Selecionar a engrenagem helicoidal correta requer a adequação das necessidades específicas da sua aplicação à geometria, aos materiais e aos processos de fabricação corretos. Este guia orienta você em cada ponto crítico de decisão para garantir que suas engrenagens ofereçam um desempenho confiável e eficiente.
Requisitos da aplicação
Sua aplicação dita todas as outras decisões na seleção de marchas. Comece definindo claramente o que suas marchas precisam realizar e as condições que enfrentarão.
Aplicações típicas
As engrenagens helicoidais são excelentes em transmissões automotivas, reductoress de engrenagens industriaise sistemas transportadores onde a operação suave e silenciosa é essencial. São a escolha ideal quando você precisa transmitir potência entre eixos paralelos em velocidades moderadas a altas.
Ciclo de trabalho e ambiente
O ciclo de trabalho da sua engrenagem determina o quão robusta ela precisa ser. Uma engrenagem que funciona 24 horas por dia, 7 dias por semana em uma siderúrgica, precisa de especificações diferentes de uma que opera duas horas por dia em uma máquina de embalagem.
Fatores ambientais impactam diretamente a escolha do material e os requisitos de lubrificação. Condições empoeiradas exigem melhor vedação, enquanto aplicações externas exigem materiais resistentes à corrosão.
Temperaturas extremas afetam tanto as propriedades do material quanto a viscosidade do lubrificante. Uma engrenagem operando em um freezer requer considerações diferentes daquelas perto de um forno.
Fatores de Serviço
Os fatores de serviço levam em conta condições reais que sobrecarregam seus equipamentos além das cargas calculadas. Um motor elétrico funcionando perfeitamente pode usar um fator de 1.0, enquanto um compressor alternativo pode exigir 2.0 ou mais.
Cargas de impacto, vibração e frequência de partida/parada aumentam sua fator de serviçoÉ como adicionar uma almofada de segurança aos seus cálculos: é melhor projetar um pouco mais do que enfrentar uma falha inesperada.
Cálculos de carga e torque
Cálculos precisos de carga evitam falhas catastróficas e superdimensionamentos. Você precisa saber exatamente quais forças suas engrenagens sofrerão.
Determinando os requisitos de torque e potência
Torque é igual à força vezes a distância do centro de rotação. Se você estiver levantando 1,000 kg com um tambor de raio de 6 cm, precisará de 6,000 kg de torque.
A potência está relacionada ao torque e à velocidade por meio desta fórmula simples: HP = (Torque × RPM) ÷ 5,252. Verifique suas unidades – misturar medidas métricas e imperiais é uma fonte comum de erros.
Cargas de pico são mais importantes do que cargas médias. Seu equipamento pode rodar a 100 HP na maior parte do tempo, mas se ele apresentar picos de 300 HP durante a partida, projete para os picos.
Forças dos dentes da engrenagem
Engrenagens helicoidais criam três componentes de força: tangencial (realizando o trabalho), radial (empurrando as engrenagens para longe uma da outra) e axial (empuxo ao longo do eixo). O empuxo axial é exclusivo das engrenagens helicoidais e requer a seleção adequada dos rolamentos.
Calcule a força tangencial usando: Ft = (2 × Torque) ÷ Diâmetro Primitivo. Esta é a sua força de trabalho primária.
As forças radiais e axiais dependem de você ângulo de pressão e ângulo de hélice. Um ângulo de pressão de 20° com um ângulo de hélice de 15° cria um empuxo axial igual a cerca de 27% da força tangencial.
Margens de segurança
Projete engrenagens para suportar pelo menos 1.5 vez a carga máxima esperada. Aplicações críticas, como elevadores ou aeronaves, exigem fatores de 3 ou mais.
Considere também a vida útil em fadiga. Uma engrenagem forte o suficiente para cargas de pico ainda pode falhar devido a ciclos repetidos de estresse abaixo desse pico.
Considerações sobre a geometria da engrenagem
A geometria determina a suavidade e a eficiência do engrenamento das engrenagens. Cada parâmetro afeta o desempenho, o custo e a capacidade de fabricação.
Ângulo da hélice (β)
O ângulo da hélice normalmente varia de 15° a 30°, sendo 20° o ângulo mais comum para aplicações gerais. Ângulos maiores proporcionam uma operação mais suave, mas geram mais empuxo axial.
Imagine deslizar por um escorregador em espiral em vez de um escorregador reto. O espiral (ângulo de hélice mais alto) proporciona um passeio mais suave, mas empurra você para o lado contra o trilho.
Passo do módulo ou diametral
Módulo (métrico) ou passo diametral (imperial) determina o tamanho do dente. Módulos maiores significam dentes maiores e mais fortes, mas operação mais grosseira.
Módulos padrão como 1, 1.5, 2, 3, 4 ou 5 mm reduzem custos e aumentam a disponibilidade. Tamanhos personalizados só devem ser usados quando as opções padrão realmente não funcionarem.
Número de dentes e relação de engrenagens
Contagens mínimas de dentes evitam cortes inferiores – normalmente 17 dentes para ângulos de pressão padrão. Menos dentes resultam em raízes dentárias mais fracas e operação mais áspera.
Sua relação de transmissão (dentes acionados ÷ dentes acionadores) determina a redução ou o aumento da velocidade. Uma engrenagem de 60 dentes acionando uma engrenagem de 20 dentes cria um aumento de velocidade de 1:3.
Largura da face (b)
Largura do rosto normalmente equivale a 8 a 12 vezes o módulo para engrenagens industriais. Faces mais largas suportam mais carga, mas exigem melhor alinhamento.
Mantenha a largura da face inferior a 2 vezes o diâmetro do pinhão para evitar problemas de deflexão. Um pinhão de 4 cm não deve ter mais de 8 cm de largura da face.
Ângulo de pressão (α)
Os ângulos de pressão padrão são 20° ou 25°, sendo 20° o mais comum. Ângulos de pressão mais altos criam dentes mais fortes, mas aumentam as cargas radiais nos rolamentos.
É uma questão de equilíbrio entre a resistência dos dentes e a vida útil do rolamento. A maioria das aplicações funciona bem com 20°.
Seleção do material
A escolha do material equilibra resistência, resistência ao desgaste, custo e capacidade de fabricação. Adapte o material às suas cargas e ao ambiente operacional.
Aços de liga
Os aços 4140 e 4340 oferecem excelente resistência e tenacidade para engrenagens de uso geral. São fáceis de usinar e respondem previsivelmente ao tratamento térmico.
O aço 8620 é o padrão para engrenagens cementadas. Seu núcleo de baixo carbono permanece resistente, enquanto a reductores de alto carbono oferece resistência ao desgaste.
Aços Carbono
O aço 1045 funciona bem para cargas moderadas sem tratamento térmico. É econômico e facilmente disponível.
O aço 1045 tratado termicamente suporta cargas mais pesadas, mas não se compara ao aço de liga. Use-o quando o custo for mais importante do que o desempenho máximo.
Ferro fundido e ferro dúctil
Ferro fundido cinzento é adequado para aplicações de baixa velocidade e carga moderada. Seu amortecimento natural reduz ruídos e vibrações.
O ferro dúctil oferece o dobro da resistência do ferro fundido cinzento, com melhor resistência ao impacto. É perfeito para engrenagens grandes, onde o aço seria muito caro.
Bronze
Engrenagens de bronze funcionam silenciosamente e resistem à corrosão. São ideais para engrenagem helicoidal aplicações onde o contato deslizante domina.
O bronze-alumínio suporta cargas mais pesadas do que o bronze tradicional. Use-o em aplicações marítimas onde a resistência à corrosão é essencial.
Aço inoxidável
O aço inoxidável 316 resiste à corrosão em aplicações químicas e de processamento de alimentos. É mais fraco que o aço carbono, mas não contamina os produtos.
O aço inoxidável 17-4 PH oferece resistência próxima à do aço carbono, com boa resistência à corrosão. O tratamento térmico revela todo o seu potencial.
Plásticos e Compósitos
Engrenagens de nylon e acetal funcionam sem lubrificação em aplicações leves. São silenciosas, resistentes à corrosão e econômicas em grandes quantidades.
Plásticos com fibra de vidro suportam cargas maiores do que as versões sem fibra. Eles preenchem a lacuna entre o desempenho do metal e do plástico.
Tratamento térmico
O tratamento térmico pode dobrar ou triplicar a capacidade de carga das engrenagens. Escolha o processo certo para sua aplicação e orçamento.
Endurecimento da reductores (cementação)
A cementação cria uma superfície de desgaste rígida (58-62 HRC) sobre um núcleo resistente (30-40 HRC). É ideal para engrenagens com altas tensões de contato.
O processo leva de 8 a 20 horas, dependendo da profundidade da reductores necessária. As profundidades típicas da reductores variam de 0.020" para engrenagens pequenas a 0.100" para engrenagens industriais grandes.
Espere um crescimento de 0.001-0.002" por superfície durante a cementação. Considere isso nas suas tolerâncias de fabricação.
Nitretação
A nitretação produz uma superfície extremamente dura (65-70 HRC) com distorção mínima. As engrenagens mantêm suas dimensões precisas por meio do tratamento.
O processo funciona em temperaturas mais baixas (950 °F vs. 1700 °F para cementação), reduzindo a distorção. Isso o torna perfeito para engrenagens de precisão.
As profundidades de camada são menores do que as da cementação, normalmente de 0.010 a 0.025". Isso limita a nitretação a aplicações com estresse de contato moderado.
Endurecimento por indução ou chama
O endurecimento por indução trata apenas a superfície do dente, deixando o núcleo e a raiz intactos. É rápido e cria menos distorção do que o endurecimento total.
Os custos de instalação são altos, tornando o endurecimento por indução econômico apenas para grandes quantidades. O processo leva segundos em vez de horas.
A têmpera por chama funciona para engrenagens grandes, onde equipamentos de indução seriam impraticáveis. Requer operadores qualificados para resultados consistentes.
Através de Endurecimento
O endurecimento contínuo trata toda a engrenagem até atingir uma dureza uniforme (tipicamente 28-35 HRC). É simples e econômico para pequenas quantidades.
Este método funciona melhor para engrenagens com menos de 6 cm de diâmetro. Engrenagens maiores podem rachar ou deformar excessivamente.
Engrenagens temperadas têm menor capacidade de carga do que as cementadas. Use-as para cargas moderadas, onde a simplicidade é mais importante do que o desempenho máximo.
