DRAFT - ENGRENAGEM

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No nosso cotidiano observamos o importante emprego de engrenagens, como por exemplo, no portão automático que acionamos confortavelmente em dias chuvosos dentro de nossos veículos com um redutor de coroa e rosca sem fim acionando uma cremalheira, na betoneira utilizada na construção civil para fabricação de concreto também utilizando engrenagem tipo cremalheira, no relógio, na colher de sorvete, etc.... (ver figura 1)

A engrenagem é um dos elementos mecânicos mais antigos utilizado pelo homem. O mecanismo envolvendo engrenagens chamado "South Pointing Chariot”, de 2600 BC, continha um complexo trem de engrenagens diferencial, difícil até mesmo para um engenheiro nos dias atuais analisar. Uma réplica em miniatura desta carruagem está em exibição no Smithsonian em Washington, D.C.. Considerando a complexidade deste mecanismo, podemos dizer que o uso de engrenagem é anterior aquela data, ou seja, a pelo menos 3000 BC As engrenagens são usadas para transmitir torque e velocidade, transmitindo força sem escorregamento (relação de transmissão constante e independente do carregamento); distinguindo de outros elementos mecânicos como correntes, polias, rodas de atrito; pela segurança de funcionamento e pela vida, apresentando resistência a sobrecargas, dimensões reduzidas e possuindo em geral rendimento elevado. Considerando a disposição dos eixos podemos classificar as engrenagens em três grupos: eixos paralelos, concorrentes e reversos.

Engrenagens com eixos paralelos tem o contato entre os flancos em linha, movimento de deslizamento e rolamentos, sendo a porcentagem de deslizamento de 10% a 30%; Neste grupo temos as engrenagens cilíndricas de dentes retos com os dentes cortados paralelamente ao eixo, sendo apresentadas em três categorias: externas (figura 2a), internas e pinhão/cremalheira. O pinhão/cremalheira é utilizado para converter movimento rotativo em movimento linear (figura 2d), as engrenagens internas com o dentado do lado interior do blank, engrenando com uma engrenagem de dentes externos, é usada em transmissões planetárias e comandos finais de máquinas pesadas, permitindo uma economia de espaço e distribuição uniforme da força (figura 2c).

As engrenagens cilíndricas podem ter seus dentes cortados em ângulo com o eixo e neste caso são chamadas engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais (figura 2b), esta configuração permite que um maior número de dentes esteja simultaneamente em contato (além do grau de recobrimento longitudinal “εα”, também presente nas engrenagens de dentes retos, as engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais possuem o grau de recobrimento transversal “εβ”), o que aumenta a capacidade de carga das engrenagens e torna o funcionamento mais silencioso; entretanto possuem cargas axiais que devem ser absorvidas pelos mancais; em redutores de velocidade são o tipo mais utilizado. Outro tipo de engrenagem cilíndricas são as engrenagens bi-helicoidais (figura 3), que são fabricadas com hélices opostas para balancear o esforço axial produzido pelas engrenagens helicoidais simples. Essas engrenagens, tem grande capacidade de carga em altas velocidades, possibilitando um suave, silencioso e eficiente funcionamento. As engrenagens bi-helicoidais podem ser fabricadas com um espaçamento (gap) separando os dentados opostos ou sem o “gap” (Herringbone, espinha de peixe). O “gap” é necessário para a saída da ferramenta no processo de acabamento retifica do dente. Engrenagens sem “gap” são utilizadas em “Volandeiras” de usinas Sucroalcooleiras. Engrenagens com eixos concorrentes tem o contato entre os dentes em linha e movimento de rolamento e deslizamento sendo que o deslizamento representa de 20 a 40% do movimento total, o ângulo de interseção é geralmente 90°, e são usadas para a transmissão de movimento entre os eixos cujas linhas de centro se cruzam, requerendo uma montagem precisa para o funcionamento adequado e dentro deste grupo temos as engrenagens cônicas de dentes retos (figura 2e) com dentes tendo um formato cônico, sendo utilizadas principalmente para mudar a rotação e a direção da força, usadas nas maquinas ferramentas em baixas velocidades. Temos também as engrenagens cônicas com dentes espirais (figura 2f) com os dentes em espiral/curvos, essa configuração resulta um engrenamento com maior número de dentes em contato, as engrenagens espirais podem suportar maiores cargas do que as engrenagens cônicas retas, com funcionamento mais silencioso e suave. No grupo das engrenagens dispostas em eixos reversos temos a coroa e rosca e sem fim, o par cônico descentrado ambos com o contato em forma de linha e as engrenagens cilíndricas cruzadas (figura 2g) com o contato na forma de ponto com o ângulo de hélice usualmente igual a 45° e com mesma direção para o pinhão e engrenagem (sua aplicação é similar a engrenagens cônicas de dentes retos). Engrenagens coroa e rosca sem fim (figura 2h) são usadas onde os eixos estão em ângulo e com o máximo afastamento (figura 4), tem a mesma direção da hélice no sem fim e na coroa. Sua característica principal é a possibilidade de obter altíssima relação de transmissão (5 até 100) em um único estágio. Sua desvantagem é o menor rendimento (principalmente em altas reduções) em relação a outro tipo de engrenamento devido ao movimento principal dos dentes ser de deslizamento representando de 70 a 100% do total, o rendimento varia de 40% a 90%. Nas engrenagens Cônicas Descentradas (figura 2i): O eixo do pinhão cruza o eixo numa distância “a” chamada offset, apresentando um escorregamento adicional nos flancos dos dentes, na direção do alinhamento dos flancos. Este tipo de engrenagem também conhecida como Hipoidal devido ao escorregamento adicional necessitando de uma lubrificação nos flancos dos dentes com óleos quimicamente ativos (conhecidos como óleo EP ou Hipóide).

Eficiência: Sabemos que a eficiência é resultante da combinação dos movimentos de rolamento e deslizamento nos flancos dos dentes durante o engrenamento, quanto maior o deslizamento, menor é a eficiência e quanto menor o deslizamento maior a eficiência; podemos observar que quando passamos da posição de intersecção dos eixos (engrenagens cônicas – figura 4) para a posição transversal dos eixos (engrenagem coroa e rosca sem fim), a porcentagem de movimento de deslizamento vai de 20% até 90% e a consequentemente a eficiência diminui; a seção inferior da figura 4 nos mostra um par de engrenagens cilíndricas que têm contato de rolamento mais elevado e uma porcentagem de deslizamento variando de 10 a 30%, confirmando a boa eficiência deste tipo de engrenagens; com uma distância offset maior que as engrenagens cônicas descentradas temos as engrenagem espiroides com eficiência entre 40-94%

No gráfico 1 obtemos que redutores com engrenagens espiroidais de apenas um estágio proporcionam a eficiência um pouco maior que redutores com engrenagens coroa e rosca sem-fim de um estágio, por outro quando incluímos um par de engrenagem cilíndrica nos primeiro estágio, a eficiência é melhorada porque utilizamos um par de engrenagem espiroidal (ou par coroa e rosca sem fim) com menor redução que tem melhor rendimento; redutores de engrenagens cônicas de dois estágios atingem rendimento de até 96%; e redutores com engrenagens cônicas de três estágios, a eficiência está próxima de 94%. Este gráfico mostra uma comparação das eficiências para diferentes tipos de engrenamento (eixos concorrentes e reversos) através de várias relações de transmissão que podem nos ajudar a fazer na seleção de redutores. Estes valores de eficiência são orientativos e para valores precisos devemos verificar no catálogo do fabricante.

Transmissão de Torque: O redutor de velocidade é formado por um trem de engrenagem dentro de uma carcaça, geralmente estão disponíveis em uma gama de tamanhos, capacidades e relações de transmissão. Seu funcionamento basico é converter a entrada fornecida por um motor principal, geralmente elétrico, em uma saída de rotação menor e consequentemente, maior torque. Tipos de saída incluem eixo vazado ou maciço e na entrada podemos ter motor direto, flange lanterna ou ponta de eixo maciço, eixos com a disposição ortogonal, paralela ou em linha. Os redutores podem ser fixos por flanges, pela carcaça ou com um braço de reação. Considerando um esquema simples de uma caixa de transmissão com um eixo de entrada e um de saída, a relação de transmissão é a relação entre a rotação de entrada [rpm] dividida pela rotação de saída [rpm]. Se o acionamento estiver sendo feito pelo eixo de alta velocidade, classificamos como redutor de velocidade; por outro lado se o acionamento estiver sendo feito pelo eixo de baixa velocidade, classificamos como multiplicador. A relação de transmissão também pode ser definida como a relação entre o número de dentes da engrenagem dividido pelo número de dentes do pinhão.

No caso de coroa e rosca sem fim o número de dentes da coroa dividido pelo número de entrada do sem fim.

Em um redutor planetário onde a engrenagem interna ZR é fixa; os planetas orbitam ao redor da solar carregando os seus respectivos eixos presos ao porta satelite e gerando a rotação do eixo de saida; a relação de transmissão por estagio planetario é determinada pela formula abaixo. Relação: u = ni / no = (1 + ZR / ZS)

Em uma transmissão, a energia é perdida através do atrito e a energia de saída é menor do que a energia de entrada, devido a perdas causadas pelo atrito, agitação do óleo, etc. A potência de saída (P2) será igual a potência de entrada (P1) descontando estas perdas. A eficiência (η) é definida como a potência de saída dividida pela potência de entrada. (η = P2/P1)

O torque transmitido [Nm] pode ser obtida pela formula:

A engrenagem com o maior número de dentes, que giram mais lentamente do que a engrenagem com o menor número de dentes, produzem o maior torque. Trens de engrenagens que mudam de velocidade sempre mudam o torque. Quando a velocidade aumenta o torque diminui proporcionalmente. Redutores e multiplicadores de velocidade são transmissores de potência e a sua seleção deve atender alguns critérios para o bom funcionamento, a seguir informações importante para uma correta seleção. A primeira questão é: qual é a velocidade de entrada e qual a potência? Potência esta, a de acionamento necessária para executar o trabalho exigido no equipamento instalado no eixo de saída do redutor de velocidade; na sequência é necessário saber a velocidade no eixo de saída do redutor (rotação desejada no equipamento), definindo com isto a relação de transmissão. O fator de serviço é o quanto o redutor suporta de torque além do torque transmitido pelo motor, para saber qual o fator de serviço necessário precisamos conhecer quantas horas de uso do redutor por dia, se tem choque, vibrações, reversões associado a aplicação; uma aplicação com choques fortes precisamos de um fator de serviço maior do que aquela que tem funcionamento uniforme; da mesma forma, um redutor que funcione de forma intermitente precisa de um fator de serviço menor que o com funcionamento 24 horas por dia. A potência admissível do redutor (Pn) deve ser maior ou igual a potência instalada (Pa) multiplicada pelo fator de serviço FS (Nos catálogos de produto WEG-CESTARI temos os fatores de serviço recomendados).

Quando a transmissão de força for através de acoplamento elástico, não ocorrerá força radial e/ou axial no eixo do redutor; entretanto se a transmissão for por elementos montados no eixo do redutor (engrenagens externas, pinhões de corrente ou polias), existirá força radial e/ou axial; e deve ser verificado se o redutor suporta estas forças aplicadas a seu eixo de saída. Outro ponto a ser avaliado é se o redutor atende termicamente, e se é necessário sistema de lubrificação e/ou refrigeração adicional; se o ambiente necessita de tintas resistentes à corrosão, se tem pós em suspensão que necessitem tipos especiais de vedação, se a área é classificada, se a temperatura ambiente é elevada ou baixa necessitando tipos especiais de lubrificante. Após especificado o redutor quanto a tamanho e capacidade, o próximo passo é escolher a forma construtiva; tipos de entrada, se é com eixo ou com flange de adaptação para motor com flange IEC ou NEMA; tipo de saída, se é com eixo maciço ou eixo vazado podendo este ser com rasgo de chaveta, disco de contração, entalhado; tipo de fixação, se é com flange de saída, fixação por pés, com braço de reação; e por último a posição de montagem se é na vertical ou na horizontal.

Maiores informações de seleção e especificação do redutor de velocidade consultar catalogo do produto no site www.wegcestari.com W.F.Navarro Março/2019 v.01.01