Engrenagens Helicoidais Paralelas vs. Cruzadas: Diferenças Principais Explicadas

Acionamentos mecânicos são usados para transmitir movimento, torque e potência de um eixo motor para um eixo movido. O eixo motor, na maioria dos casos, é parte de um motor principal (como motor elétrico, turbina hidráulica, turbina a vapor, etc.); enquanto o eixo movido é parte da unidade da máquina. Existem quatro acionamentos mecânicos básicos, a saber: acionamento por engrenagens, acionamento por correia, acionamento por corrente e acionamento por cabo. Um acionamento por engrenagens é um acionamento rígido de tipo engajamento onde movimento e potência são transmitidos por meio de engajamento e desengajamento sucessivos de dentes de duas engrenagens acasaladas. É inerentemente livre de escorregamento e, portanto, fornece razão de velocidade constante (acionamento positivo). Pode ser usado para aplicações de serviço leve (como brinquedos, relógios, etc.) bem como para aplicações de serviço pesado (como caixa de engrenagens de máquinas, acionamento marítimo, etc.).

Eixos motor e movido podem ter três orientações mútuas, a saber: (i) eixos paralelos, (ii) eixos concorrentes e (iii) eixos não paralelos não concorrentes. Existem quatro tipos básicos de engrenagens e uma engrenagem adequada deve ser selecionada baseada na orientação mútua dos eixos motor e movido. Engrenagem reta e engrenagem helicoidal são aplicáveis para eixos paralelos. Engrenagem cônica pode ser aplicada para dois eixos concorrentes, que não necessariamente precisam ser perpendiculares. Arranjo de engrenagem sem-fim é usado para a terceira categoria (eixos não paralelos não concorrentes). Diferente de engrenagens retas que têm dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem, engrenagens helicoidais têm dentes em forma helicoidal cortados no cilindro de passo. Embora engrenagens helicoidais sejam comumente usadas para eixos paralelos como engrenagens retas, também podem ser usadas para eixos perpendiculares mas não concorrentes.

Consequentemente, existem dois tipos de engrenagens helicoidais — paralelas e cruzadas. Engrenagens helicoidais paralelas, a comum, é usada para transmissão de potência entre eixos paralelos. Duas engrenagens helicoidais paralelas acasaladas devem ter mesmo módulo, mesmo ângulo de pressão mas mão de hélice oposta. Elas oferecem operação livre de vibração e silenciosa e podem transmitir carga pesada. Por outro lado, engrenagens helicoidais cruzadas são usadas para eixos perpendiculares mas não concorrentes. Duas engrenagens helicoidais cruzadas acasaladas (também chamadas engrenagens de parafuso) devem ter mesmo módulo, mesmo ângulo de pressão e tanto mesma quanto oposta mão de hélice. Este tipo de engrenagem tem aplicação semelhante à engrenagem sem-fim; no entanto, engrenagem sem-fim é preferida para redução de velocidade acentuada (1:15 a 1:100), enquanto engrenagens helicoidais cruzadas não podem fornecer redução de velocidade além de 1:2. Várias diferenças entre engrenagem helicoidal paralela e engrenagem helicoidal cruzada são dadas abaixo em formato de tabela.

Tabela: Diferenças entre engrenagem helicoidal paralela e engrenagem helicoidal cruzada

Transmissão de potência e orientação dos eixos: Exceto correia de quarto de volta, acionamento por engrenagens é o único acionamento mecânico que pode ser vantajosamente empregado para transmitir potência e movimento em qualquer ângulo em qualquer plano. Diferentes tipos de engrenagens são preferidos para orientações variadas dos eixos motor e movido. Similar a engrenagens retas, engrenagens helicoidais paralelas podem transmitir movimento e potência entre eixos paralelos apenas. Portanto, devem ser montadas em eixos paralelos com alinhamento locacional e angular adequado. Por outro lado, engrenagens helicoidais cruzadas ou engrenagens de parafuso podem transmitir movimento e potência entre eixos perpendiculares e, assim, devem ser montadas em eixos perpendiculares mas não concorrentes.

Mão de hélice: Independentemente de arranjo paralelo ou cruzado, duas engrenagens helicoidais acasaladas devem ter mesmo módulo, mesmo ângulo de pressão e mesmo ângulo de hélice. Diâmetro do círculo de passo de duas engrenagens acasaladas também deve tocar em um único ponto. Agora, se as engrenagens helicoidais acasaladas têm arranjo paralelo, então uma engrenagem deve ter hélice de mão direita e a outra engrenagem deve obrigatoriamente ter hélice de mão esquerda. Assim, duas engrenagens helicoidais paralelas acasaladas devem ter mão de hélice oposta. No entanto, no caso de arranjo cruzado, uma engrenagem helicoidal com hélice de mão direita pode acasalar com outra engrenagem helicoidal tendo tanto hélice de mão esquerda quanto de mão direita. Assim, duas engrenagens helicoidais cruzadas acasaladas podem ter mesma ou oposta mão de hélice.

Contato entre dentes: Baseado no perfil dos dentes e orientação da engrenagem, contato entre dentes de duas engrenagens acasaladas ocorre em várias formas. Por exemplo, dentes de duas engrenagens retas entram em contato súbito e seu comprimento de contato sempre permanece uma linha de comprimento igual à largura da face dos dentes. Tal contato súbito é substituído por contato gradual em engrenagem helicoidal. No caso de engrenagens helicoidais paralelas, o acasalamento de dois dentes inicia com um ponto e gradualmente se torna uma linha e então eles se desengajam como um ponto. No entanto, no caso de engrenagens helicoidais cruzadas, contato entre dois dentes sempre permanece um único ponto. No início do engajamento, este ponto está em uma extremidade da face dos dentes e gradualmente o ponto de contato move-se sobre a face. No desengajamento, o ponto de contato está na outra extremidade da face dos dentes.

Capacidade de transmissão de potência: Propósito básico de todo acionamento mecânico é transmitir potência do eixo motor para o eixo movido. Sendo um acionamento de engajamento tipo rígido, acionamento por engrenagens tem a capacidade máxima de transmissão entre todos os acionamentos mecânicos. No entanto, diferentes tipos de acionamento por engrenagens oferecem níveis variados de capacidade de transmissão de potência. Um par de engrenagens helicoidais paralelas pode transmitir potência comparativamente maior comparado a engrenagem reta de mesmo tamanho e material. Baseado no tamanho e material, engrenagens helicoidais paralelas podem transmitir de apenas alguns watts a alguns megawatts de potência. Por outro lado, engrenagens helicoidais cruzadas são preferidas para transmissão de pequena potência, geralmente limitada a 100kW.

Áreas de aplicação: Devido à alta capacidade de transmissão de potência, engrenagens helicoidais paralelas são vantajosamente empregadas em muitos campos. Pode ser empregada com sucesso para aplicações de baixa velocidade bem como alta velocidade. Áreas típicas de aplicação incluem caixa de engrenagens de máquina, automóvel, moinho de óleo, acionamento marítimo, etc. Por outro lado, engrenagens helicoidais cruzadas são adequadas para aplicações de baixa velocidade e baixo serviço como máquina de roving de indústria têxtil, bomba de óleo de motor de combustão interna, etc.

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).