Tipos de Engrenagens e Sistemas de Transmissão

Tipos de engrenagens Apresentação As engrenagens são utilizadas para variar o número de rotações e o sentido da rotação de um eixo para o outro ou ainda o controle de velocidade por meio das rotações do fuso principalmente quando se faz necessária a transmissão de grandes esforços de rotação Resumidamente podese descrever esse sistema de transmissão como um conjunto de engrenagens ou rodas dentadas que trabalham juntas para produzir movimento Muitos destes movimentos que são utilizados no dia a dia contêm sistemas de transmissão por meio de engrenagens como por exemplo bicicletas motos carros e uma infinidade de sistemas industriais como tornos fresadoras retificadoras e máquinas a comando CNC Nesta Unidade de Aprendizagem você vai estudar os principais tipos de engrenagens suas diversas formas de fabricação assim como calcular e dimensionar esses elementos que fazem parte dos sistemas de transmissão das máquinas e dos equipamentos Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Reconhecer a classificação e os principais tipos de engrenagens Identificar a fabricação das engrenagens e suas propriedades mecânicas como dureza de dentes e núcleo tenaz Aplicar o cálculo e o dimensionamento de engrenagens Desafio No desenvolvimento de sistemas de transmissão é preciso conhecer e compreender os movimentos que cada máquina equipamento dispositivo e elemento realizam para que se possa selecionar de forma correta os elementos mecânicos adequados a cada aplicação Em função de sua competência e conhecimento em elementos mecânicos você foi requisitado pelo seu supervisor para desenvolver um novo sistema de transmissão para uma máquina automatizada de produção Para que isso seja possível alguns fatores precisam ser considerados como reconhecer os elementos de transmissão e calcular a relação de transmissão juntamente com a rotação desses elementos Diante disso você deverá a Determinar qual o tipo de engrenagem a ser utilizado nesse sistema de transmissão b Determinado o tipo de engrenagem a ser utilizada para as duas montagens calcular as rotações para cada eixo acoplado sabendo que a engrenagem motora tem 24 dentes z1 e está acoplada ao motor trifásico de 1800 RPM n1 e terá três engrenagens intermediárias de 48 dentes z2 56 dentes z3a e 57 dentes z4 respectivamente Na segunda montagem ao invés da intermediária z3a teremos uma outra de 44 dentes z3b Infográfico As engrenagens são importantes elementos mecânicos necessários às movimentações dos sistemas de transmissão para obtenção de rotação com força rapidez e precisão em máquinas e equipamentos Dentre as inúmeras aplicações desses importantes elementos podemos destacar uma simples transmissão entre duas engrenagens a um sistema de controle de velocidades de uma máquina operatriz ou ainda em complexos sistemas de transmissão automotores como caixas de câmbio e sistemas diferenciais Acompanhe no Infográfico os tipos de engrenagens e algumas das inúmeras aplicações desses importantes elementos mecânicos em máquinas equipamentos e mecanismos industriais e automotores Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Conteúdo do livro As engrenagens são elementos mecânicos utilizados nos mecanismos de transmissão Têm como função transmitir potência e velocidade por meio de rotação entre os diversos elementos em uma máquina Existem vários tipos de engrenagem como por exemplo de formato cilíndrico e dentes retos ou helicoidais de formato cônico com dentes retos ou helicoidais e as engrenagens côncavas e parafuso sem fim Estes elementos são designados de acordo com sua função e aplicabilidade Responsáveis pelo controle da velocidade e do torque entre dois ou mais eixos as engrenagens têm uma função de grande importância na transmissão de movimentos de máquinas e equipamentos No capítulo Tipos de engrenagens da obra Elementos de máquina você vai conhecer a classificação e os principais tipos de engrenagens cilíndricas helicoidais cônicas base teórica desta Unidade de Aprendizagem Boa leitura ELEMENTOS DE MÁQUINAS Marcelo Quadros Tipos de engrenagens Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Reconhecer a classificação e os principais tipos de engrenagens Identificar a fabricação das engrenagens e suas propriedades mecânicas como dureza de dentes e núcleo tenaz Aplicar o cálculo e o dimensionamento de engrenagens Introdução Neste capítulo você vai estudar os principais tipos de engrenagens e suas diversas formas de fabricação assim como vai calcular e dimensionar esses elementos que fazem parte dos sistemas de transmissão das máquinas e equipamentos Essas engrenagens são utilizadas para variar o número de rotações e o sentido da rotação de um eixo para outro ou ainda o controle de velocidade por meio das rotações do fuso principalmente quando se faz necessária a transmissão de grandes esforços de rotação De forma resumida podemos descrever esse sistema de transmissão como um conjunto de engrenagens ou de rodas dentadas que trabalham juntas para produzir movimento Muitos desses movimentos que utilizamos no dia a dia têm sistemas de transmissão por meio de engrenagens São exemplos disso bicicletas motos carros e uma infinidade de sistemas industriais como tornos fresadoras retificadoras e máquinas a comando numérico computadorizado CNC Vamos conhecer a classificação e os principais tipos de engrenagens cilíndricas helicoidais e cônicas utilizadas nos sistemas de transmissão mecânicos Também aprenderemos a compreender a fabricação das engrenagens e suas propriedades mecânicas como dureza de dentes e núcleo tenaz Por fim na continuidade do estudo desses elementos de transmissão vamos calcular e dimensionar engrenagens e suas respectivas fórmulas e equações Classificação e principais tipos de engrenagens Conforme Budynas e Nisbett 2016 p 656 As forças transmitidas entre engrenagens engrenadas suprem momentos torcionais a eixos para gerar movimento e transmissão de potência e criam forças e momentos que afetam o eixo e seus mancais Existem inúmeros tipos de engrenagens Figura 1 entre as principais destacamse engrenagem cilíndrica de dentes retos engrenagem cilíndrica de dentes helicoidais engrenagem cônica de dentes retos engrenagem cônica de dentes helicoidais engrenagem côncava coroa e parafuso semfim Figura 1 Diversos tipos de engrenagens Fonte TewlyxShutterstockcom Engrenagens cilíndricas de dentes retos São os tipos mais comuns de engrenagens e têm baixo custo de produção Servem somente para transmissão entre eixos paralelos entre si e não são aconselhadas para transmissão de forças muito grandes e rotações muito elevadas São utilizadas em sistemas simples de máquinas operatrizes e em sistemas automotores Figura 2 Figura 2 Engrenagem cilíndrica de dentes retos Fonte Kapitula OlgaShutterstockcom Engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais Os dentes são dispostos de maneira transversal em forma de hélice com relação ao eixo Servem para transmissão não somente de eixos paralelos entre si mas também para eixos que formam um determinado ângulo entre ele Pelo fato de realizar movimento contínuo esse tipo de engrenagem evita choques entre os elementos em razão de seus dentes inclinados estarem em contato constante O nível de ruído é mais baixo e serve para transmissão de maiores forças e rotações elevadas Figura 3 3 Tipos de engrenagens Figura 3 Engrenagem cilíndrica de dentes helicoidais Fonte Vladimir MartinovShutterstockcom Engrenagens cônicas de dentes retos Essa engrenagem é utilizada para mudar a rotação e a direção da força a baixas velocidades sem impacto Tem grande aplicação em sistemas que necessitam de transferência de direção vertical para horizontal e viceversa Figura 4 Figura 4 Engrenagem cônica de dentes retos Fonte pattanachai wShutterstockcom e WaldemarusShutterstockcom Tipos de engrenagens 4 Engrenagens cônicas de dentes helicoidais Utilizada para mudar a rotação e a direção da força a altas velocidades e com grandes esforços É aplicada em sistemas Figura 5 Figura 5 Engrenagem cônica de dentes helicoidais Fonte FedotovAnatolyShutterstockcom Engrenagens côncavas coroas e parafusos semfim Os parafusos semfim são engrenagens helicoidais com número reduzido de dentes até cinco dentes Servem para transmissão entre dois eixos perpendi culares entre si São utilizados normalmente quando se precisa obter grande redução de rotação e também para transmissão de grandes forças como por exemplo nos redutores de velocidade Figura 6 5 Tipos de engrenagens Figura 6 Engrenagem côncava coroa e parafuso semfim Fonte maxuserShutterstockcom As engrenagens trabalham em conjunto As de um mesmo conjunto podem ter tamanhos diferentes Quando um par tem rodas de tamanhos diferentes a maior engrenagem chamase coroa e a menor chamase pinhão Fabricação das engrenagens e suas propriedades mecânicas Engrenagens desempenham um papel importante na transmissão de energia mecânica Sua fabricação é uma área muito interessante que envolve várias metodologias e que varia com os tipos de engrenagens a serem produzidas Tipos de engrenagens 6 Segundo Budynas e Nisbett 2016 p 670 Há um número grande de maneiras de formar os dentes de engrenagens tais como fundição em areia moldagem em casca fundição de investimento fundição em molde permanente fundição em matriz e fundição centrífuga Dentes também podem ser produzidos pelo processo de metalurgia do pó ou a extrusão uma única barra de alumínio pode ser formada e então fatiada em engrenagens Engrenagens de termoplásticos como náilon policarbonatos e acetal são muito populares e facilmente manufaturadas por moldagem de injeção Essas engrenagens são de precisão variam entre baixa e moderada de baixo custo para produção em altas quantidades e capazes de transmitir cargas leves e funcionar sem lubrificação Na geração uma ferramenta com uma forma diferente do perfil de dente se move relativamente à peça que dará origem à engrenagem para gerar a forma apropriada de dente Um dos métodos de formação de dentes mais novo e mais promissor é conhecido como conformação ou laminação a frio no qual matrizes são roladas sobre peças de aço para formar os dentes A metodologia de fabricação envolvida na confecção das engrenagens define os tipos de máquinas a serem utilizadas Os principais métodos de usinagem na produção de engrenagens são por fresamento e por geração e são concluídos por rebarbação brunimento retificação ou lapidação Fresamento Dentes de engrenagens podem ser cortados com uma fresa de forma feita para conformar ao espaço do dente Com esse método é necessário utilizar um cortador diferente para cada engrenagem uma vez que uma engrenagem com 25 dentes por exemplo terá um espaço de dente formado de maneira diferente daquela com 24 dentes De fato a diferença em espaço não é muito grande e verificouse que oito cortadores podem ser utilizados para cortar com acurácia razoável qualquer engrenagem no intervalo de 12 dentes até uma cremalheira Um conjunto separado de cortadores é requerido para cada passo Figura 7 7 Tipos de engrenagens Figura 7 Fresamento de engrenagem na fresadora Fonte patrufloShutterstockcom A operação de fresar engrenagens é uma das mais importantes e complexas no fresa mento Nessa operação os dentes das engrenagens são usinados com fresas de perfil constante chamadas de fresas módulo são usados o cabeçote divisor e dependendo da complexidade da engrenagem outros acessórios da fresadora Figura 8 Figura 8 Fresamento de engrenagem na fresadora Fonte patrufloShutterstockcom Tipos de engrenagens 8 Na fabricação de engrenagens o perfil dos dentes é padronizado Os dentes são usinados por ferramentas chamadas fresas A escolha da fresa depende da altura da cabeça e do número de dentes da engrenagem por isso não há interesse em representar os dentes nos desenhos Geração Dentes podem ser gerados tanto por um pinhão cortador quanto por um cortador de cremalheira O pinhão cortador descreve um movimento alternativo ao longo do eixo vertical e avança de forma vagarosa sobre a peça que é cortada até a profundidade requerida Quando os círculos primitivos são tangentes o cortador e a peça rodam ligeiramente após cada movimento de corte Uma vez que cada dente do cortador é uma ferramenta de corte todos os dentes aparecerão cortados quando a peça completar uma rotação Os lados de um dente de cremalheira de involuta são retos Por essa razão uma ferramenta de geração do tipo cremalheira proporciona um método preciso de corte dos dentes de engrenagens Figura 9 Figura 9 Fresamento de engrenagem na geradora Fonte Dovzhykov AndriyShutterstockcom 9 Tipos de engrenagens A geração também é uma operação de forma Em operação o cortador avança reciprocamente sobre a peça em corte até que os círculos primitivos sejam tangentes Então após cada ciclo de corte a peça e o cortador rolam ligeiramente sobre seus círculos primitivos Quando o cortador e a peça já rolaram de uma distância igual ao passo circular o cortador retorna ao ponto de partida e o processo continua até que todos os dentes tenham sido cortados A geração das engrenagens cônicas é uma área muito especializada no campo de corte de engrenagens Isso envolve um tipo especial de máquina denominada geradora de engrenagens Para cada variedade de engrenagem cônica a ser produzida terá seu método especifico como por exemplo Fellows Gleason Oerlikon Hypoid Zerol etc Cada tipo de engrenagem cônica é sempre feito apenas no tipo correspondente de máquina A ferramenta neces sária também pode variar de acordo com o tipo de engrenagem Figura 10 Figura 10 Fresamento de engrenagem cônica na geradora Fonte Dmitry KalinovskyShutterstockcom As propriedades mecânicas como dureza de dentes e núcleo tenaz necessi tam de tratamentos termoquímicos que têm por objetivo alterar as propriedades superficiais do material de engrenagem Tipos de engrenagens 10 Em peças como engrenagens desejase um núcleo tenaz e uma superfície resistente ao desgaste Para essa aplicação aços com baixo teor de carbono são submetidos ao tratamento termoquímico de cementação que eleva o teor de carbono na superfície aumenta sua resistência ao desgaste ao mesmo tempo em que preserva a tenacidade do núcleo mantido com baixo teor de carbono Saiba mais Uma engrenagem ideal tem um núcleo tenaz e uma superfície resistente ao desgaste Assim os aços com baixo teor de carbono são submetidos ao tratamento termoquímico elevando a resistência ao desgaste sem alterar a tenacidade do núcleo mantido com baixo teor de carbono Os principais tratamentos termoquímicos para dar dureza necessária às engrenagens são os seguintes cementação é o tratamento térmico em que se acrescenta carbono na superfície da peça para aumentar a dureza nitretação é um tratamento alternativo ao processo de cementação garante uma maior precisão e elimina a necessidade de retrabalho têmpera superficial é um processo que produz um endurecimento da superfície da engrenagem em que o aquecimento se dá por meio de indução elétrica e há um resfriamento brusco Cálculo e dimensionamento de engrenagens Para calcular e dimensionar engrenagens devemos inicialmente conhecer sua terminologia Figura 11 Figura 11 Terminologia de uma engrenagem Fonte Budynas e Nisbett 2016 p 658 Topo Largura de face Círculo de adendo Face Flanco Fundo de dente Circulo de folga Circulo de raiz Raio de adoçamento Folga Dedendo Adendo Passo circular Espessura de dente Círculo primitivo Vão entre dentes O passo circular p é a distância medida do círculo primitivo do ponto de um dente ao correspondente ponto no dente adjacente Assim o passo circular será igual à soma da espessura do dente com a largura do espaçamento O módulo m é a razão entre o passo primitivo e o número de dentes A unidade de comprimento geralmente é o milímetro O módulo é o índice de tamanho do dente no SI O passo diametral P é a razão entre o número de dentes da engrenagem e o diâmetro primitivo É o recíproco do módulo Uma vez que o passo dia metral é utilizado somente como unidades dos EUA é expresso como dentes por polegadas O adendo a é a distância radial entre o topo do dente e o círculo primitivo O dedendo b é a distância radial do fundo do dente ao círculo primitivo A altura completa ht é a soma do adendo e do dedendo O círculo de folga é um círculo tangente ao círculo de adendo da engrena gem par A folga e é a quantidade pela qual o dedendo em dada engrenagem excede o adendo de sua engrenagem par O recuo é a quantidade pela qual a largura do espaço entre dentes excede a espessura do dente a este engrazado medida sobre os círculos primitivos Tipos de engrenagens 12 O dimensionamento referese ao cálculo de todas as variáveis necessárias para a fabricação e o funcionamento perfeito de um par de engrenagens Para saber quais são as medidas utilizadas para a fabricação de uma engrenagem temos que saber diâmetro externo diâmetro primitivo diâmetro interno módulo altura do dente altura do pé do dente altura da cabeça do dente Para calcular o número corresponde ao módulo temos a fórmula m dp Z Onde m módulo dp diâmetro primitivo Z número de dentes Os elementos dessa fórmula podem calcular o diâmetro primitivo e o número de dentes dp m Z Z dp m O resultado do módulo e o número de dentes determinam qual ferramenta será utilizada na fresadora No caso de termos que calcular a rpm de engrenagens a fórmula é muito semelhante à usada para o cálculo de rpm de polias sendo n1 n2 Z2 Z1 Onde n1 e n2 respectivamente representam a rpm da engrenagem motora e movida Z2 e Z1 representam respectivamente a quantidade de dentes das engre nagens movida e motora Como exemplo vamos supor que você precise descobrir a velocidade final de uma máquina cujo sistema de redução de velocidade tenha duas engrenagens a primeira motora tem 30 dentes e gira a 300 rpm e a segunda movida tem 60 dentes n1 300 n2 Z2 60 Z1 30 n2 n1 Z1 Z2 n2 150 RPM n2 300 30 60 Se você tiver um conjunto com várias engrenagens a fórmula a ser usada será a mesma Como exemplo prático vamos calcular a rpm da engrenagem maior da figura a seguir sabendo que a engrenagem motora A tem 30 dentes e gira a 300 rpm a engrenagem intermediária B 60 dentes e a movida C tem 90 dentes Primeiro estágio n1 300 n2 Z2 60 Z1 30 n2 300 30 60 n2 900 60 Engrenagem intermediária B n2 150 RPM Tipos de engrenagens 14 Segundo estágio n1 150 n2 Z2 90 Z1 60 n2 150 60 90 n2 9000 60 Engrenagem movida C n2 100 RPM A Figura 12 apresenta o sistema de redução de velocidade de uma máquina Figura 12 Sistema de redução de velocidade de uma máquina Fonte Yuri TurkovShutterstockcom 15 Tipos de engrenagens BUDYNAS R G NISBETT J K Elementos de máquinas de Shigley 10 ed Porto Alegre AMGH 2016 Leituras recomendadas BEER F P et al Mecânica vetorial para engenheiros estática 9 ed Porto Alegre AMGH 2013 PLESHA M E GRAY G L COSTANZO F Mecânica para engenharia estática Porto Alegre AMGH 2015 SMITH W S HASHEMI J Fundamentos da engenharia e ciência dos materiais 5 ed Porto Alegre AMGH 2012 Referência Tipos de engrenagens 16 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Conteúdo Dica do professor Veja as orientações sobre a definição dos tipos de engrenagens e suas diversas aplicações além dos fatores que influenciam sua vida útil como as corretas manutenções preditivas e preventivas e a utilização do lubrificante correto para proporcionar uma vida útil mais longa para as engrenagens com menos desgaste e temperaturas de funcionamento mais baixas Assista Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 Dentre os vários tipos de engrenagens qual delas tem baixo custo e não é aconselhada para transmissão de forças muito grandes e rotações muito elevadas A Engrenagem cilíndrica de dentes helicoidais B Engrenagem cilíndrica de dentes retos C Engrenagem cilíndrica de dentes cônicos D Engrenagem cônica de dentes helicoidais E Engrenagem côncava e parafuso sem fim 2 Dentre os vários tipos de engrenagens qual delas tem sua grande utilização em redutores de velocidade A Engrenagem cilíndrica de dentes helicoidais B Engrenagem cilíndrica de dentes cônicos C Engrenagem cônica de dentes helicoidais D Engrenagem cilíndrica de dentes retos E Engrenagem côncava e parafuso sem fim 3 Nas diversas formas de se produzir uma engrenagem destacase o método de usinagem Neste método quais são as formas mais conhecidas de confeccionar essas engrenagens A Por eletroerosão e retificação B Por eletroerosão e fresamento C Por corte a plasma e geração D Por geração e fresamento E Por torneamento e fresamento 4 Dentre os vários tratamentos termoquímicos destacamse três para obtenção de maior dureza nas engrenagens sendo eles A Revenimento nitretação e tempera superficial B Tempera superficial nitretação e cementação C Normalização cementação e tempera por chama D Carbonitretação cementação e revenimento E Recozimento revenimento e cementação 5 Em um sistema de redução por engrenagem a motora tem 10 dentes e gira a 500 RPM qual será a RPM da engrenagem movida que tem 25 dentes A 500 RPM B 250 RPM C 200 RPM D 100 RPM E 25 RPM Na prática A engrenagem do redutor do sistema de movimentação da esteira transportadora de uma linha de produção de bebidas quebrou antes do tempo de vida útil determinado pelo fabricante do equipamento Neste caso foi acionado o setor de manutenção corretiva para efetuar a substituição da engrenagem assim como o setor de manutenção preventiva para verificar as causas desse defeito de forma a prevenir para que não ocorra essa falha novamente Veja as possíveis causas desse problema e os cuidados de cada verificação a ser realizada assim como o resultado dessas verificações Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor Elementos de máquinas de Shigley Para conhecer melhor os tipos e as aplicações de engrenagens leia este livro Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Engrenagens Volume 1 Vídeo 84A Confira o link bem interessante sobre os cálculos e o dimensionamento de sistemas de engrenagens Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Como é feito Veja neste vídeo como são feitas as engrenagens Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar