raio base rb (segmento OB).
Para desenhar a evolvente (ver figura seguinte), deve-se traçar um raio do círculo base formando um ângulo θ em relação ao eixo x, obtendo-se assim o ponto B, a seguir traçamos uma reta tangente ao círculo base a partir do ponto B e de comprimento igual ao arco AB, onde A é o ponto de intersecção do círculo base com o eixo x. Obteremos então um ponto (x, y) que pertence ao lugar geométrico da evolvente do círculo base.
Se repetirmos o procedimento anterior três vezes para diferentes θ e unirmos os pontos (x, y) obtidos através de gabaritos curvos, veremos um esboço semelhante ao mostrado na figura a seguir.
As equações paramétricas que modelam o lugar geométrico evolvente do círculo base podem ser expressas como:.
As fórmulas anteriores correspondem ao cálculo dos dentes de uma bicicleta, porém Darle W. Dubley em seu livro Manual of Gears, coloca o ponto P (ver página 270) na curva, e está localizado no eixo x, a normal no ponto P é o eixo y, as fórmulas foram desenvolvidas por Allan Candee.
Formação de dentes de engrenagem
Há uma variedade de processos para formar dentes de engrenagem, como fundição em areia, fundição em casca, fundição em revestimento, fundição em molde permanente, fundição sob pressão e fundição centrífuga.
Os dentes também são formados pelo processo de metalurgia do pó ou, por extrusão, uma única barra de alumínio pode ser formada e depois fatiada em engrenagens. Engrenagens que suportam grandes cargas, em comparação com seu tamanho, geralmente são feitas de aço e cortadas com fresas formadoras ou geradoras. No corte de conformação, o espaço do dente assume o formato exato da fresa. No corte de geração, uma ferramenta que possui um formato diferente do perfil do dente é movida em relação ao disco de engrenagem, para obter o formato adequado do dente.
Um dos métodos mais recentes e promissores de conformação de dentes é denominado conformação a frio ou laminação a frio, em que as matrizes rolam contra discos de aço para formar os dentes. As propriedades mecânicas do metal são bastante melhoradas pelo processo de laminação e, ao mesmo tempo, é obtido um perfil gerado de alta qualidade. Os dentes da engrenagem são usinados por fresamento, aplainamento ou fresamento. Eles são acabados por escovação, polimento, lixamento ou polimento.
Engrenagens feitas de termoplásticos como náilon, policarbonatos ou acetal são bastante populares e são facilmente fabricadas por moldagem por injeção. Essas engrenagens possuem precisão baixa a média, baixo custo para grandes quantidades de produção e capacidade de carga leve, podendo ser utilizadas sem lubrificação.
Fresagem
Os dentes da engrenagem podem ser cortados com uma fresadora de formato para caber na folga do dente. Em teoria, ao usar este método, você precisa usar uma fresa diferente para cada engrenagem, porque uma com 25 dentes, por exemplo, terá uma folga de dente de formato diferente de outra com, digamos, 24. Na realidade, a mudança no espaçamento não é tão grande e foi determinado que apenas oito fresas podem ser usadas para cortar com precisão razoável qualquer engrenagem, na faixa de 12 dentes por cremalheira. Obviamente, é necessário um conjunto separado de brocas para cada etapa.
Engrenagens de dentes helicoidais
Los engranajes cilíndricos de dentado helicoidal están caracterizados por su dentado oblicuo con relación al eje de rotación. En estos engranajes el movimiento se transmite de modo igual que en los cilíndricos de dentado recto, pero con mayores ventajas. Los ejes de los engranajes helicoidales pueden ser paralelos o cruzarse, generalmente a 90°. Para eliminar el empuje axial el dentado puede hacerse doble helicoidal.
Los engranajes helicoidales tienen la ventaja de transmitir más potencia que los rectos, y también pueden transmitir más velocidad, son más silenciosos y más duraderos; además, pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. De sus inconvenientes se puede decir que se desgastan más que los rectos, son más caros de fabricar y necesitan generalmente más engrase que los rectos.[13].
Lo más característico de un engranaje cilíndrico helicoidal es la hélice que forma, siendo considerada la hélice como el avance de una vuelta completa del diámetro primitivo del engranaje. De esta hélice deriva el ángulo β que forma el dentado con el eje axial. Este ángulo tiene que ser igual para las dos ruedas que engranan pero de orientación contraria, o sea: uno a derechas y el otro a izquierda. Su valor se establece a priori de acuerdo con la velocidad que tenga la transmisión, los datos orientativos de este ángulo son los siguientes:.
Velocidad lenta: β = (5° - 10°).
Velocidad normal: β = (15° - 25°).
Velocidad elevada: β = 30°.
Las relaciones de transmisión que se aconsejan son más o menos parecidas a las de los engranajes rectos.
Fórmulas de construção de engrenagens helicoidais cilíndricas
Como consequência da hélice que possuem as engrenagens helicoidais, seu processo de corte é diferente do de uma engrenagem reta, pois é necessária uma transmissão cinemática para que seja possível obter a hélice desejada. Alguns dados dimensionais dessas engrenagens são diferentes das engrenagens de dentes retos.
Os demais dados como adendo, dedendum e distância entre centros têm os mesmos valores das engrenagens retas.
Engrenagens helicoidais duplas
Este tipo de engrenagens foram inventadas pelo fabricante de automóveis francês André Citroën e o objetivo que alcançam é eliminar o impulso axial que as engrenagens helicoidais simples possuem. Os dentes das duas engrenagens formam uma espécie de V.
As engrenagens duplas são uma combinação de hélice direita e esquerda. O empuxo axial absorvido pelos suportes ou mancais das engrenagens helicoidais é uma desvantagem delas e é eliminado pela reação do empuxo igual e oposto de um ramo simétrico de uma engrenagem helicoidal dupla.
Uma engrenagem de hélice dupla sofre apenas metade do erro de escorregamento de uma hélice simples ou engrenagem de dentes retos. Toda a discussão relacionada às engrenagens helicoidais simples (eixo paralelo) é aplicável às engrenagens helicoidais duplas, exceto que o ângulo helicoidal é geralmente maior para engrenagens helicoidais duplas, uma vez que não há empuxo axial.
No método inicial de fabricação, as engrenagens duplas, conhecidas como espinha de peixe, possuíam um canal central para separar os dentes opostos, facilitando a usinagem. O desenvolvimento da geração de máquinas de entalhar, tipo Sykes, possibilita dentes contínuos, sem folga central.
A título de curiosidade, a empresa Citroën adaptou em seu logotipo a pegada produzida pelo rolamento das engrenagens de dupla hélice. Isso porque André Citroën, em viagem em família à Polônia, reencontra um parente que desenvolveu um procedimento para esculpir em madeira de baixo custo “engrenagens em V de ponta dupla” usadas para prensar trigo em moinhos para fazer farinha. De volta à França, André levou consigo a ideia de fazer engrenagens semelhantes com pinos de aço, e patenteou.
engrenagens cônicas
Los engranajes cónicos tienen forma de tronco de cono y permiten transmitir movimiento entre ejes que se cortan.[14] Sus datos de cálculo se encuentran en prontuarios específicos de mecanizado.
Engrenagens cônicas de dentes retos
Realizam a transmissão do movimento de eixos que se cruzam no mesmo plano, geralmente em ângulo reto, embora não seja o único ângulo, pois esse ângulo pode variar, como 45, 60, 70, etc., por meio de superfícies dentadas cônicas. Os dentes convergem no ponto de intersecção dos eixos. Eles são usados para reduzir a velocidade com eixos de 90°. Essas engrenagens geram mais ruído do que as engrenagens cônicas helicoidais. Atualmente são muito pouco usados.[15].
Engrenagem cônica helicoidal
Eles são usados para reduzir a velocidade em um eixo de 90°. A diferença do cônico reto é que ele possui uma superfície de contato maior. É relativamente silencioso em operação. Eles também podem transmitir o movimento dos eixos de corte. Os dados construtivos dessas engrenagens são encontrados em manuais técnicos de usinagem. São usinados em fresadoras especiais, atualmente utilizadas em transmissões traseiras de caminhões e automóveis.
Engrenagem cônica hipóide
Uma engrenagem hipóide é um grupo de engrenagens cônicas helicoidais formadas por um pinhão redutor com poucos dentes e uma roda com muitos dentes, que é instalada principalmente em veículos comerciais que possuem tração nos eixos traseiros. Tem a vantagem de ser muito indicado para carrocerias do tipo baixo, ganhando assim muita estabilidade para o veículo. Por outro lado, a disposição helicoidal dos dentes permite maior contato dos dentes do pinhão com os da coroa, obtendo maior robustez na transmissão. Sua usinagem é muito complicada e para isso são utilizadas máquinas de entalhar especiais (Gleason). [16].
Parafuso sem-fim e coroa
É um mecanismo projetado para transmitir grandes forças, que também é utilizado como redutor de velocidade, aumentando o torque na transmissão. Geralmente funciona em eixos que se cruzam em 90°.
Tem a desvantagem de seu sentido de rotação não ser reversível, principalmente em grandes relações de transmissão, e de consumir parte significativa da potência em atrito. A irreversibilidade pode ser útil em alguns casos, por exemplo em mecanismos de abertura/fechamento de cortinas metálicas, dificultando o vandalismo, também em mecanismos de elevação de elevadores e escadas rolantes.
Nas construções da mais alta qualidade, a coroa é de bronze e o sem-fim é de aço temperado para reduzir o atrito. Se este mecanismo transmite grandes forças, deve estar muito bem lubrificado para mitigar o desgaste por fricção.
O número de entradas de um parafuso sem-fim é geralmente de um a oito. Os dados de cálculo destas engrenagens estão em manuais de usinagem.
A engrenagem helicoidal pode ser usinada em tornos, fresas bicônicas ou fresas centrais. A coroa, por sua vez, requer brocas normais ou brocas mãe.[17].
Verme glóbico e coroa.
Normalmente o contato entre os dentes do parafuso sem-fim e os da coroa ocorre em um único ponto, ou seja, sobre uma superfície metálica muito pequena. Portanto, quando a força a ser transmitida é alta, é gerada uma forte pressão no ponto de contato. Para reduzir a pressão, a superfície de contato entre o sem-fim e a coroa pode ser aumentada, aplicando uma das três formas de acoplamento a seguir:[17].
Para a usinagem de parafusos sem-fim glóbicos é utilizado o procedimento de geração encontrado nas máquinas Fellows.
Fórmulas matemáticas para cálculo
Módulo (M) M =P/π.
Passo Axial (P) P= π .M (quando é proveniente de uma entrada P = Ph).
Ângulo de hélice (α, mais de 1 hélice) tan α=(P . N)/(π . Dp) ; tan α= Ph/(π .Dp).
Passo da hélice (mais de uma hélice) Ph=P .N.
Diâmetro primitivo Dp=De-2M.
Diâmetro externo De=Dp+2M.
Diâmetro interno Di=Dp-2,334 x M.
Altura total do filete H=2,167 x M (ângulo de pressão de 14,5° e 20°).
Altura da cabeça do filete H1=M (para qualquer um dos ângulos de pressão).
Altura do pé de bife H2=1,167 x M (Ângulo de pressão de 14,5° e 20°).
Largura na parte inferior do filete (ponta do buril) F=0,95 x M (Ângulo de pressão de 14,5°).
Estas fórmulas foram retiradas do livro "CASILLAS, livro Casillas. Cálculos de Oficina. A.L. Máquinas".
engrenagens planetárias
Engrenagens planetárias, internas ou de coroa são variações da engrenagem de dentes retos nas quais os dentes são cortados na parte interna de uma roda anelar ou flange, e não na parte externa. As engrenagens internas são geralmente acionadas por um pinhão (também chamado de pinhão solar, que é uma engrenagem pequena com poucos dentes). Este tipo de engrenagem mantém a direção da velocidade angular.[18] O corte dessas engrenagens é realizado em máquinas de entalhar de geração.
A eficiência deste sistema redutor planetário é igual a 0,98^(#stages); Ou seja, caso possua 5 estágios de redução, a eficiência deste redutor seria de aproximadamente 0,904 ou 90,4%.
Por possuírem mais dentes em contato do que outros tipos de redutores, são capazes de transferir/suportar mais torque; Portanto, seu uso na indústria está se tornando mais difundido. Uma vez que geralmente um redutor de eixo paralelo convencional em aplicações de alto momento deve recorrer a arranjos de coroa/corrente que não apenas requerem um tamanho maior, mas também envolverão o uso de lubrificantes para o arranjo de coroa/corrente.
A seleção dos redutores planetários é feita como qualquer redutor, dependendo do momento (Newton-metro).
Como qualquer engrenagem, as engrenagens redutoras planetárias estão sujeitas ao atrito e desgaste dos dentes (em inglês pitting e bending).
Como os fabricantes utilizam diferentes formas de apresentar o tempo de operação de suas engrenagens e o momento máximo que elas suportam, a ISO possui normas para regulamentar isso:
ISO 6336 para engrenagens.
ISO 281 para rolamentos e.
UNI 7670 para os eixos.
Desta forma, é possível comparar verdadeiramente as especificações técnicas das engrenagens/redutores e projetar um tempo de operação antes da falha de qualquer uma delas (sejam engrenagens para redutores planetários ou eixos paralelos).
Mecanismo de zíper
O mecanismo de cremalheira aplicado às engrenagens é composto por uma barra com dentes que é considerada uma engrenagem de diâmetro infinito e uma engrenagem de dentes retos de menor diâmetro, e serve para transformar um movimento de rotação do pinhão em um movimento linear da cremalheira, ou vice-versa. Talvez a cremalheira mais conhecida seja aquela equipada com tornos para deslocamento do carro longitudinal.
n: velocidade angular.
z: número de dentes da roda dentada.
p:passo.
Engrenagem intermediária ou intermediária
Em uma malha simples de um par de rodas dentadas, o eixo motriz, denominado eixo do motor, tem sentido de rotação oposto ao do eixo acionado. Muitas vezes, em máquinas, isso não é conveniente, pois é necessário que os dois eixos girem no mesmo sentido. Para atingir este objetivo, é inserida uma terceira engrenagem entre as duas engrenagens que gira livremente sobre um eixo, e a única coisa que faz é inverter o sentido de rotação do eixo motor, pois a relação de transmissão não é alterada em nada. Esta roda intermediária atua como roda motriz e motriz e, portanto, não altera a relação de transmissão.[20] Um exemplo de roda ou pinhão intermediário é o mecanismo reverso de veículos movidos por motores de combustão interna; laminadores de aço também possuem engrenagens intermediárias. Os pinhões planetários dos mecanismos diferenciais "Diferencial (automóvel)") também atuam como engrenagens intermediárias.
Mecanismo de roda dentada de corrente
O mecanismo de roda dentada de corrente é um método de transmissão amplamente utilizado para transmitir um movimento rotativo entre dois eixos paralelos bastante distantes um do outro. É o mecanismo de transmissão utilizado por bicicletas, motocicletas e muitas máquinas e instalações industriais. Também é utilizado para substituir redutores de velocidade por polias quando é importante evitar o deslizamento entre a roda motriz e o mecanismo de transmissão (neste caso uma corrente).
Este mecanismo é composto por três elementos: duas rodas dentadas, uma em cada um dos eixos, e uma corrente fechada. Os dentes das rodas dentadas engatam com muita precisão nos elos da corrente, transmitindo assim o movimento.[21].
Comparado ao sistema correia-polia, o mecanismo pinhão-corrente tem a vantagem de poder transmitir grandes potências com bom desempenho energético, embora seja mais ruidoso e necessite de lubrificantes.[21].
Para calcular a relação de transmissão, as equações das engrenagens são válidas.
Polias dentadas
Para transmissão entre dois eixos separados por uma distância onde não é econômico ou tecnicamente impossível montar uma transmissão por engrenagens, utiliza-se um conjunto com polias dentadas que mantém as mesmas propriedades das engrenagens, ou seja, evitam escorregamentos e mantêm a precisão na relação de transmissão.
Os dados mais importantes das polias dentadas são:.
Número de dentes, passo e largura da polia.
Passo é a distância entre os centros das ranhuras e é medido no círculo primitivo da polia. O círculo primitivo da polia dentada coincide com a linha primitiva da correia correspondente.
As polias dentadas são fabricadas em diversos materiais como alumínio, aço e ferro fundido.
As polias sincronizadoras padrão são fabricadas nos seguintes passos em polegadas: MXL: Mini Extra Light (0,080"), XL: Extra Light (0,200"), L: Light (0,375"), H: Heavy (0,500"), XH: Extra Heavy (0,875") e XXH: Double Extra Heavy (1,250").
As etapas métricas são as seguintes:.
T2.5 (passo de 2,5 mm), T5 (passo de 5 mm), T10 (passo de 10 mm) e T20 (passo de 20 mm).[22][23].
Eixos estriados
Eixos estriados são chamados de eixos estriados quando as ranhuras são usinadas na área onde podem ser acopladas a uma engrenagem ou outros componentes para dar maior rigidez ao acoplamento do que aquela produzida por um simples rasgo de chaveta. Esses eixos estriados não são uma engrenagem em si, mas a forma como são usinados é semelhante à usada para usinar engrenagens e por isso fazem parte deste artigo. Eixos estriados combinam com furos em engrenagens ou outros componentes que foram usinados em broches para um encaixe adequado. Este sistema de fixação é muito robusto. É usado em engrenagens de caixas de câmbio e rolamentos de transmissão. Existe uma norma que regulamenta as dimensões e formato dos eixos estriados, que é a norma DIN-5643.[24].
Aplicações de engrenagens
Existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes, desde los más pequeños usados en relojería e instrumentos científicos (se alcanza el módulo 0,05) a los de grandes dimensiones, empleados, por ejemplo, en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fábricas de cemento, etc.
El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado. Los encontramos en las centrales de producción de energía eléctrica, hidroeléctrica y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automóviles, transporte marítimo en buques de todas clases, aviones, en la industria siderúrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros, fábricas de cemento, grúas, montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria textil, de alimentación, de vestir y calzar, industria química y farmacéutica, etc., hasta los más simples movimientos de accionamiento manual.
Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que tiene por única finalidad la transmisión de la rotación o giro de un eje a otro distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del primero.
Incluso, algunos engranes coloridos y hechos de plástico son usados en algunos juguetes educativos.
bombas hidráulicas
Uma bomba hidráulica é um dispositivo que, recebendo energia mecânica de uma fonte externa, a transforma em energia de pressão transmissível de um local a outro de um sistema hidráulico através de um líquido cujas moléculas estão submetidas precisamente a essa pressão. As bombas hidráulicas são os elementos responsáveis pela propulsão do óleo ou fluido hidráulico, transformando a energia mecânica rotativa em energia hidráulica.[25].
Existe um tipo de bomba hidráulica que possui em seu interior um par de engrenagens com o mesmo número de dentes que, ao girarem, provocam a transferência de óleos ou outros líquidos. Todas as máquinas que possuem circuitos hidráulicos e todos os motores térmicos estão equipados com uma bomba hidráulica para lubrificar as suas partes móveis.
Mecanismo diferencial
A finalidade do mecanismo diferencial é permitir que as rodas motrizes descrevam seus respectivos caminhos sem derrapar no solo quando o veículo faz uma curva. A necessidade deste dispositivo é explicada pelo fato de que nas curvas do carro, as rodas internas percorrem um espaço menor do que as localizadas no lado externo, pois as primeiras descrevem uma circunferência com raio menor que as últimas.
O mecanismo diferencial é composto por uma série de engrenagens dispostas de forma a permitir que as duas rodas motrizes dos veículos girem em velocidades diferentes ao fazer uma curva. Assim, se o veículo fizer uma curva para a direita, as rodas internas giram mais lentamente que as externas, e os satélites têm mais dificuldade em movimentar as engrenagens planetárias dos semi-eixos direitos porque elas começam a girar em torno de seu eixo, fazendo com que as engrenagens planetárias da esquerda girem a uma velocidade um pouco maior. Desta forma provocam uma rotação mais rápida do semi-eixo e da roda motriz esquerda.
O mecanismo diferencial é composto por dois pinhões cônicos chamados engrenagens planetárias, fixados nas extremidades dos rolamentos da roda, e outros dois pinhões cônicos chamados engrenagens planetárias montados nas extremidades de seus eixos porta-planetas e que engatam nas engrenagens planetárias.
Uma variante do diferencial convencional é o diferencial autotravante que é instalado opcionalmente em veículos todo-o-terreno para viajar no gelo ou na neve ou para fazer curvas em alta velocidade no caso de carros de corrida.
caixa de velocidades
Nos veículos, a caixa de câmbio ou caixa de velocidades é o elemento responsável por acoplar o motor e o sistema de transmissão com diferentes relações de transmissão ou engrenagens, de forma que a mesma velocidade de rotação do virabrequim possa ser convertida em diferentes velocidades de rotação nas rodas. O resultado nas rodas motrizes é geralmente uma redução na velocidade de rotação e um aumento no torque.
Os dentes das engrenagens da caixa de câmbio são helicoidais e suas bordas são arredondadas para não produzirem ruídos ou rejeição nas mudanças de velocidade. A fabricação dos dentes da engrenagem é muito cuidadosa para que durem muito. Os eixos das engrenagens são apoiados por rolamentos de esferas e todo o mecanismo é imerso em óleo denso para permanecer continuamente lubrificado.[27].
redutores de velocidade
Redutores de velocidade são mecanismos que transmitem movimento entre um eixo que gira em alta velocidade, geralmente um motor, e outro que gira em velocidade menor, por exemplo, uma ferramenta. Eles são compostos por conjuntos de engrenagens de diferentes diâmetros ou por parafuso sem-fim e coroa.[28].
O redutor básico consiste em um mecanismo de rosca sem-fim e coroa. Neste tipo de mecanismo, o efeito do atrito nos flancos dos dentes faz com que essas engrenagens tenham o menor desempenho de todas as transmissões; Este desempenho está entre aproximadamente 40 e 90%, dependendo das características do redutor e do trabalho a que é submetido. Fatores que aumentam o desempenho:
Existem outras disposições de engrenagens em redutores de velocidade, estas são nomeadas de acordo com a disposição do eixo de saída (eixo lento) em relação ao eixo de entrada (eixo rápido). Assim, seriam os chamados redutores de velocidade de engrenagem coaxial, paralela, ortogonal e mista (paralela + engrenagem sem-fim). Nos trens coaxiais, paralelos e ortogonais considera-se uma eficiência aproximada de 97-98%, nos trens mistos estima-se entre 70% e 90% de eficiência.
Além disso, existem os chamados redutores de velocidade epicíclicos, tecnicamente possuem eixos coaxiais e se diferenciam pelo formato compacto, alta capacidade de transmissão de torque e extrema sensibilidade à temperatura.
As caixas de redução geralmente são fabricadas em ferro fundido cinzento com vedações para que o óleo não escape do interior da caixa.
Características do redutor.
Usinagem de engrenagens
escultura de dentes
Como as engrenagens são mecanismos incorporados na maioria das máquinas que se constroem e principalmente em todas aquelas que incorporam motores térmicos ou elétricos, é necessário que milhões de engrenagens diferentes sejam usinadas todos os dias e, portanto, o nível tecnológico que se tem alcançado para usinar engrenagens é muito elevado tanto nas máquinas que são utilizadas como nas ferramentas de corte que as compõem.
Antes de proceder à usinagem dos dentes, as engrenagens foram passadas por outras máquinas-ferramentas como tornos ou fresadoras onde foram usinadas todas as suas dimensões externas e furos, se houver, deixando os excedentes necessários caso tenham que receber tratamento térmico e posterior usinagem de alguma de suas áreas.
A usinagem dos dentes das engrenagens em nível industrial é realizada em máquinas de corte construídas especificamente para esse fim, denominadas fresadoras.
Características técnicas do modelador LIEBHERR LC-500 (Exemplo)[30].
O corte de engrenagens em uma fresadora universal com mecanismo divisor praticamente não é utilizado, porém o fresamento de eixos estriados com poucas estrias, como rolamentos de roda de caminhão, pode ser feito em uma fresadora universal mas com mecanismo divisor automático e todo o processo de movimentação da fresadora também sendo automatizado.
Engrenagens cilíndricas normais, tanto retas quanto helicoidais, são usinadas em fresadoras de alta produção e alta precisão. Cada fresadora possui suas constantes e transmissões adequadas para a fabricação da engrenagem que está programada. Digite Liebherr, Hurth, Pfauter, etc.
As engrenagens internas não podem ser usinadas em fresadoras universais e para este tipo de usinagem são utilizadas fresadoras denominadas entalhadeiras de geração, tipo Sykes.
Para engrenagens cônicas hipóides, são utilizadas fresadoras especiais do tipo Gleason.[31].
Para usinar parafusos sem-fim esféricos, podem ser utilizadas máquinas especiais do tipo Fellows.
Chanfrar e arredondar os dentes
Esta operação é realizada principalmente nas engrenagens móveis das caixas de velocidades para facilitar o engate quando ocorre a mudança de velocidade. Existem máquinas e ferramentas especiais (Hurth) que realizam esta tarefa.[32].
Afiação de dentes de engrenagem
A retificação dos dentes, quando necessária, é realizada após o endurecimento da peça em processo de tratamento térmico adequado e pode ser realizada por retificação por geração e retificação de perfis ou com ferramentas de CBN retrabalhadas ou com camada galvanizada.
A retificação de engrenagens com rebolos e perfis é uma tecnologia muito avançada e alcançou capacidade notável com o uso de modernas ferramentas de corindo colado.[33].
Polimento
O brunimento de engrenagens é aplicado naquelas que estão sujeitas a alta resistência, por exemplo, o grupo hipóide-anel de pinhão de transmissões de caminhões ou tratores. O brunimento produz uma geometria final de dente de alta qualidade em engrenagens que foram temperadas, ao mesmo tempo que melhora a folga e as estruturas superficiais.
Afiação de broca
As fresas utilizadas para cortar engrenagens têm perfil constante, o que significa que permitem um número muito elevado de afiações quando o fio de corte está deteriorado. Existe uma ampla gama de afiadores no mercado para todos os tipos de ferramentas utilizadas na usinagem de engrenagens.[34] A vida útil da ferramenta é uma das questões mais significativas em relação aos custos e à disponibilidade de produção. As retificadoras modernas são equipadas, por exemplo, com acionamentos diretos, motores lineares e sistemas de medição digital.[35].
Técnicas de roteamento de materiais
Nas indústrias modernas de usinagem automatizada, a técnica de manuseio de materiais inclui o manuseio automático de peças em sistemas de produção, incluindo a carga e descarga de máquinas-ferramentas, bem como o armazenamento de peças.
Gestão econômica da usinagem de engrenagens
Quando os engenheiros projetam uma máquina, equipamento ou utensílio, eles o fazem acoplando uma série de componentes feitos de diferentes materiais que requerem processos de usinagem para atingir tolerâncias operacionais adequadas.
A soma do custo da matéria-prima de uma peça, o custo do processo de usinagem e o custo das peças fabricadas com defeito constituem o custo total de uma peça. O desenvolvimento tecnológico sempre teve como objetivo alcançar a maior qualidade possível dos componentes, bem como o menor preço possível tanto nas matérias-primas como nos custos de usinagem.
Para reduzir o custo de usinagem de engrenagens, foram tomadas ações nas seguintes frentes:
Para reduzir o índice de peças defeituosas, tem sido possível automatizar ao máximo o trabalho das máquinas de entalhar, construindo máquinas de entalhar automáticas muito sofisticadas ou guiadas por controle numérico que realizam a usinagem de acordo com um programa previamente estabelecido.
Cálculo de engrenagem
O cálculo de engrenagens é o projeto e cálculo da geometria de uma engrenagem para sua fabricação. Principalmente os diâmetros e perfil do dente. Os cálculos das transmissões cinemáticas que devem ser montadas nas máquinas de trinchar também são considerados de acordo com as características da engrenagem, e que é função das características da máquina de trinchar utilizada.
Taxas de transmissão
Existem três tipos de transmissões possíveis que são estabelecidas por engrenagens:
A transmissão simples é composta por duas rodas dentadas, o sentido de rotação do eixo motor é oposto ao sentido de rotação do eixo motor e o valor da relação de transmissão é:.
Equação geral de transmissão:
Relação de transmissão:.
Da equação anterior pode-se deduzir que para haverá um aumento na velocidade da roda motriz em relação à roda motriz ou motriz e para haverá uma redução na velocidade da roda motriz em relação à roda motriz (os valores de são geralmente expressos na forma de uma fração). É importante destacar que a relação entre a velocidade de saída e o torque transmitido é inversamente proporcional.
A potência transmitida por um eixo dependendo do torque e de sua velocidade angular de rotação é a seguinte:
onde:.
P, potência transmitida em W (watts).
T, torque em N·m.
ω, velocidade angular em rad/s..
Desprezando o atrito: e.
Igualando ambas as potências temos que a relação de transmissão será equivalente a:.
A transmissão com pinhão intermediário ou intermediário é composta por três engrenagens, onde a engrenagem intermediária serve apenas para inverter o sentido de rotação do eixo acionado e fazê-lo girar no mesmo sentido do eixo do motor. A relação de transmissão é a mesma da transmissão única.
A transmissão composta é utilizada quando a relação de transmissão final é muito alta, não podendo ser alcançada com uma transmissão simples, ou quando a distância entre os eixos é muito grande e seria necessária a confecção de rodas dentadas de grande diâmetro. A transmissão composta consiste em pares intercalados de rodas dentadas ligadas entre o eixo motor e o eixo motor. Essas rodas dentadas giram livremente no eixo em que estão alojadas, mas as duas rodas dentadas são unidas integralmente de modo que uma delas atue como roda dentada motriz e a outra atue como roda dentada acionada. A relação de transmissão das transmissões compostas é:.
Equação geral de transmissão:
Tratamento térmico de engrenagens
As engrenagens estão sujeitas a grandes pressões tanto na superfície de contato e por isso o tratamento que a maioria delas recebe consiste em um tratamento térmico de cimentação ou nitretação, que resulta em grande dureza na área de contato dos dentes e uma tenacidade no núcleo que evita quebras por excesso de tensão.
A cementação consiste no aquecimento prolongado em forno de atmosfera controlada e fornecimento de carbono até que este seja introduzido na superfície das peças até a profundidade desejada. Uma vez cimentada a peça, ela é submetida ao revenido, o que resulta em grande dureza na camada externa, ideal para suportar os esforços de atrito aos quais as engrenagens estão submetidas.
As engrenagens submetidas ao endurecimento são feitas de aços especiais adequados para o endurecimento.
Outras vezes o tratamento térmico aplicado às engrenagens é a nitretação, que se baseia na ação exercida na superfície externa das peças pela ação do carbono e do nitrogênio. A nitretação reduz a taxa crítica de resfriamento do aço, alcançando um maior grau de dureza em uma peça nitretada e revenida do que em uma peça endurecida e revenida, mesmo para o mesmo tipo de material.
Atualmente, e particularmente na indústria automóvel, os aços ligados estão a ser substituídos por aços mais simples dadas as grandes vantagens técnicas que a nitretação oferece (elevada dureza, regularidades de revenido, menos deformações...). Nos processos de nitretação podem ser obtidas camadas entre 0,1-0,6 mm, com dureza na periferia da ordem de 60-66 HRC.
A nitretação é um processo de endurecimento superficial que consiste na penetração de nitrogênio na camada superficial. A dureza e grande resistência ao desgaste advêm da formação de nitretos que formam o nitrogênio e dos elementos presentes nos aços submetidos a tratamento.
Às vezes há engrenagens que sofrem endurecimento por indução onde o aquecimento é limitado à área a ser tratada e é produzido por correntes induzidas alternativas.
Quando um corpo condutor é colocado no campo de uma bobina ou solenóide com correntes de média ou alta frequência, o corpo é envolvido por uma corrente induzida, que produz aquecimento. Para isso, são utilizados indutores que possuem o formato adequado aos dentes que queremos tratar.
A ausência de qualquer contato entre o indutor e a parte aquecida permite obter concentrações em torno de 25.000 W cm-. A velocidade de aquecimento é quase 15 vezes mais rápida que a da tocha.
Para temperar uma peça por indução será necessário que esta tenha uma espessura pelo menos dez vezes superior à espessura a revenir. O sucesso de um bom revenido reside em acertar a frequência da corrente de aquecimento, de modo que produza uma concentração suficiente de corrente induzida na área a ser revenida.
O sistema utilizado no aquecimento é em dois ciclos. 10.000 ciclos para aquecimento da base dos dentes e 375.000 para aquecimento da periferia. Após a realização dos dois aquecimentos, a engrenagem é submersa em água ou óleo dependendo do tipo de aço.
Uma possibilidade que existe para resolver os problemas que aparecem nas engrenagens é o níquel químico. The nickel deposits give the treated piece good resistance to corrosion, great resistance to friction and great hardness with the help of specific precipitates. A niquelagem química garante que as camadas sejam uniformes, desde que todas as partes da peça estejam em contato com a solução e sua composição permaneça constante, sendo que a espessura desta camada varia dependendo do tempo de tratamento e da composição. Antes de serem tratadas, as peças devem passar por outras fases como decapagem, ataque químico, para garantir sua aderência, e outra coisa a se lembrar é que a niquelagem química reproduz na superfície a rugosidade da peça tratada.
Verificação de marcha
A verificação da engrenagem consiste em poder controlar os diferentes parâmetros que a definem.
Paquímetros duplos e micrômetros pires são usados para medir a espessura das cordas.
Medir a espessura do dente usando um paquímetro duplo geralmente é usado apenas quando se lida com engrenagens de módulos grandes e usinagem de desbaste.
Para medir a espessura das engrenagens de precisão, utiliza-se um micrômetro de placa e seleciona-se o número de dentes a serem fixados de forma que o contato entre os flancos dos dentes e as placas ocorra na circunferência primitiva.
A medição do comparador é usada com padrões de configuração para cada operação de controle.
A verificação em um projetor de perfil é usada para medir na imagem ampliada ou verificar através de modelos apropriados todas as características do equipamento.
A medição da excentricidade de uma engrenagem, que é o desvio do diâmetro primitivo em relação ao eixo de referência da peça, pode ser verificada:
As engrenagens mestres são classificadas em diversas qualidades conforme DIN3790 e 58420. Seus dentes, uma vez usinados, passam por um superprocesso de acabamento. Durante a medição de acordo com este princípio, as engrenagens a serem controladas são engrenadas com as engrenagens mestres.[36].
Lubrificação de engrenagens
Las transmisiones por engranajes principalmente las que están sometidas a un gran esfuerzo y funcionamiento de gran velocidad tienen que tener el lubricante adecuado para poder contribuir a conservar sus propiedades mecánicas durante el uso:[37].
La clasificación de los lubricantes de transmisión de uso industrial se realiza según diferentes criterios:[38].
Especificações técnicas de lubrificantes
As especificações dos lubrificantes de transmissão diferem ligeiramente dependendo da entidade que os emitiu.
Na Europa as especificações mais conhecidas são aquelas que a norma DIN 51517 define como LUBRIFICANTES do tipo CLP. Para os fins desta norma, LUBRIFICANTES CLP são aqueles à base de óleo mineral, incluindo aditivos projetados para aumentar as propriedades anticorrosivas (Símbolo C), aumentar a resistência ao envelhecimento (Símbolo L) e diminuir o desgaste (Símbolo P)." Esta norma define viscosidades para os graus ISO 68, 100, 150, 220, 320, 460 e 680.
Escolha do lubrificante e sua viscosidade mais adequada
O primeiro indicador do lubrificante a utilizar num determinado equipamento deve ser sempre a recomendação do fabricante que o projetou e conhece as suas necessidades.
A escolha da viscosidade apropriada para um sistema de engrenagens helicoidais ou de dentes retos depende de.
Manutenção preventiva de transmissões
A troca de lubrificantes e a manutenção dos níveis nas caixas de transmissão de engrenagens faz parte da manutenção preventiva que deve ser realizada em todos os tipos de máquinas após um período de operação. Esta manutenção pode ter frequência em horas de funcionamento, em quilómetros percorridos ou em tempo cronológico, semanal, mensal ou anual.
Deterioração e falha da engrenagem
As duas principais fontes de falha em um dente de engrenagem são o atrito e a flexão (também chamados de pitting e bending em inglês), isso se deve às forças lógicas durante a transferência de força pelo dente/engrenagem, ao atrito dente a dente e à força que os dentes devem resistir, (o que transfere e o que recebe), como podemos ver no gráfico do deslocamento do ponto da engrenagem.
Devido ao atrito na superfície dos dentes, esta área torna-se despassivada, um dos quais se torna anódico, enquanto o outro se torna catódico, levando esta área à corrosão galvânica localizada. A corrosão penetra na maior parte do metal, com difusão limitada de íons. Este mecanismo de corrosão por contato é provavelmente o mesmo que a corrosão em fendas.
Para minimizar a deterioração por atrito, é necessário selecionar o lubrificante adequado, levando em consideração não apenas a potência da aplicação, mas também a temperatura, o ciclo de trabalho, etc.
A flexão só pode ser minimizada selecionando os materiais adequados e/ou selecionando mais material para o dente/engrenagem, ou seja, selecionando uma engrenagem maior.
Como qualquer elemento técnico, a primeira falha que uma engrenagem pode apresentar é não ter sido calculada com os parâmetros dimensionais e de resistência adequados, o que significa que não é capaz de suportar os esforços a que está submetida e se deteriora ou quebra rapidamente.
A segunda falha que uma engrenagem pode apresentar é que o material com o qual foi fabricada não atenda às especificações técnicas adequadas, principalmente as de resistência e tenacidade.
Também pode causar deterioração ou quebra se a engrenagem não tiver sido fabricada com as dimensões e tolerâncias exigidas ou não tiver sido montada e ajustada adequadamente.
Da mesma forma, pode ocorrer deterioração prematura de uma engrenagem se não for realizada a manutenção adequada com lubrificantes próprios de acordo com suas condições de funcionamento.
Outra causa de deterioração é que, devido ao esforço excessivo do mecanismo, os limites de resistência da engrenagem são excedidos.
A capacidade de transmissão de uma engrenagem é limitada:
As deteriorações ou falhas que surgem nas engrenagens estão relacionadas com problemas existentes nos dentes, no eixo ou na combinação de ambos. Failures related to the teeth can be caused by overloads, wear and cracks, and failures related to the shaft can be due to misalignment or imbalance producing vibrations and noise.[39].
equipamento de lanterna
Uma "engrenagem lanterna" ou "pinhão lanterna" possui, em vez de dentes, barras cilíndricas paralelas dispostas em círculo em torno do eixo de rotação, como as barras de uma gaiola redonda ou de uma lanterna (lanterna). O conjunto se mantém unido por uns discos em cada extremo, onde foram inseridas as varillas que formaram os dentes e o ejeram. Lantern gears, having less friction area, with very little adjustment precision, work better than solid pinion gears; estes exigem uma precisão muito maior para funcionar minimamente bem, além do fato de que a sujeira pode cair pelas barras em vez de ficar presa, aumentando o desgaste. São mais fáceis de fabricar e podem ser construídos com ferramentas muito simples, pois os dentes não são feitos por fresagem ou usinagem, mas sim por furos e barras inseridas.[40].
A engrenagem da lanterna às vezes era utilizada em relógios, onde tinha que ser movimentada por uma roda dentada, que não servia como regulador. Embora inicialmente não tenha sido preferido pelos relojoeiros conservadores, tornou-se popular em relógios de torre onde as condições de trabalho eram mais adequadas. Eles eram usados com muita frequência nos movimentos dos relógios nacionais americanos.
[40] ↑ Mariano Maymó (1858). Guía del industrial, ó, Manual de mecánica práctica: con varias tablas y cálculos para uso de los constructores contra-maestres, mayordomos, directores de fábricas e industriales en general. Juan Roger. pp. 228-.: https://books.google.com/books?id=SeTSQykL7GUC&pg=PA228
Exemplos muito antigos de máquinas com engrenagens também foram preservados na China. Um exemplo é a chamada “carruagem voltada para o sul” (120-250 dC), um mecanismo engenhoso que mantinha o braço de uma figura humana sempre apontando para o sul graças ao uso de engrenagens diferenciais epicíclicas. Um pouco antes, por volta de 50 d. C., são as engrenagens helicoidais esculpidas em madeira e encontradas em uma tumba real na cidade chinesa de Shensi.[5].
Não está claro como a tecnologia das engrenagens foi transmitida nos séculos subsequentes. É possível que o conhecimento contemporâneo do mecanismo de Anticítera tenha sobrevivido e contribuído para o florescimento da ciência e da tecnologia no mundo islâmico dos séculos IX a XIII. Por exemplo, um manuscrito andaluz do século menciona pela primeira vez o uso em relógios mecânicos de engrenagens epicíclicas e segmentadas.[6] Obras islâmicas sobre astronomia e mecânica podem ter sido a base que permitiu que calculadoras astronômicas fossem fabricadas novamente na Idade Moderna. No início do Renascimento esta tecnologia foi utilizada na Europa para o desenvolvimento de relógios sofisticados, na maioria dos casos destinados a edifícios públicos como catedrais.[7].
Leonardo da Vinci, que morreu na França em 1519, deixou numerosos desenhos e diagramas de alguns dos mecanismos utilizados diariamente hoje, incluindo vários tipos de engrenagens helicoidais.
Os primeiros dados existentes sobre a transmissão da rotação com velocidade angular uniforme por meio de engrenagens correspondem ao ano de 1674, quando o famoso astrônomo dinamarquês Olaf Roemer (1644-1710) propôs a forma ou perfil do dente epicicloide.
Robert Willis (1800-1875), considerado um dos primeiros engenheiros mecânicos, foi quem obteve a primeira aplicação prática do epicicloide ao utilizá-lo na construção de uma série de engrenagens intercambiáveis. Da mesma forma, a ideia de utilizar o círculo evolvente no perfil do dente partiu dos primeiros matemáticos, mas as implementações práticas também se devem a Willis. Willis é o responsável pela criação do odontógrafo, aparelho utilizado para traçar simplificadamente o perfil do dente evolvente.
É muito possível que o francês Phillipe de Lahire tenha sido o primeiro a conceber o dente perfil involuto em 1695, logo após Roemer conceber o dente epicíclico.
A primeira aplicação prática do dente evolvente deveu-se ao suíço Leonhard Euler (1707). Em 1856, Christian Schiele descobriu o sistema de fresamento de engrenagens retas utilizando a fresa "Cutter (ferramenta)"), mas o procedimento só seria colocado em prática em 1887, com base na patente Grant.[8].
Em 1874, o americano William Gleason inventou a primeira fresadora de engrenagens cônicas e graças à ação de seus filhos, especialmente de sua filha Kate Gleason (1865-1933), transformou sua empresa Gleason Works, com sede em Rochester (Nova York, EUA) em um dos mais importantes fabricantes de máquinas-ferramenta do mundo.
Em 1897, o inventor alemão Robert Hermann Pfauter (1854-1914), inventou e patenteou uma máquina universal para dentadura de dentes retos e engrenagens helicoidais por fresa. Como resultado desta invenção e de muitas outras invenções e aplicações que fez na usinagem de engrenagens, fundou a Pfauter Company que, com o tempo, se tornou uma multinacional fabricante de todos os tipos de máquinas-ferramentas.
Em 1905, M. Chambon, de Lyon (França), foi o criador da máquina para dentição de engrenagens cônicas pelo processo de fresagem. Nessa época, André Citroën inventou as engrenagens de dupla hélice.[9].
Em 1906, o engenheiro e empresário alemão Friedrich Wilhelm Lorenz (1842-1924) especializou-se na criação de máquinas e equipamentos para usinagem de engrenagens e em 1906 fabricou uma fresadora de engrenagens capaz de usinar os dentes de uma roda com diâmetro de 6 m, módulo 100 e comprimento de dente de 1,5 m.
No final do século, coincidindo com a era de ouro do desenvolvimento de engrenagens, o inventor e fundador da Fellows Gear Shaper Company, Edwin R. Fellows (1846-1945), inventou um método revolucionário para usinar engrenagens helicoidais glóbicas, como aquelas montadas em caixas de direção de veículos antes de serem hidráulicas.
Tipos de engrenagens
Contenido
La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado. Según estos criterios existen los siguientes tipos de engranajes:.
Eficiência dos redutores de velocidade
No caso de Winsmith varia entre 80% e 90%, nas helicoidais de Brook Hansen e Stöber entre 95% e 98%, e nas planetárias em torno de 98% ou (98^(# de estágios).
Características que definem uma engrenagem reta
Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.
Hay dos tipos de engranajes, los llamados de diente normal y los de diente corto cuya altura es más pequeña que el considerado como diente normal. En los engranajes de diente corto, la cabeza del diente vale (), y la altura del pie del diente vale () siendo el valor de la altura total del diente ().
Involuta do círculo base
Para o movimento que é transmitido entre um par de engrenagens, assume-se que dois rolos estão em contato, onde não há deslizamento, o diâmetro desses rolos é conhecido como diâmetro primitivo dp e o círculo que é construído com dp é conhecido como círculo primitivo. Com um dente de engrenagem o objetivo é prolongar a ação dos rolos, e é por isso que o perfil que os descreve é evolvente ou evolvente. Para desenhar a envolvente é necessário primeiro definir o círculo base (ver fig. seguinte).
i.- Partindo do círculo primitivo Cp, no quadrante superior traça-se uma linha horizontal tangente ao círculo, obtendo-se o ponto A.
ii.- Em seguida, passando pelo ponto A, traça-se a linha reta de contato com ângulo Ψ (pressão).
iii.- A seguir, constrói-se o círculo base concêntrico ao círculo primitivo tangente à linha de contato, que foi traçada utilizando o ângulo de pressão Ψ, obtendo-se assim o ponto B e o raio base rb (segmento OB).
Para desenhar a evolvente (ver figura seguinte), deve-se traçar um raio do círculo base formando um ângulo θ em relação ao eixo x, obtendo-se assim o ponto B, a seguir traçamos uma reta tangente ao círculo base a partir do ponto B e de comprimento igual ao arco AB, onde A é o ponto de intersecção do círculo base com o eixo x. Obteremos então um ponto (x, y) que pertence ao lugar geométrico da evolvente do círculo base.
Se repetirmos o procedimento anterior três vezes para diferentes θ e unirmos os pontos (x, y) obtidos através de gabaritos curvos, veremos um esboço semelhante ao mostrado na figura a seguir.
As equações paramétricas que modelam o lugar geométrico evolvente do círculo base podem ser expressas como:.
As fórmulas anteriores correspondem ao cálculo dos dentes de uma bicicleta, porém Darle W. Dubley em seu livro Manual of Gears, coloca o ponto P (ver página 270) na curva, e está localizado no eixo x, a normal no ponto P é o eixo y, as fórmulas foram desenvolvidas por Allan Candee.
Formação de dentes de engrenagem
Há uma variedade de processos para formar dentes de engrenagem, como fundição em areia, fundição em casca, fundição em revestimento, fundição em molde permanente, fundição sob pressão e fundição centrífuga.
Os dentes também são formados pelo processo de metalurgia do pó ou, por extrusão, uma única barra de alumínio pode ser formada e depois fatiada em engrenagens. Engrenagens que suportam grandes cargas, em comparação com seu tamanho, geralmente são feitas de aço e cortadas com fresas formadoras ou geradoras. No corte de conformação, o espaço do dente assume o formato exato da fresa. No corte de geração, uma ferramenta que possui um formato diferente do perfil do dente é movida em relação ao disco de engrenagem, para obter o formato adequado do dente.
Um dos métodos mais recentes e promissores de conformação de dentes é denominado conformação a frio ou laminação a frio, em que as matrizes rolam contra discos de aço para formar os dentes. As propriedades mecânicas do metal são bastante melhoradas pelo processo de laminação e, ao mesmo tempo, é obtido um perfil gerado de alta qualidade. Os dentes da engrenagem são usinados por fresamento, aplainamento ou fresamento. Eles são acabados por escovação, polimento, lixamento ou polimento.
Engrenagens feitas de termoplásticos como náilon, policarbonatos ou acetal são bastante populares e são facilmente fabricadas por moldagem por injeção. Essas engrenagens possuem precisão baixa a média, baixo custo para grandes quantidades de produção e capacidade de carga leve, podendo ser utilizadas sem lubrificação.
Fresagem
Os dentes da engrenagem podem ser cortados com uma fresadora de formato para caber na folga do dente. Em teoria, ao usar este método, você precisa usar uma fresa diferente para cada engrenagem, porque uma com 25 dentes, por exemplo, terá uma folga de dente de formato diferente de outra com, digamos, 24. Na realidade, a mudança no espaçamento não é tão grande e foi determinado que apenas oito fresas podem ser usadas para cortar com precisão razoável qualquer engrenagem, na faixa de 12 dentes por cremalheira. Obviamente, é necessário um conjunto separado de brocas para cada etapa.
Engrenagens de dentes helicoidais
Los engranajes cilíndricos de dentado helicoidal están caracterizados por su dentado oblicuo con relación al eje de rotación. En estos engranajes el movimiento se transmite de modo igual que en los cilíndricos de dentado recto, pero con mayores ventajas. Los ejes de los engranajes helicoidales pueden ser paralelos o cruzarse, generalmente a 90°. Para eliminar el empuje axial el dentado puede hacerse doble helicoidal.
Los engranajes helicoidales tienen la ventaja de transmitir más potencia que los rectos, y también pueden transmitir más velocidad, son más silenciosos y más duraderos; además, pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. De sus inconvenientes se puede decir que se desgastan más que los rectos, son más caros de fabricar y necesitan generalmente más engrase que los rectos.[13].
Lo más característico de un engranaje cilíndrico helicoidal es la hélice que forma, siendo considerada la hélice como el avance de una vuelta completa del diámetro primitivo del engranaje. De esta hélice deriva el ángulo β que forma el dentado con el eje axial. Este ángulo tiene que ser igual para las dos ruedas que engranan pero de orientación contraria, o sea: uno a derechas y el otro a izquierda. Su valor se establece a priori de acuerdo con la velocidad que tenga la transmisión, los datos orientativos de este ángulo son los siguientes:.
Velocidad lenta: β = (5° - 10°).
Velocidad normal: β = (15° - 25°).
Velocidad elevada: β = 30°.
Las relaciones de transmisión que se aconsejan son más o menos parecidas a las de los engranajes rectos.
Fórmulas de construção de engrenagens helicoidais cilíndricas
Como consequência da hélice que possuem as engrenagens helicoidais, seu processo de corte é diferente do de uma engrenagem reta, pois é necessária uma transmissão cinemática para que seja possível obter a hélice desejada. Alguns dados dimensionais dessas engrenagens são diferentes das engrenagens de dentes retos.
Os demais dados como adendo, dedendum e distância entre centros têm os mesmos valores das engrenagens retas.
Engrenagens helicoidais duplas
Este tipo de engrenagens foram inventadas pelo fabricante de automóveis francês André Citroën e o objetivo que alcançam é eliminar o impulso axial que as engrenagens helicoidais simples possuem. Os dentes das duas engrenagens formam uma espécie de V.
As engrenagens duplas são uma combinação de hélice direita e esquerda. O empuxo axial absorvido pelos suportes ou mancais das engrenagens helicoidais é uma desvantagem delas e é eliminado pela reação do empuxo igual e oposto de um ramo simétrico de uma engrenagem helicoidal dupla.
Uma engrenagem de hélice dupla sofre apenas metade do erro de escorregamento de uma hélice simples ou engrenagem de dentes retos. Toda a discussão relacionada às engrenagens helicoidais simples (eixo paralelo) é aplicável às engrenagens helicoidais duplas, exceto que o ângulo helicoidal é geralmente maior para engrenagens helicoidais duplas, uma vez que não há empuxo axial.
No método inicial de fabricação, as engrenagens duplas, conhecidas como espinha de peixe, possuíam um canal central para separar os dentes opostos, facilitando a usinagem. O desenvolvimento da geração de máquinas de entalhar, tipo Sykes, possibilita dentes contínuos, sem folga central.
A título de curiosidade, a empresa Citroën adaptou em seu logotipo a pegada produzida pelo rolamento das engrenagens de dupla hélice. Isso porque André Citroën, em viagem em família à Polônia, reencontra um parente que desenvolveu um procedimento para esculpir em madeira de baixo custo “engrenagens em V de ponta dupla” usadas para prensar trigo em moinhos para fazer farinha. De volta à França, André levou consigo a ideia de fazer engrenagens semelhantes com pinos de aço, e patenteou.
engrenagens cônicas
Los engranajes cónicos tienen forma de tronco de cono y permiten transmitir movimiento entre ejes que se cortan.[14] Sus datos de cálculo se encuentran en prontuarios específicos de mecanizado.
Engrenagens cônicas de dentes retos
Realizam a transmissão do movimento de eixos que se cruzam no mesmo plano, geralmente em ângulo reto, embora não seja o único ângulo, pois esse ângulo pode variar, como 45, 60, 70, etc., por meio de superfícies dentadas cônicas. Os dentes convergem no ponto de intersecção dos eixos. Eles são usados para reduzir a velocidade com eixos de 90°. Essas engrenagens geram mais ruído do que as engrenagens cônicas helicoidais. Atualmente são muito pouco usados.[15].
Engrenagem cônica helicoidal
Eles são usados para reduzir a velocidade em um eixo de 90°. A diferença do cônico reto é que ele possui uma superfície de contato maior. É relativamente silencioso em operação. Eles também podem transmitir o movimento dos eixos de corte. Os dados construtivos dessas engrenagens são encontrados em manuais técnicos de usinagem. São usinados em fresadoras especiais, atualmente utilizadas em transmissões traseiras de caminhões e automóveis.
Engrenagem cônica hipóide
Uma engrenagem hipóide é um grupo de engrenagens cônicas helicoidais formadas por um pinhão redutor com poucos dentes e uma roda com muitos dentes, que é instalada principalmente em veículos comerciais que possuem tração nos eixos traseiros. Tem a vantagem de ser muito indicado para carrocerias do tipo baixo, ganhando assim muita estabilidade para o veículo. Por outro lado, a disposição helicoidal dos dentes permite maior contato dos dentes do pinhão com os da coroa, obtendo maior robustez na transmissão. Sua usinagem é muito complicada e para isso são utilizadas máquinas de entalhar especiais (Gleason). [16].
Parafuso sem-fim e coroa
É um mecanismo projetado para transmitir grandes forças, que também é utilizado como redutor de velocidade, aumentando o torque na transmissão. Geralmente funciona em eixos que se cruzam em 90°.
Tem a desvantagem de seu sentido de rotação não ser reversível, principalmente em grandes relações de transmissão, e de consumir parte significativa da potência em atrito. A irreversibilidade pode ser útil em alguns casos, por exemplo em mecanismos de abertura/fechamento de cortinas metálicas, dificultando o vandalismo, também em mecanismos de elevação de elevadores e escadas rolantes.
Nas construções da mais alta qualidade, a coroa é de bronze e o sem-fim é de aço temperado para reduzir o atrito. Se este mecanismo transmite grandes forças, deve estar muito bem lubrificado para mitigar o desgaste por fricção.
O número de entradas de um parafuso sem-fim é geralmente de um a oito. Os dados de cálculo destas engrenagens estão em manuais de usinagem.
A engrenagem helicoidal pode ser usinada em tornos, fresas bicônicas ou fresas centrais. A coroa, por sua vez, requer brocas normais ou brocas mãe.[17].
Verme glóbico e coroa.
Normalmente o contato entre os dentes do parafuso sem-fim e os da coroa ocorre em um único ponto, ou seja, sobre uma superfície metálica muito pequena. Portanto, quando a força a ser transmitida é alta, é gerada uma forte pressão no ponto de contato. Para reduzir a pressão, a superfície de contato entre o sem-fim e a coroa pode ser aumentada, aplicando uma das três formas de acoplamento a seguir:[17].
Para a usinagem de parafusos sem-fim glóbicos é utilizado o procedimento de geração encontrado nas máquinas Fellows.
Fórmulas matemáticas para cálculo
Módulo (M) M =P/π.
Passo Axial (P) P= π .M (quando é proveniente de uma entrada P = Ph).
Ângulo de hélice (α, mais de 1 hélice) tan α=(P . N)/(π . Dp) ; tan α= Ph/(π .Dp).
Passo da hélice (mais de uma hélice) Ph=P .N.
Diâmetro primitivo Dp=De-2M.
Diâmetro externo De=Dp+2M.
Diâmetro interno Di=Dp-2,334 x M.
Altura total do filete H=2,167 x M (ângulo de pressão de 14,5° e 20°).
Altura da cabeça do filete H1=M (para qualquer um dos ângulos de pressão).
Altura do pé de bife H2=1,167 x M (Ângulo de pressão de 14,5° e 20°).
Largura na parte inferior do filete (ponta do buril) F=0,95 x M (Ângulo de pressão de 14,5°).
Estas fórmulas foram retiradas do livro "CASILLAS, livro Casillas. Cálculos de Oficina. A.L. Máquinas".
engrenagens planetárias
Engrenagens planetárias, internas ou de coroa são variações da engrenagem de dentes retos nas quais os dentes são cortados na parte interna de uma roda anelar ou flange, e não na parte externa. As engrenagens internas são geralmente acionadas por um pinhão (também chamado de pinhão solar, que é uma engrenagem pequena com poucos dentes). Este tipo de engrenagem mantém a direção da velocidade angular.[18] O corte dessas engrenagens é realizado em máquinas de entalhar de geração.
A eficiência deste sistema redutor planetário é igual a 0,98^(#stages); Ou seja, caso possua 5 estágios de redução, a eficiência deste redutor seria de aproximadamente 0,904 ou 90,4%.
Por possuírem mais dentes em contato do que outros tipos de redutores, são capazes de transferir/suportar mais torque; Portanto, seu uso na indústria está se tornando mais difundido. Uma vez que geralmente um redutor de eixo paralelo convencional em aplicações de alto momento deve recorrer a arranjos de coroa/corrente que não apenas requerem um tamanho maior, mas também envolverão o uso de lubrificantes para o arranjo de coroa/corrente.
A seleção dos redutores planetários é feita como qualquer redutor, dependendo do momento (Newton-metro).
Como qualquer engrenagem, as engrenagens redutoras planetárias estão sujeitas ao atrito e desgaste dos dentes (em inglês pitting e bending).
Como os fabricantes utilizam diferentes formas de apresentar o tempo de operação de suas engrenagens e o momento máximo que elas suportam, a ISO possui normas para regulamentar isso:
ISO 6336 para engrenagens.
ISO 281 para rolamentos e.
UNI 7670 para os eixos.
Desta forma, é possível comparar verdadeiramente as especificações técnicas das engrenagens/redutores e projetar um tempo de operação antes da falha de qualquer uma delas (sejam engrenagens para redutores planetários ou eixos paralelos).
Mecanismo de zíper
O mecanismo de cremalheira aplicado às engrenagens é composto por uma barra com dentes que é considerada uma engrenagem de diâmetro infinito e uma engrenagem de dentes retos de menor diâmetro, e serve para transformar um movimento de rotação do pinhão em um movimento linear da cremalheira, ou vice-versa. Talvez a cremalheira mais conhecida seja aquela equipada com tornos para deslocamento do carro longitudinal.
n: velocidade angular.
z: número de dentes da roda dentada.
p:passo.
Engrenagem intermediária ou intermediária
Em uma malha simples de um par de rodas dentadas, o eixo motriz, denominado eixo do motor, tem sentido de rotação oposto ao do eixo acionado. Muitas vezes, em máquinas, isso não é conveniente, pois é necessário que os dois eixos girem no mesmo sentido. Para atingir este objetivo, é inserida uma terceira engrenagem entre as duas engrenagens que gira livremente sobre um eixo, e a única coisa que faz é inverter o sentido de rotação do eixo motor, pois a relação de transmissão não é alterada em nada. Esta roda intermediária atua como roda motriz e motriz e, portanto, não altera a relação de transmissão.[20] Um exemplo de roda ou pinhão intermediário é o mecanismo reverso de veículos movidos por motores de combustão interna; laminadores de aço também possuem engrenagens intermediárias. Os pinhões planetários dos mecanismos diferenciais "Diferencial (automóvel)") também atuam como engrenagens intermediárias.
Mecanismo de roda dentada de corrente
O mecanismo de roda dentada de corrente é um método de transmissão amplamente utilizado para transmitir um movimento rotativo entre dois eixos paralelos bastante distantes um do outro. É o mecanismo de transmissão utilizado por bicicletas, motocicletas e muitas máquinas e instalações industriais. Também é utilizado para substituir redutores de velocidade por polias quando é importante evitar o deslizamento entre a roda motriz e o mecanismo de transmissão (neste caso uma corrente).
Este mecanismo é composto por três elementos: duas rodas dentadas, uma em cada um dos eixos, e uma corrente fechada. Os dentes das rodas dentadas engatam com muita precisão nos elos da corrente, transmitindo assim o movimento.[21].
Comparado ao sistema correia-polia, o mecanismo pinhão-corrente tem a vantagem de poder transmitir grandes potências com bom desempenho energético, embora seja mais ruidoso e necessite de lubrificantes.[21].
Para calcular a relação de transmissão, as equações das engrenagens são válidas.
Polias dentadas
Para transmissão entre dois eixos separados por uma distância onde não é econômico ou tecnicamente impossível montar uma transmissão por engrenagens, utiliza-se um conjunto com polias dentadas que mantém as mesmas propriedades das engrenagens, ou seja, evitam escorregamentos e mantêm a precisão na relação de transmissão.
Os dados mais importantes das polias dentadas são:.
Número de dentes, passo e largura da polia.
Passo é a distância entre os centros das ranhuras e é medido no círculo primitivo da polia. O círculo primitivo da polia dentada coincide com a linha primitiva da correia correspondente.
As polias dentadas são fabricadas em diversos materiais como alumínio, aço e ferro fundido.
As polias sincronizadoras padrão são fabricadas nos seguintes passos em polegadas: MXL: Mini Extra Light (0,080"), XL: Extra Light (0,200"), L: Light (0,375"), H: Heavy (0,500"), XH: Extra Heavy (0,875") e XXH: Double Extra Heavy (1,250").
As etapas métricas são as seguintes:.
T2.5 (passo de 2,5 mm), T5 (passo de 5 mm), T10 (passo de 10 mm) e T20 (passo de 20 mm).[22][23].
Eixos estriados
Eixos estriados são chamados de eixos estriados quando as ranhuras são usinadas na área onde podem ser acopladas a uma engrenagem ou outros componentes para dar maior rigidez ao acoplamento do que aquela produzida por um simples rasgo de chaveta. Esses eixos estriados não são uma engrenagem em si, mas a forma como são usinados é semelhante à usada para usinar engrenagens e por isso fazem parte deste artigo. Eixos estriados combinam com furos em engrenagens ou outros componentes que foram usinados em broches para um encaixe adequado. Este sistema de fixação é muito robusto. É usado em engrenagens de caixas de câmbio e rolamentos de transmissão. Existe uma norma que regulamenta as dimensões e formato dos eixos estriados, que é a norma DIN-5643.[24].
Aplicações de engrenagens
Existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes, desde los más pequeños usados en relojería e instrumentos científicos (se alcanza el módulo 0,05) a los de grandes dimensiones, empleados, por ejemplo, en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fábricas de cemento, etc.
El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado. Los encontramos en las centrales de producción de energía eléctrica, hidroeléctrica y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automóviles, transporte marítimo en buques de todas clases, aviones, en la industria siderúrgica: laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros, fábricas de cemento, grúas, montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria textil, de alimentación, de vestir y calzar, industria química y farmacéutica, etc., hasta los más simples movimientos de accionamiento manual.
Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que tiene por única finalidad la transmisión de la rotación o giro de un eje a otro distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del primero.
Incluso, algunos engranes coloridos y hechos de plástico son usados en algunos juguetes educativos.
bombas hidráulicas
Uma bomba hidráulica é um dispositivo que, recebendo energia mecânica de uma fonte externa, a transforma em energia de pressão transmissível de um local a outro de um sistema hidráulico através de um líquido cujas moléculas estão submetidas precisamente a essa pressão. As bombas hidráulicas são os elementos responsáveis pela propulsão do óleo ou fluido hidráulico, transformando a energia mecânica rotativa em energia hidráulica.[25].
Existe um tipo de bomba hidráulica que possui em seu interior um par de engrenagens com o mesmo número de dentes que, ao girarem, provocam a transferência de óleos ou outros líquidos. Todas as máquinas que possuem circuitos hidráulicos e todos os motores térmicos estão equipados com uma bomba hidráulica para lubrificar as suas partes móveis.
Mecanismo diferencial
A finalidade do mecanismo diferencial é permitir que as rodas motrizes descrevam seus respectivos caminhos sem derrapar no solo quando o veículo faz uma curva. A necessidade deste dispositivo é explicada pelo fato de que nas curvas do carro, as rodas internas percorrem um espaço menor do que as localizadas no lado externo, pois as primeiras descrevem uma circunferência com raio menor que as últimas.
O mecanismo diferencial é composto por uma série de engrenagens dispostas de forma a permitir que as duas rodas motrizes dos veículos girem em velocidades diferentes ao fazer uma curva. Assim, se o veículo fizer uma curva para a direita, as rodas internas giram mais lentamente que as externas, e os satélites têm mais dificuldade em movimentar as engrenagens planetárias dos semi-eixos direitos porque elas começam a girar em torno de seu eixo, fazendo com que as engrenagens planetárias da esquerda girem a uma velocidade um pouco maior. Desta forma provocam uma rotação mais rápida do semi-eixo e da roda motriz esquerda.
O mecanismo diferencial é composto por dois pinhões cônicos chamados engrenagens planetárias, fixados nas extremidades dos rolamentos da roda, e outros dois pinhões cônicos chamados engrenagens planetárias montados nas extremidades de seus eixos porta-planetas e que engatam nas engrenagens planetárias.
Uma variante do diferencial convencional é o diferencial autotravante que é instalado opcionalmente em veículos todo-o-terreno para viajar no gelo ou na neve ou para fazer curvas em alta velocidade no caso de carros de corrida.
caixa de velocidades
Nos veículos, a caixa de câmbio ou caixa de velocidades é o elemento responsável por acoplar o motor e o sistema de transmissão com diferentes relações de transmissão ou engrenagens, de forma que a mesma velocidade de rotação do virabrequim possa ser convertida em diferentes velocidades de rotação nas rodas. O resultado nas rodas motrizes é geralmente uma redução na velocidade de rotação e um aumento no torque.
Os dentes das engrenagens da caixa de câmbio são helicoidais e suas bordas são arredondadas para não produzirem ruídos ou rejeição nas mudanças de velocidade. A fabricação dos dentes da engrenagem é muito cuidadosa para que durem muito. Os eixos das engrenagens são apoiados por rolamentos de esferas e todo o mecanismo é imerso em óleo denso para permanecer continuamente lubrificado.[27].
redutores de velocidade
Redutores de velocidade são mecanismos que transmitem movimento entre um eixo que gira em alta velocidade, geralmente um motor, e outro que gira em velocidade menor, por exemplo, uma ferramenta. Eles são compostos por conjuntos de engrenagens de diferentes diâmetros ou por parafuso sem-fim e coroa.[28].
O redutor básico consiste em um mecanismo de rosca sem-fim e coroa. Neste tipo de mecanismo, o efeito do atrito nos flancos dos dentes faz com que essas engrenagens tenham o menor desempenho de todas as transmissões; Este desempenho está entre aproximadamente 40 e 90%, dependendo das características do redutor e do trabalho a que é submetido. Fatores que aumentam o desempenho:
Existem outras disposições de engrenagens em redutores de velocidade, estas são nomeadas de acordo com a disposição do eixo de saída (eixo lento) em relação ao eixo de entrada (eixo rápido). Assim, seriam os chamados redutores de velocidade de engrenagem coaxial, paralela, ortogonal e mista (paralela + engrenagem sem-fim). Nos trens coaxiais, paralelos e ortogonais considera-se uma eficiência aproximada de 97-98%, nos trens mistos estima-se entre 70% e 90% de eficiência.
Além disso, existem os chamados redutores de velocidade epicíclicos, tecnicamente possuem eixos coaxiais e se diferenciam pelo formato compacto, alta capacidade de transmissão de torque e extrema sensibilidade à temperatura.
As caixas de redução geralmente são fabricadas em ferro fundido cinzento com vedações para que o óleo não escape do interior da caixa.
Características do redutor.
Usinagem de engrenagens
escultura de dentes
Como as engrenagens são mecanismos incorporados na maioria das máquinas que se constroem e principalmente em todas aquelas que incorporam motores térmicos ou elétricos, é necessário que milhões de engrenagens diferentes sejam usinadas todos os dias e, portanto, o nível tecnológico que se tem alcançado para usinar engrenagens é muito elevado tanto nas máquinas que são utilizadas como nas ferramentas de corte que as compõem.
Antes de proceder à usinagem dos dentes, as engrenagens foram passadas por outras máquinas-ferramentas como tornos ou fresadoras onde foram usinadas todas as suas dimensões externas e furos, se houver, deixando os excedentes necessários caso tenham que receber tratamento térmico e posterior usinagem de alguma de suas áreas.
A usinagem dos dentes das engrenagens em nível industrial é realizada em máquinas de corte construídas especificamente para esse fim, denominadas fresadoras.
Características técnicas do modelador LIEBHERR LC-500 (Exemplo)[30].
O corte de engrenagens em uma fresadora universal com mecanismo divisor praticamente não é utilizado, porém o fresamento de eixos estriados com poucas estrias, como rolamentos de roda de caminhão, pode ser feito em uma fresadora universal mas com mecanismo divisor automático e todo o processo de movimentação da fresadora também sendo automatizado.
Engrenagens cilíndricas normais, tanto retas quanto helicoidais, são usinadas em fresadoras de alta produção e alta precisão. Cada fresadora possui suas constantes e transmissões adequadas para a fabricação da engrenagem que está programada. Digite Liebherr, Hurth, Pfauter, etc.
As engrenagens internas não podem ser usinadas em fresadoras universais e para este tipo de usinagem são utilizadas fresadoras denominadas entalhadeiras de geração, tipo Sykes.
Para engrenagens cônicas hipóides, são utilizadas fresadoras especiais do tipo Gleason.[31].
Para usinar parafusos sem-fim esféricos, podem ser utilizadas máquinas especiais do tipo Fellows.
Chanfrar e arredondar os dentes
Esta operação é realizada principalmente nas engrenagens móveis das caixas de velocidades para facilitar o engate quando ocorre a mudança de velocidade. Existem máquinas e ferramentas especiais (Hurth) que realizam esta tarefa.[32].
Afiação de dentes de engrenagem
A retificação dos dentes, quando necessária, é realizada após o endurecimento da peça em processo de tratamento térmico adequado e pode ser realizada por retificação por geração e retificação de perfis ou com ferramentas de CBN retrabalhadas ou com camada galvanizada.
A retificação de engrenagens com rebolos e perfis é uma tecnologia muito avançada e alcançou capacidade notável com o uso de modernas ferramentas de corindo colado.[33].
Polimento
O brunimento de engrenagens é aplicado naquelas que estão sujeitas a alta resistência, por exemplo, o grupo hipóide-anel de pinhão de transmissões de caminhões ou tratores. O brunimento produz uma geometria final de dente de alta qualidade em engrenagens que foram temperadas, ao mesmo tempo que melhora a folga e as estruturas superficiais.
Afiação de broca
As fresas utilizadas para cortar engrenagens têm perfil constante, o que significa que permitem um número muito elevado de afiações quando o fio de corte está deteriorado. Existe uma ampla gama de afiadores no mercado para todos os tipos de ferramentas utilizadas na usinagem de engrenagens.[34] A vida útil da ferramenta é uma das questões mais significativas em relação aos custos e à disponibilidade de produção. As retificadoras modernas são equipadas, por exemplo, com acionamentos diretos, motores lineares e sistemas de medição digital.[35].
Técnicas de roteamento de materiais
Nas indústrias modernas de usinagem automatizada, a técnica de manuseio de materiais inclui o manuseio automático de peças em sistemas de produção, incluindo a carga e descarga de máquinas-ferramentas, bem como o armazenamento de peças.
Gestão econômica da usinagem de engrenagens
Quando os engenheiros projetam uma máquina, equipamento ou utensílio, eles o fazem acoplando uma série de componentes feitos de diferentes materiais que requerem processos de usinagem para atingir tolerâncias operacionais adequadas.
A soma do custo da matéria-prima de uma peça, o custo do processo de usinagem e o custo das peças fabricadas com defeito constituem o custo total de uma peça. O desenvolvimento tecnológico sempre teve como objetivo alcançar a maior qualidade possível dos componentes, bem como o menor preço possível tanto nas matérias-primas como nos custos de usinagem.
Para reduzir o custo de usinagem de engrenagens, foram tomadas ações nas seguintes frentes:
Para reduzir o índice de peças defeituosas, tem sido possível automatizar ao máximo o trabalho das máquinas de entalhar, construindo máquinas de entalhar automáticas muito sofisticadas ou guiadas por controle numérico que realizam a usinagem de acordo com um programa previamente estabelecido.
Cálculo de engrenagem
O cálculo de engrenagens é o projeto e cálculo da geometria de uma engrenagem para sua fabricação. Principalmente os diâmetros e perfil do dente. Os cálculos das transmissões cinemáticas que devem ser montadas nas máquinas de trinchar também são considerados de acordo com as características da engrenagem, e que é função das características da máquina de trinchar utilizada.
Taxas de transmissão
Existem três tipos de transmissões possíveis que são estabelecidas por engrenagens:
A transmissão simples é composta por duas rodas dentadas, o sentido de rotação do eixo motor é oposto ao sentido de rotação do eixo motor e o valor da relação de transmissão é:.
Equação geral de transmissão:
Relação de transmissão:.
Da equação anterior pode-se deduzir que para haverá um aumento na velocidade da roda motriz em relação à roda motriz ou motriz e para haverá uma redução na velocidade da roda motriz em relação à roda motriz (os valores de são geralmente expressos na forma de uma fração). É importante destacar que a relação entre a velocidade de saída e o torque transmitido é inversamente proporcional.
A potência transmitida por um eixo dependendo do torque e de sua velocidade angular de rotação é a seguinte:
onde:.
P, potência transmitida em W (watts).
T, torque em N·m.
ω, velocidade angular em rad/s..
Desprezando o atrito: e.
Igualando ambas as potências temos que a relação de transmissão será equivalente a:.
A transmissão com pinhão intermediário ou intermediário é composta por três engrenagens, onde a engrenagem intermediária serve apenas para inverter o sentido de rotação do eixo acionado e fazê-lo girar no mesmo sentido do eixo do motor. A relação de transmissão é a mesma da transmissão única.
A transmissão composta é utilizada quando a relação de transmissão final é muito alta, não podendo ser alcançada com uma transmissão simples, ou quando a distância entre os eixos é muito grande e seria necessária a confecção de rodas dentadas de grande diâmetro. A transmissão composta consiste em pares intercalados de rodas dentadas ligadas entre o eixo motor e o eixo motor. Essas rodas dentadas giram livremente no eixo em que estão alojadas, mas as duas rodas dentadas são unidas integralmente de modo que uma delas atue como roda dentada motriz e a outra atue como roda dentada acionada. A relação de transmissão das transmissões compostas é:.
Equação geral de transmissão:
Tratamento térmico de engrenagens
As engrenagens estão sujeitas a grandes pressões tanto na superfície de contato e por isso o tratamento que a maioria delas recebe consiste em um tratamento térmico de cimentação ou nitretação, que resulta em grande dureza na área de contato dos dentes e uma tenacidade no núcleo que evita quebras por excesso de tensão.
A cementação consiste no aquecimento prolongado em forno de atmosfera controlada e fornecimento de carbono até que este seja introduzido na superfície das peças até a profundidade desejada. Uma vez cimentada a peça, ela é submetida ao revenido, o que resulta em grande dureza na camada externa, ideal para suportar os esforços de atrito aos quais as engrenagens estão submetidas.
As engrenagens submetidas ao endurecimento são feitas de aços especiais adequados para o endurecimento.
Outras vezes o tratamento térmico aplicado às engrenagens é a nitretação, que se baseia na ação exercida na superfície externa das peças pela ação do carbono e do nitrogênio. A nitretação reduz a taxa crítica de resfriamento do aço, alcançando um maior grau de dureza em uma peça nitretada e revenida do que em uma peça endurecida e revenida, mesmo para o mesmo tipo de material.
Atualmente, e particularmente na indústria automóvel, os aços ligados estão a ser substituídos por aços mais simples dadas as grandes vantagens técnicas que a nitretação oferece (elevada dureza, regularidades de revenido, menos deformações...). Nos processos de nitretação podem ser obtidas camadas entre 0,1-0,6 mm, com dureza na periferia da ordem de 60-66 HRC.
A nitretação é um processo de endurecimento superficial que consiste na penetração de nitrogênio na camada superficial. A dureza e grande resistência ao desgaste advêm da formação de nitretos que formam o nitrogênio e dos elementos presentes nos aços submetidos a tratamento.
Às vezes há engrenagens que sofrem endurecimento por indução onde o aquecimento é limitado à área a ser tratada e é produzido por correntes induzidas alternativas.
Quando um corpo condutor é colocado no campo de uma bobina ou solenóide com correntes de média ou alta frequência, o corpo é envolvido por uma corrente induzida, que produz aquecimento. Para isso, são utilizados indutores que possuem o formato adequado aos dentes que queremos tratar.
A ausência de qualquer contato entre o indutor e a parte aquecida permite obter concentrações em torno de 25.000 W cm-. A velocidade de aquecimento é quase 15 vezes mais rápida que a da tocha.
Para temperar uma peça por indução será necessário que esta tenha uma espessura pelo menos dez vezes superior à espessura a revenir. O sucesso de um bom revenido reside em acertar a frequência da corrente de aquecimento, de modo que produza uma concentração suficiente de corrente induzida na área a ser revenida.
O sistema utilizado no aquecimento é em dois ciclos. 10.000 ciclos para aquecimento da base dos dentes e 375.000 para aquecimento da periferia. Após a realização dos dois aquecimentos, a engrenagem é submersa em água ou óleo dependendo do tipo de aço.
Uma possibilidade que existe para resolver os problemas que aparecem nas engrenagens é o níquel químico. The nickel deposits give the treated piece good resistance to corrosion, great resistance to friction and great hardness with the help of specific precipitates. A niquelagem química garante que as camadas sejam uniformes, desde que todas as partes da peça estejam em contato com a solução e sua composição permaneça constante, sendo que a espessura desta camada varia dependendo do tempo de tratamento e da composição. Antes de serem tratadas, as peças devem passar por outras fases como decapagem, ataque químico, para garantir sua aderência, e outra coisa a se lembrar é que a niquelagem química reproduz na superfície a rugosidade da peça tratada.
Verificação de marcha
A verificação da engrenagem consiste em poder controlar os diferentes parâmetros que a definem.
Paquímetros duplos e micrômetros pires são usados para medir a espessura das cordas.
Medir a espessura do dente usando um paquímetro duplo geralmente é usado apenas quando se lida com engrenagens de módulos grandes e usinagem de desbaste.
Para medir a espessura das engrenagens de precisão, utiliza-se um micrômetro de placa e seleciona-se o número de dentes a serem fixados de forma que o contato entre os flancos dos dentes e as placas ocorra na circunferência primitiva.
A medição do comparador é usada com padrões de configuração para cada operação de controle.
A verificação em um projetor de perfil é usada para medir na imagem ampliada ou verificar através de modelos apropriados todas as características do equipamento.
A medição da excentricidade de uma engrenagem, que é o desvio do diâmetro primitivo em relação ao eixo de referência da peça, pode ser verificada:
As engrenagens mestres são classificadas em diversas qualidades conforme DIN3790 e 58420. Seus dentes, uma vez usinados, passam por um superprocesso de acabamento. Durante a medição de acordo com este princípio, as engrenagens a serem controladas são engrenadas com as engrenagens mestres.[36].
Lubrificação de engrenagens
Las transmisiones por engranajes principalmente las que están sometidas a un gran esfuerzo y funcionamiento de gran velocidad tienen que tener el lubricante adecuado para poder contribuir a conservar sus propiedades mecánicas durante el uso:[37].
La clasificación de los lubricantes de transmisión de uso industrial se realiza según diferentes criterios:[38].
Especificações técnicas de lubrificantes
As especificações dos lubrificantes de transmissão diferem ligeiramente dependendo da entidade que os emitiu.
Na Europa as especificações mais conhecidas são aquelas que a norma DIN 51517 define como LUBRIFICANTES do tipo CLP. Para os fins desta norma, LUBRIFICANTES CLP são aqueles à base de óleo mineral, incluindo aditivos projetados para aumentar as propriedades anticorrosivas (Símbolo C), aumentar a resistência ao envelhecimento (Símbolo L) e diminuir o desgaste (Símbolo P)." Esta norma define viscosidades para os graus ISO 68, 100, 150, 220, 320, 460 e 680.
Escolha do lubrificante e sua viscosidade mais adequada
O primeiro indicador do lubrificante a utilizar num determinado equipamento deve ser sempre a recomendação do fabricante que o projetou e conhece as suas necessidades.
A escolha da viscosidade apropriada para um sistema de engrenagens helicoidais ou de dentes retos depende de.
Manutenção preventiva de transmissões
A troca de lubrificantes e a manutenção dos níveis nas caixas de transmissão de engrenagens faz parte da manutenção preventiva que deve ser realizada em todos os tipos de máquinas após um período de operação. Esta manutenção pode ter frequência em horas de funcionamento, em quilómetros percorridos ou em tempo cronológico, semanal, mensal ou anual.
Deterioração e falha da engrenagem
As duas principais fontes de falha em um dente de engrenagem são o atrito e a flexão (também chamados de pitting e bending em inglês), isso se deve às forças lógicas durante a transferência de força pelo dente/engrenagem, ao atrito dente a dente e à força que os dentes devem resistir, (o que transfere e o que recebe), como podemos ver no gráfico do deslocamento do ponto da engrenagem.
Devido ao atrito na superfície dos dentes, esta área torna-se despassivada, um dos quais se torna anódico, enquanto o outro se torna catódico, levando esta área à corrosão galvânica localizada. A corrosão penetra na maior parte do metal, com difusão limitada de íons. Este mecanismo de corrosão por contato é provavelmente o mesmo que a corrosão em fendas.
Para minimizar a deterioração por atrito, é necessário selecionar o lubrificante adequado, levando em consideração não apenas a potência da aplicação, mas também a temperatura, o ciclo de trabalho, etc.
A flexão só pode ser minimizada selecionando os materiais adequados e/ou selecionando mais material para o dente/engrenagem, ou seja, selecionando uma engrenagem maior.
Como qualquer elemento técnico, a primeira falha que uma engrenagem pode apresentar é não ter sido calculada com os parâmetros dimensionais e de resistência adequados, o que significa que não é capaz de suportar os esforços a que está submetida e se deteriora ou quebra rapidamente.
A segunda falha que uma engrenagem pode apresentar é que o material com o qual foi fabricada não atenda às especificações técnicas adequadas, principalmente as de resistência e tenacidade.
Também pode causar deterioração ou quebra se a engrenagem não tiver sido fabricada com as dimensões e tolerâncias exigidas ou não tiver sido montada e ajustada adequadamente.
Da mesma forma, pode ocorrer deterioração prematura de uma engrenagem se não for realizada a manutenção adequada com lubrificantes próprios de acordo com suas condições de funcionamento.
Outra causa de deterioração é que, devido ao esforço excessivo do mecanismo, os limites de resistência da engrenagem são excedidos.
A capacidade de transmissão de uma engrenagem é limitada:
As deteriorações ou falhas que surgem nas engrenagens estão relacionadas com problemas existentes nos dentes, no eixo ou na combinação de ambos. Failures related to the teeth can be caused by overloads, wear and cracks, and failures related to the shaft can be due to misalignment or imbalance producing vibrations and noise.[39].
equipamento de lanterna
Uma "engrenagem lanterna" ou "pinhão lanterna" possui, em vez de dentes, barras cilíndricas paralelas dispostas em círculo em torno do eixo de rotação, como as barras de uma gaiola redonda ou de uma lanterna (lanterna). O conjunto se mantém unido por uns discos em cada extremo, onde foram inseridas as varillas que formaram os dentes e o ejeram. Lantern gears, having less friction area, with very little adjustment precision, work better than solid pinion gears; estes exigem uma precisão muito maior para funcionar minimamente bem, além do fato de que a sujeira pode cair pelas barras em vez de ficar presa, aumentando o desgaste. São mais fáceis de fabricar e podem ser construídos com ferramentas muito simples, pois os dentes não são feitos por fresagem ou usinagem, mas sim por furos e barras inseridas.[40].
A engrenagem da lanterna às vezes era utilizada em relógios, onde tinha que ser movimentada por uma roda dentada, que não servia como regulador. Embora inicialmente não tenha sido preferido pelos relojoeiros conservadores, tornou-se popular em relógios de torre onde as condições de trabalho eram mais adequadas. Eles eram usados com muita frequência nos movimentos dos relógios nacionais americanos.
[40] ↑ Mariano Maymó (1858). Guía del industrial, ó, Manual de mecánica práctica: con varias tablas y cálculos para uso de los constructores contra-maestres, mayordomos, directores de fábricas e industriales en general. Juan Roger. pp. 228-.: https://books.google.com/books?id=SeTSQykL7GUC&pg=PA228