Entendendo as Distinções Entre Engrenagens Retas e Helicoidais

Acionamentos mecânicos são usados para transmitir movimento, torque e potência do eixo motor (como motor principal) para o eixo movido (como unidade da máquina). Existem quatro acionamentos mecânicos, a saber: acionamento por engrenagens, acionamento por correia, acionamento por corrente e acionamento por cabo. Diferente do acionamento por correia (um acionamento por atrito), o acionamento por engrenagens é um acionamento de engajamento, o que indica que a transmissão de potência ocorre por meio de engajamento e desengajamento sucessivos de dentes de duas engrenagens. Também é um acionamento rígido, pois não existe elemento flexível intermediário entre duas engrenagens. Aqui, a engrenagem motor acasala diretamente com a engrenagem movida correspondente, e, portanto, é adequada para transmissão de potência em pequena distância. No entanto, sua capacidade de transmissão de potência é muito alta e pode fornecer uma ampla gama de redução de velocidade (de 1:1 a 1:100, em estágio único). Também pode oferecer razão de velocidade constante, pois é inerentemente livre de escorregamento, rastejamento ou efeito poligonal.

Engrenagens podem ser classificadas em quatro grupos básicos — engrenagem reta, engrenagem helicoidal, engrenagem cônica e engrenagem sem-fim. Cada uma destas engrenagens tem características específicas e pode oferecer certos benefícios sobre outras. Uma engrenagem reta é a mais simples, usada para transmitir movimento e potência entre eixos motor e movido paralelos. Tem dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem. Outra engrenagem similar, chamada engrenagem helicoidal, também é usada para eixos paralelos; no entanto, seus dentes são cortados na forma de uma hélice sobre o branco cilíndrico. Por outro lado, engrenagem cônica é usada para eixos concorrentes, que podem ou não ser perpendiculares. Pode ter dentes ao longo do eixo da engrenagem (engrenagem cônica de dentes retos) ou em forma espiral (engrenagem cônica de dentes espirais). A engrenagem sem-fim é usada para eixos perpendiculares mas não concorrentes.

Embora tanto engrenagem reta quanto engrenagem helicoidal sejam destinadas a eixos paralelos, cada uma tem diferente orientação de dentes e é adequada para diferentes aplicações. No caso de engrenagens retas, os dentes de engrenagens acasaladas entram em contato súbito. Assim, o dente experimenta carga de impacto ou choque. Causa vibração e também reduz a vida útil da engrenagem. A forma helicoidal dos dentes pode eliminar este problema. Em duas engrenagens helicoidais acasaladas, os dentes entram em contato gradualmente e, assim, é livre de carga de impacto ou choque. Pode carregar carga comparativamente maior. Também oferece maior redução de velocidade. Contrário à engrenagem reta que impõe apenas carga radial, a engrenagem helicoidal impõe cargas radial e axial nos mancais. Várias diferenças entre engrenagem reta e engrenagem helicoidal são dadas abaixo em formato de tabela.

Tabela: Diferenças entre engrenagem reta e engrenagem helicoidal

Configuração dos dentes da engrenagem: A diferença aparente entre engrenagem reta e engrenagem helicoidal é a forma de seus dentes. Engrenagem reta tem dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem. Vale mencionar que engrenagens cônicas retas também têm dentes retos orientados ao longo do eixo da engrenagem, mas não são paralelos ao eixo da engrenagem (são inclinados e, portanto, concorrentes). Como o nome sugere, engrenagem helicoidal tem dentes em forma de hélice cortados no cilindro de passo. Uma engrenagem helicoidal pode ter tanto hélice de mão esquerda quanto de mão direita. Ângulo de hélice pode variar de uma engrenagem para outra. Tipicamente, situa-se entre 15 – 25°; no entanto, um ângulo de hélice mais alto (até 45°) pode ser empregado para engrenagens helicoidais duplas ou espinha de peixe.

Natureza da carga e mancais correspondentes: Durante o acasalamento de duas engrenagens, os mancais experimentam torque e forças, que são finalmente transferidos para o solo. Direção e intensidade de tal força variam baseadas na velocidade de rotação e configuração dos dentes. Como alguns mancais podem lidar eficientemente apenas com carga radial, alguns podem lidar apenas com carga de impulso e poucos podem lidar com ambas as cargas, então um mancal adequado é necessário selecionar baseado na natureza e intensidade de tais forças. Por causa dos dentes retos, engrenagens retas impõem apenas carga radial nos mancais. Assim, um mancal de rolos cilíndricos mais barato pode ser usado. Por outro lado, engrenagens helicoidais impõem carga radial significativa e carga de impulso nos mancais. Então, mancais de esferas de canal profundo, mancais de contato angular e mancais de rolos cônicos podem ser empregados, pois estes mancais podem lidar com ambas as cargas axial e radial.

Orientação dos eixos motor e movido: Uma vantagem básica do acionamento por engrenagens sobre outros acionamentos mecânicos (como correia ou corrente) é sua possibilidade de uso para eixos não paralelos. No entanto, vários tipos de engrenagens são adequados para orientações variadas dos eixos motor e movido. Tanto engrenagem reta quanto engrenagens helicoidais são amplamente usadas para eixos paralelos; enquanto engrenagens cônicas podem ser usadas para eixos concorrentes e engrenagem sem-fim pode ser usada para eixos perpendiculares não concorrentes. Existe um tipo particular de engrenagem helicoidal, chamada engrenagem helicoidal cruzada, que pode ser empregada para transmitir potência entre eixos perpendiculares. Isso é bastante similar à engrenagem sem-fim; no entanto, engrenagem helicoidal cruzada não pode fornecer alta redução de velocidade. Tipicamente, é adequada para razão de velocidade 1:1 a 1:2 (comparado a 1:15 a 1:100 na engrenagem sem-fim). Sua aplicação também é limitada por causa de muitas limitações.

Cenário de contato entre dentes acasalados: Engrenagens retas têm dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem. Duas engrenagens acasaladas também são montadas em eixos paralelos. Assim, dentes de duas engrenagens retas acasaladas entram em contato súbito e o contato é sempre uma linha de comprimento igual à largura da face dos dentes. Pelo contrário, engrenagens helicoidais têm dentes helicoidais e são montadas em eixos paralelos. Então, dentes de duas engrenagens helicoidais acasaladas entram em contato gradual. Seu engajamento começa com um ponto e se torna uma linha e então gradualmente se desengaja como um ponto. Então, o comprimento do contato não permanece constante.

Carga de impacto, vibração e ruído: Como dentes de duas engrenagens retas acasaladas entram em contato súbito, elas experimentam carga de choque ou impacto. Isso também produz vibração e ruído significativos, que às vezes impõem limite na velocidade máxima permitida de operação. Pelo contrário, contato gradual entre dentes acasalados resulta em carga gradual nos dentes e menor vibração e ruído. Assim, engrenagens helicoidais podem ser empregadas em velocidade mais alta sem muito problema.

Corte de dentes de engrenagem: Cortar dentes retos é comparativamente mais fácil que cortar dentes helicoidais. Fresamento de engrenagens ou hobbing pode ser usado para cortar dentes de engrenagens retas e helicoidais. No fresamento, apenas dois movimentos simultâneos são desejados para cortar dentes de engrenagens retas; no entanto, três movimentos simultâneos são requeridos para cortar dentes de engrenagem helicoidal.

Comparação científica entre engrenagem reta e engrenagem helicoidal 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).