O empuxo axial em engrenagens helicoidais ocorre porque os dentes são cortados em ângulo em relação ao eixo da engrenagem, criando uma força que empurra a engrenagem lateralmente ao longo de seu eixo. Quando duas engrenagens helicoidais se engrenam, os dentes angulados agem como uma rampa ou rosca, redirecionando parte da força rotacional para um empurrão lateral.
Isso é completamente diferente das engrenagens retas com dentes retos. Nas engrenagens retas, todas as forças permanecem no plano da engrenagem – não há nenhum empurrão lateral.
A mecânica é simples. Quando os dentes da engrenagem helicoidal se engrenam, a força de contato entre eles atua perpendicularmente à superfície do dente. Como a superfície do dente é inclinada na ângulo de hélice, essa força se divide em três componentes: tangencial (que impulsiona a rotação), radial (que empurra as engrenagens para longe) e axial (que cria o impulso ao longo do eixo).
Você pode calcular o empuxo axial exato usando uma fórmula simples: Fa = Ft × tan(β), onde Ft é a força tangencial e β é o ângulo da hélice. Quanto maior o ângulo da hélice, mais forte se torna o empuxo axial.
Fatores de projeto que influenciam o empuxo axial
- Ângulo Helix: O ângulo da hélice é o fator mais importante na determinação do empuxo axial. Ângulos maiores geram mais empuxo, já que Fa = Ft × tan(β). A maioria dos projetistas limita os ângulos da hélice a 45 graus ou menos, pois, além disso, as forças de empuxo tornam-se impraticavelmente grandes. Ângulos comuns variam de 15 a 30 graus, equilibrando uma operação suave com cargas de empuxo administráveis.
- Engrenagens helicoidais simples vs. duplasEngrenagens helicoidais simples criam empuxo desbalanceado que deve ser suportado por rolamentos. Engrenagens helicoidais duplas (espinha de peixe) eliminam esse problema completamente, utilizando dois conjuntos de dentes opostos que geram forças de empuxo iguais e opostas, anulando-se mutuamente. Este design inteligente transmite torque sem qualquer empuxo axial líquido, eliminando a necessidade de rolamentos axiais caros.
- Mão de engrenagem e emparelhamento: Engrenagens helicoidais vêm em versões para a esquerda e para a direita, dependendo da inclinação dos dentes. Engrenagens engrenadas em eixos paralelos devem ter ponteiros opostos – um para a esquerda e outro para a direita. Cada engrenagem recebe impulso em direções opostas, portanto, embora o sistema esteja equilibrado como um todo, cada engrenagem individual ainda precisa de suporte de impulso. Inverter a direção de rotação também inverte a direção do impulso, o que é importante para aplicações bidirecionais.
- Seleção de rolamentos e montagem de engrenagens: O empuxo axial das engrenagens helicoidais exige arranjos especiais de rolamentos. Você precisará de rolamentos axiais ou de contato angular projetados especificamente para suportar cargas axiais. Esses rolamentos são normalmente maiores e mais caros do que os necessários para engrenagens retas. O projeto do eixo também pode incluir ressaltos ou flanges para ajudar a absorver as forças axiais, especialmente em aplicações de alta carga.
Perguntas Frequentes
É possível eliminar completamente o empuxo axial em engrenagens helicoidais?
Sim, usando hélice dupla ou engrenagens espinha de peixe. Esses projetos apresentam dois conjuntos de dentes angulados em direções opostas na mesma engrenagem, criando forças de empuxo iguais e opostas que se anulam completamente.
Como a carga afeta o empuxo axial?
O empuxo axial aumenta proporcionalmente à carga transmitida. Se você dobrar o torque através das engrenagens, você dobra o empuxo axial. A relação de empuxo permanece constante (determinada pelo ângulo da hélice), mas a força absoluta aumenta com a carga.
O que acontece se você inverter a rotação de uma engrenagem helicoidal?
Inverter a direção de rotação inverte o empuxo axial para a direção oposta. Uma engrenagem que estava sendo empurrada para a direita agora será empurrada para a esquerda, e é por isso que aplicações bidirecionais precisam de rolamentos que suportem o empuxo em ambas as direções.
