Captulo 01 - Introdução engrenagens

Captulo 01 - Introdução engrenagens

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Engrenagens Capítulo 01 - Introdução.doc 1

1 INTRODUÇÃO1 1.1 Engrenagens

(liquidificadores, batedeiras, máquinas de lavar)

Engrenagens são usadas em vários tipos de máquinas e equipamentos. Estão presentes nas mais diversas aplicações: área da mobilidade (aérea, naval, agrícola, automotiva); área industrial (usinagem, produção, transporte, movimentação de carga, controle de qualidade, robôs); área comercial (equipamentos de controle, registradores, componentes eletrônicos); eletrodomésticos

É um elemento de máquina razoavelmente complexo tanto para o projeto como para a fabricação e manutenção. Dependendo da aplicação exige projeto específico ou pode ser selecionada a partir das dimensões normalizadas. Utilizam-se engrenagens fundamentalmente na transmissão de movimentos com o objetivo de ganho de torque, controle do movimento, alteração de direção de movimento. Exemplo: diferencial (figura 1.1).

Figura 1.1 – Diferencial de automóvel

interação com outros elementos da máquina, montagem, lubrificação, etc

O projeto de engrenagens é um procedimento razoavelmente complexo que sofre pressões na construção por menor custo, maior capacidade de transmissão de potência, maior vida de utilização, menor peso e funcionamento com baixo ruído. A satisfação de cada um desses itens envolve um grande número de variáveis como : parâmetros de projeto, tipos de materiais, custo, possíveis processos de fabricação e as características resultantes de cada processo, máquinasferramenta disponíveis, quantidade requerida, tipos de engrenagens, dimensões, qualidade,

Além de todo estudo feito em engrenagens e do conhecimento acumulado na pesquisa sobre funcionamento e sobre os processos de fabricação, muito dos procedimentos utilizados na

1 Este texto está sendo montado para o Curso de Elementos de Máquinas I, Engenharia Mecânica, pelo professor Acires Dias, a partir do texto estruturado pelo Professor Renan Brazzale. Tem por base a ementa do curso de elementos de máquinas do EMC/UFSC. (versão 1 – Jan 2002)

Engrenagens Capítulo 01 - Introdução.doc 2 obtenção de uma engrenagem para um projeto é baseado na tradição de utilização de certos métodos e na experiência, o que leva as diversas empresas a acumularem tecnologia própria para a produção de engrenagens. Devido a isso é muito provável que um projeto independente, baseado apenas em normas e outras informações disponíveis, não se assemelhará a um projeto de uma empresa especializada.

1.2 Tipos de engrenagens

Denomina-se engrenagem toda roda dentada de forma constante, destinada a transmitir e\ou receber movimento de outro elemento mecânico dentado também de forma constante, pela ação dos dentes em contatos sucessivos.

Existem três tipos básicos de engrenagens: cilíndricas, cônicas, e hiperbolóidicas. a) Cilíndricas: dentes retos, dentes helicoidais. b) Cônicas: dentes retos, dentes curvos. c) Hiperbolóidicas: hipóide, palóide. d) Não cilíndricas.

A cremalheira é outro tipo importante não só como engrenagem mas porque é necessária ao estudo teórico das engrenagens. É também a forma básica de várias ferramentas empregadas na fabricação por geração. A cremalheira poder ser considerada uma engrenagem cilíndrica cujo raio primitivo tende para o infinito.

1.3 Transmissões por engrenagens

Ao decidir o tipo e a forma construtiva mais adequada para o projeto de uma determinada transmissão é requerido conhecimento preciso das condições básicas de funcionamento, a potência nominal, o número de rotações por minuto e a relação de transmissão, bem como momento torçor de partida, número de partidas, tempo de funcionamento por dia, número de ciclos total de funcionamento, grau de solicitação, freqüências naturais, funcionamento geral da máquina, etc.

Reunindo informações suficientes pode-se então determinar as transmissões a serem adotadas e as suas principais dimensões para o funcionamento desejado. Outros dados ainda devem ser considerados para estimar tamanho, peso, o preço, material, processo de fabricação, facilidade comercialização e manutenção.

A transmissão por engrenagens pode também ser feita por correntes, correias, rodas de atrito, motores de passo. A opção por um desses tipos de transmissão depende das características e propriedades específicas de cada tipo de transmissão e das características exigidas pelo ambiente onde a transmissão é requerida.

Transmissões por engrenagens podem ser usadas em eixos paralelos, reversos ou concorrentes e possui uma extensa gama de aplicações considerando-se as combinações de potências, rotações e relações de transmissão. A relação de transmissão permanecerá sempre constante independentemente das solicitações pois a transmissão das forças é feita sem deslizamento, o rendimento é alto, há grande resistência a sobrecargas, vida longa, segurança de funcionamento e a manutenção é pequena. Outros pontos a favor são o menor espaço que a transmissão por engrenagens ocupa e a adaptabilidade a distâncias entre eixos pré-determinadas. As desvantagens estão associadas a maior complexidade, maior custo, ruídos durante o funcionamento e transmissão relativamente rígida.

A seguir é apresentada uma lista de figuras (figuras 1.2 até 1.1) de transmissão por engrenagens:

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Figura 1.2 – Engrenagens cilíndricas de dentes retos

Engrenagens cilíndricas de dentes retos é muito utilizada na transmissão entre eixos paralelos. O dimensionamento, fabricação, montagem e manutenção desse engrenamento é mais simples, em relação às cônicas, helicoidais e hipoidais. O rendimento é alto, podendo chegar a 98-9%. Em altas velocidades apresenta problema de ruído. As cargas transmitidas aos eixos são apenas radiais. Exige, portanto, mancais que suportem apenas esse tipo de carregamento. Admitem grandes relações de transmissão.

Figura 1.3 – Engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais

Engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais é muito também muito utilizada na transmissão entre eixos paralelos. São apropriadas para cargas e velocidades elevadas. Trabalha de modo mais suave que as de dentes retos. Devido aos dentes helicoidais gera carregamentos axiais sobre os mancais além dos radiais. O rendimento desse tipo de engrenamento é também bastante alto, e podendo ser utilizada para grandes relações de transmissão

Figura 1.4 – Engrenagens cônicas

As engrenagens cônicas, são usadas para transmissão entre eixos ortogonais ou concorrentes com distintos ângulos entre eles. A transmissão por engrenagem cônica exige precisão na montagem. Os dentes podem ser oblíquos ou retos, neste caso, as velocidades são restritas. A relação de transmissão é limitada .

Figura 1.5 – Cremalheira de dentes retos

A cremalheira é usada para transformar um movimento de rotação num de translação e pode ser de dentes retos ou de dentes helicoidais. É de fácil fabricação. É utilizada como ferramenta de corte para gerar engrenagens pelo processo de geração MAAG.

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Figura 1.6 – Coroa e parafuso-sem-fim

O conjunto coroa-parafuso-sem-fim, é utilizado na transmissão de potência ou para o controle do movimento e, principalmente, como redutor de velocidade, na transmissão de certa potência. O rendimento é baixo e a capacidade de amortecer vibrações é maior que de todos os outros tipos. O parafuso é de aço e a coroa deve ser de um material com dureza menor do que a do parafuso.

Figura 1.7 – Engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais entre eixos concorrentes

Esta transmissão é utilizada para fazer mudança de direção de movimento. Neste caso a relação de transmissão é um. As hélices são projetadas para proporcionar mudança de direção de movimento em 90o.

Figura 1.8 – Engrenagens helicoidais duplas

alta rigidez para o eixo e mancais

A transmissão por engrenagem com helicóide dupla tem a vantagem de transmitir grandes carregamentos sem gerar carga axial sobre os mancais, dado que a hélice tem direção oposta. Este efeito também pode ser conseguido através da montagem de duas engrenagens helicoidais, montadas com a hélice oposto um em relação ao outro. Necessita de precisão de montagem e recomenda-se Estas engrenagens exigem máquinas especiais para sua fabricação. Há engrenagens helicoidais duplas com dentes não contínuos, o que facilita a saída da ferramenta e por sua vez a fabricação.

Figura 1.9 – Engrenagens cilíndricas de dentes internos

Engrenagens cilíndricas de dentes internos são usadas onde há restrição de espaço ou quando se quer proteger os dentes da engrenagem. Os dois eixos possuem o mesmo sentido de rotação. Este é um recurso utilizado para redutores planetários. Obtém-se boa relação de transmissão em espaços muito pequenos.

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Figura 1.10 – Engrenagens de face

A transmissão por engrenagem de face, representa o caso limite das engrenagens cônicas, com um ângulo de abertura de 180o. A ação da engrenagem de face corresponde a da cremalheira, onde os dentes se movem em um plano.

Figura 1.1 – Engrenagens cônicas descentradas (hipóides)

velocidades

A transmissão por engrenagens cônicas descentradas (hipóides), possuem grande capacidade de carga e permitem grande variação nas São empregadas extensivamente em carros, caminhões e tratores. Exige maior precisão na montagem. Tem a vantagem de ocupar pouco espaço.

1.4 Aplicações 1.4.1 Engrenagens para brinquedos, mecanismos e eletrodomésticos

No setor de brinquedos e mecanismos há a aplicação de engrenagens que não precisam de vida muito elevada, trabalham a baixas velocidades e as tensões nos dentes são pequenas têm pouca importância em relação aos esforços ou a vida esperada dos elementos. Nessas situações o projetista deve priorizar a escolha de processos de fabricação, material adequado, baixo custo e produção em larga escalam.

Deve-se sempre atentar às características de utilização destes elementos em eletrodomésticos como por exemplo: engrenagens de ventiladores não podem apresentar ruído e em outros aparelhos como processadores de comida, máquinas de lavar, não haverá lubrificação além daquela feita em fábrica.

Figura 1.12 – Engrenagens montadas em um brinquedo Figura 1.13 – Engrenagens utilizadas em eletrodomésticos

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1.4.2 Engrenagens para Máquinas Ferramenta

Precisão e capacidade de transmissão de potência é absolutamente importante em máquinas ferramenta. Engrenagens de dentes retos, helicoidais e parafusos-sem-fim são usados para controle da velocidade de avanço e da rotação de trabalho.

Na realidade, máquina ferramenta representa um bom exemplo para o projetista em relação a grande complexidade no dimensionamento da engrenagem. As cargas variam amplamente dependendo dos avanços, velocidades de corte, dimensões do trabalho e material que está sendo usinado, a forma como o operador utiliza a máquina também é um fator importante. Como certas máquinas têm o preço bastante competitivo, o superdimensionamento pode-se tornar relativamente muito caro. O projetista então precisa conciliar o superdimensionamento, no sentido do aumento de rigidez, sabendo que a máquina está sujeita a sobrecargas, dentro de custo competitivo.

Figura 1.14 – Acionamento de máquina ferramenta

1.4.3 Engrenagens de Controle

O objetivo principal desses tipos de engrenagem é a transmissão de movimento. A potência envolvida é secundária em relação ao controle preciso do movimento angular. Esse engrenamento deve ser mantido com a folga de flanco (backlash) a mínima possível, tal que, por exemplo, a redução de apenas 0,01mm na espessura do dente seja considerada uma falha na engrenagem. Significa dizer que as falhas por desgaste ou por dimensionamento indevido são mais presentes do que as falhas por fadiga superficial ou ruptura de dentes.

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Para eliminar a folga de flanco (backlash) e obter este tipo de precisão é necessário dimensionar os dentes com rigor no ajuste e utilizar técnicas especiais de fabricação e inspeção.

Equipamentos bélicos em navios, helicópteros e tanques, sistemas de controle em indústrias, robôs entre outros são controladas por esses tipos de engrenagens. Em alguns casos as engrenagens de controle são construídas em diâmetros enormes como em telescópios de observatórios e antenas de rastreamento de satélites.

Figura 1.15 – Engrenagem de acionamento e controle de radar

1.4.4 Engrenagens para veículos automotivos

Automóveis geralmente usam engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais, de dentes retos e engrenagens cônicas em transmissões e diferenciais. O uso de transmissões automáticas não descarta engrenagens, pelo contrário, a maioria das transmissões automáticas tem mais engrenagens que as transmissões normais.

Engrenagens de veículos sofrem a ação de cargas elevadas em relação ao espaço ocupado, mas as cargas de maior intensidade são de curta duração. Isso torna possível projetar as engrenagens para vida limitada em máximo torque e ainda obter engrenagens que duram muitos anos trabalhando no torque médio de funcionamento.

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Figura 1.16 – Acionamento

1.4.5 Engrenagens veículos de transporte de carga

Ônibus, metrôs, veículos mineradores, trens usam engrenagens onde a ação das cargas elevadas, ao contrário dos automóveis, duram longos períodos de tempo (exemplo: um trem atravessando uma longa cadeia de montanhas). Em algumas aplicações ocorrem ainda cargas geradas por impactos, reversão das cargas.

1.4.6 Engrenagens navais

A propulsão em navios mercante ou de combate requer engrenagens de grandes dimensões, que possam trabalhar com alta potência e em altas velocidades. São utilizadas potências na ordem de 30.0-40.0KW e velocidades tangenciais na ordem de 100m/s.

Devido à alta velocidade, a precisão de fabricação deve ser grande. Em rotações elevadas, a velocidade de engrenamento pode ser tal que até 6000 pares de dentes podem entrar em contato num tempo muito curto. Isto requer muito cuidado em relação ao acabamento superficial, processo de lubrificação, rigidez dos mancais e eixos.

O projetista deve-se preocupar com ambos, ruído e capacidade de carga. Tratados isoladamente as cargas nos dentes não são elevadas em comparação àquelas em engrenagens de transporte. Em função da vida do navio ser longa, o ciclo de carga num pinhão de alta velocidade pode variar entre 10 e 1 bilhões de ciclos, tornando crítico o dimensionamento para fadiga.

Em todas as engrenagens de um navio é requerido um nível de ruído baixo. Depende do conforto requerido para os passageiros e para a saúde de operadores da casa de máquinas. Devido a isso, há que tomar cuidado com as engrenagens dos sistemas auxiliares, localizadas próximas as acomodações como, por exemplo, em geradores, elevadores.

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Figura 1.17 – Engrenagens para acionamento de navio

1.4.7 Aplicações aeroespaciais

Em aviões os sistemas com engrenagens são usados em propulsores, geradores, bombas, reguladores hidráulicos, trens de pouso e outros acessórios. Nos helicópteros, o motor principal e de cauda utilizam várias engrenagens.

Os esforços sobre os dentes e as velocidades são sempre elevados. O projeto deve ainda se preocupar com o tipo de lubrificação que pode ser aplicado e o espaço disponível.

1.4.8 Engrenagens industriais

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