Engrenagens Cônicas Retas vs. Espirais: Diferenças Principais Explicadas

Máquina pode ser definida como um conjunto de mecanismos que podem realizar certas tarefas expandindo energia. Tais mecanismos são acionados por potência mecânica, que vem na forma de torque rotacional. Um motor principal (como motor elétrico, turbina, etc.) geralmente fornece potência mecânica e esta é então transmitida à unidade da máquina com a ajuda de acionamentos mecânicos. Existem quatro acionamentos mecânicos, a saber: acionamento por engrenagens, acionamento por correia, acionamento por corrente e acionamento por cabo. O acionamento por engrenagens transmite movimento e potência do eixo motor para o eixo movido por meio de engrenamento de dentes. É um acionamento rígido devido à ausência de qualquer elemento flexível intermediário. Pode transmitir potência leve a pesada sem qualquer escorregamento (acionamento positivo) e é preferido para transmissão de potência em pequenas distâncias.

Existem quatro tipos básicos de engrenagens — engrenagem reta, engrenagem helicoidal, engrenagem cônica e engrenagem sem-fim. Engrenagens retas e helicoidais são usadas para eixos paralelos; no entanto, a engrenagem reta tem dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem; enquanto a engrenagem helicoidal tem dentes em forma helicoidal cortados no cilindro de passo. Esta forma helicoidal de dentes oferece certas vantagens, como captação gradual de carga no dente, menos vibração, menos ruído, menos desgaste, etc. Um par de engrenagens cônicas pode ser aplicado para transmitir movimento e potência entre eixos concorrentes (geralmente perpendiculares); enquanto o arranjo de engrenagem sem-fim é aplicável para eixos não paralelos e não concorrentes. Existem diferentes tipos de engrenagens cônicas, como engrenagem cônica reta, engrenagem cônica enviesada, engrenagem de face, engrenagem espiral, engrenagem hipoide, engrenagem coroada, engrenagem zerol, etc. Cada uma delas tem características diferentes e é adequada para tipos particulares de aplicações.

Os dentes da engrenagem cônica podem ter perfil reto ou espiral; no entanto, ambos são aplicáveis apenas para eixos concorrentes. Como o nome sugere, na engrenagem cônica de dentes retos, os dentes são retos como a engrenagem reta, mas são cortados ao longo do eixo da engrenagem mantendo uma inclinação. Devido ao contato súbito entre os dentes de duas engrenagens acasaladas, o dente experimenta carga de impacto. Isso resulta em vibração e ruído. Engrenagem cônica de face e engrenagem cônica enviesada também têm dentes retos. Engrenagens helicoidais de dentes espirais oferecem benefícios semelhantes sobre engrenagens cônicas de dentes retos como as engrenagens helicoidais fornecem sobre engrenagens retas. Aqui os dentes têm um perfil espiral e, assim, entram em contato gradualmente durante o acasalamento. Assim, oferece operação suave, livre de vibração e silenciosa. No entanto, exerce alta carga de impulso nos mancais. Engrenagem hipoide também tem dentes espirais. Várias diferenças entre engrenagem cônica reta e engrenagem cônica espiral são dadas abaixo em formato de tabela.

Tabela: Diferenças entre engrenagem cônica reta e engrenagem cônica espiral

Orientação dos dentes: Engrenagens cônicas podem ter dentes retos ou espirais. Quando os dentes de uma engrenagem cônica são retos, mas inclinados de tal forma que convergem em um ponto de ápice comum, então essa engrenagem é chamada de engrenagem cônica reta. Duas tais engrenagens devem ser montadas apenas em eixos concorrentes. Uma variante de engrenagem cônica reta, chamada engrenagem cônica enviesada, pode ser empregada para eixos não paralelos e não concorrentes. Por outro lado, quando os dentes são cortados em forma espiral no branco cônico de tal forma que as curvas espirais convergem em um único ponto de ápice, então é denominado engrenagem cônica espiral. Um par de engrenagens cônicas espirais acasaladas deve ser montado em eixos concorrentes; alternativamente, engrenagem hipoide (também tem dentes espirais) pode ser empregada para eixos não paralelos e não concorrentes.

Cenário de contato: O acionamento por engrenagens é um tipo de acionamento de engajamento rígido que indica que os dentes de duas engrenagens acasaladas entram em contato direto para transmitir movimento e potência de um eixo para outro. Independentemente do tipo de engrenagem, dentes paralelos ao eixo da engrenagem entram em contato súbito. Isso acontece no caso de engrenagens retas, bem como engrenagens cônicas retas. Aqui o contato é sempre uma linha de comprimento igual à largura da face dos dentes. Por outro lado, os dentes de duas engrenagens cônicas espirais acasaladas entram em contato gradualmente, como acontece nas engrenagens helicoidais. Aqui o engajamento inicia com um ponto e gradualmente se torna uma linha e finalmente se desengaja como ponto.

Carga de impacto e suas consequências: Devido ao contato súbito, os dentes das engrenagens cônicas retas experimentam carga de impacto ou choque. Também resulta em ruído e vibração consideráveis. Esta vibração às vezes impõe limite na velocidade máxima de operação e também na capacidade de transmissão de potência. Por outro lado, os dentes das engrenagens cônicas espirais experimentam carga gradual, que é muito menos deletéria. Sua operação é, assim, suave e silenciosa, mesmo em alta velocidade.

Comparação de custo: Fabricação complicada leva a preço alto para engrenagens cônicas espirais. Para mesmo material, tamanho e tolerância, engrenagens espirais são 1,2 – 1,5 vezes mais caras que engrenagens cônicas retas. A diferença de custo aumenta quando o tamanho da engrenagem é pequeno devido à dificuldade de fabricação. Requisito de acabamento alto também pode levar a diferença de preço mais ampla.

Força de impulso: Duas engrenagens acasaladas sempre exercem força nos mancais que montam os eixos. Baseado na orientação dos dentes, esta força pode ser radial ou axial ou ambas. Por exemplo, dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem (como na engrenagem reta) produzem apenas carga radial; enquanto dentes helicoidais (como na engrenagem helicoidal) produzem ambos os tipos de força. Engrenagens cônicas retas, bem como engrenagens cônicas espirais, produzem ambas as cargas radial e de impulso; no entanto, a carga de impulso (axial) na engrenagem cônica espiral é comparativamente maior, pois induz de duas fontes.

Comparação científica entre engrenagem helicoidal paralela e engrenagem helicoidal cruzada é apresentada neste artigo. O autor também sugere que você consulte as seguintes referências para melhor compreensão do tópico.

1. Design of Machine Elements by V. B. Bhandari (Fourth edition; McGraw Hill Education).
2. Machine Design by R. L. Norton (Fifth edition; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design by R. S. Khurmi and J. K. Gupta (S. Chand; 2014).