Engrenagens Helicoidais vs. Espinha de Peixe: Diferenças Principais e Insights de Desempenho

Máquinas requerem uma fonte contínua de potência para realizar certas tarefas. A maioria das máquinas industriais é acionada por potência mecânica, que vem na forma de torque rotacional. Um motor principal é usado para gerar energia mecânica convertendo outra forma de energia; por exemplo, um motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica. Sistema de transmissão de potência mecânica é usado para transmitir potência de tais motores principais para as localizações pretendidas da unidade da máquina. Basicamente inclui quatro acionamentos; no entanto, conta com a ajuda de outros elementos mecânicos para transmissão de potência ininterrupta. Acionamento por engrenagens, acionamento por correia, acionamento por corrente e acionamento por cabo são quatro acionamentos mecânicos que podem transmitir movimento, torque e potência do eixo motor para o eixo movido. Cada um destes quatro acionamentos tem características diferentes e, portanto, pode oferecer benefícios específicos sobre outros.

Um acionamento por engrenagens é um acionamento mecânico rígido de tipo engajamento adequado para transmissão de potência em pequena distância. Pode transmitir potência pesada sem qualquer escorregamento (acionamento positivo). Baseado na orientação relativa dos eixos motor e movido e perfil dos dentes, acionamento por engrenagens pode ser classificado em quatro grupos — engrenagem reta, engrenagem helicoidal, engrenagem cônica e engrenagem sem-fim. Engrenagem reta é o tipo mais simples de engrenagem tendo dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem e pode transmitir potência entre eixos paralelos apenas. Embora engrenagem helicoidal também seja usada para eixos paralelos, os dentes não são paralelos ao eixo da engrenagem. Aqui, os dentes são cortados em forma helicoidal no branco da engrenagem mantendo mesmo ângulo de hélice. Engrenagem cônica pode ter dentes retos ou espirais e é usada para eixos concorrentes; enquanto engrenagem sem-fim é usada para eixos perpendiculares mas não concorrentes.

Embora engrenagens helicoidais ofereçam certos benefícios sobre engrenagem reta, elas impõem carga de impulso axial no mancal. Esta carga de impulso é deletéria e limita a capacidade de transmissão de potência. Além disso, requer mancais caros e volumosos para suportar sob cargas radial e axial. No entanto, esta carga de impulso pode ser eliminada utilizando engrenagem espinha de peixe ou engrenagem helicoidal dupla. Na engrenagem espinha de peixe, os dentes são cortados em duas metades do branco da engrenagem mantendo mesmo módulo, número de dentes e ângulo de hélice mas mão de hélice oposta. Assim, a força de impulso produzida por cada metade da engrenagem espinha de peixe é igual e oposta e, assim, se anulam. Além disso, pode transmitir potência comparativamente maior sem muito problema. Várias diferenças entre engrenagem helicoidal e engrenagem espinha de peixe são dadas abaixo em formato de tabela.

Tabela: Diferença entre engrenagem helicoidal e engrenagem espinha de peixe

Perfil dos dentes: Dentes da engrenagem helicoidal são cortados na forma de hélice no cilindro de passo. Uma engrenagem helicoidal particular consiste em dentes de hélice de mão esquerda ou mão direita. No momento do engajamento, uma engrenagem helicoidal com hélice de mão esquerda só pode acasalar com uma engrenagem helicoidal com hélice de mão direita. Por outro lado, uma engrenagem espinha de peixe consiste em ambas as mãos de hélice em uma única unidade de engrenagem. Cada engrenagem espinha de peixe tem duas metades distintas — uma metade deve ter dentes de hélice de mão esquerda e a outra metade deve ter dentes de hélice de mão direita. Outras características como diâmetro do círculo de passo, módulo, número de dentes, ângulo de hélice e largura ou espessura serão iguais em ambas as metades; a única diferença é sua mão de hélice.

Força de impulso: Engrenagem helicoidal oferece muitos benefícios sobre engrenagem reta, como carga gradual nos dentes, menos vibração, mais capacidade de carga, maior vida útil, etc. Principal desvantagem é a carga de impulso. Como dentes de engrenagem reta são retos e paralelos ao eixo da engrenagem, um par de engrenagens retas acasaladas induz apenas carga radial. Devido à forma helicoidal dos dentes, um par de engrenagens helicoidais acasaladas induz ambas as cargas radial e axial. Assim, mancais mais fortes são requeridos para sustentar ambos os tipos de carga simultaneamente. Engrenagem espinha de peixe pode oferecer benefícios similares como a engrenagem helicoidal e, ao mesmo tempo, elimina a força de impulso. Aqui, a força de impulso produzida por cada metade é igual e oposta (por causa da mão de hélice oposta) e, assim, a força de impulso resultante se torna zero. Então, um par de engrenagens espinha de peixe acasaladas não induz força de impulso axial nos mancais (apenas força radial existe).

Ângulo de hélice: Força de impulso aumenta com ângulo de hélice dos dentes; no entanto, um ângulo de hélice mais alto pode reduzir significativamente vibração e desgaste do dente e aumentar capacidade de carga. Esta força de impulso limita o ângulo de hélice máximo no caso de engrenagem helicoidal. Tipicamente, é mantido entre 20 – 25°. No entanto, ausência de força de impulso na engrenagem espinha de peixe facilita uso de ângulo de hélice mais alto, mesmo até 45°.

Mancais para montagem dos eixos: Eixos motor e movido são montados em ambas as extremidades usando mancais apropriados. Além de suportar os eixos e manter posição precisa, mancais também afastam vibração e carga, e subsequentemente as transmitem para o solo via estrutura. Tipicamente, mancais de contato rolante são empregados em unidades de engrenagens, a menos que a velocidade rotacional seja muito alta. Existem vários tipos de mancais de contato rolante, alguns são adequados apenas para carga radial, alguns apenas para carga axial e poucos podem lidar com carga radial e de impulso. Por exemplo, mancais de esferas de canal profundo, mancais de contato angular e mancais de rolos cônicos podem lidar com ambas as cargas radial e de impulso. Assim, estes mancais podem ser empregados para unidade de engrenagem helicoidal. Por outro lado, mancais de rolos cilíndricos podem lidar com carga radial pesada e, assim, podem ser utilizados com unidade de engrenagem espinha de peixe.

Capacidade de transmissão de potência: Função básica de todo acionamento mecânico é transmitir potência mecânica do eixo motor para o eixo movido. Diferentes acionamentos oferecem níveis variados de capacidade de transmissão baseados em tamanho, material e outras características. Embora a capacidade de transmissão de engrenagem helicoidal seja comparativamente maior que a de engrenagem reta similar, geralmente não é usada para aplicações de serviço pesado. A carga de impulso e disponibilidade de mancais impõem o limite em aplicações de serviço pesado. Engrenagem espinha de peixe e engrenagens helicoidais duplas são a escolha preferida para tais áreas. Por exemplo, trem de engrenagens planetárias espinha de peixe (HPGT) pode ser observado em máquinas pesadas como cortadora de carvão, motor aeroespacial, turbina eólica, etc.

Fabricação da engrenagem: Cortar dentes helicoidais no branco cilíndrico da engrenagem não é difícil; no entanto, problema surge quando folga não existe no final dos dentes. Como engrenagem reta, dentes de engrenagem helicoidal também podem ser cortados por cortador de conformação de engrenagem tipo pinhão. Hobbing também pode ser usado para cortar engrenagens helicoidais. Mas na engrenagem espinha de peixe, não existe folga de alívio entre as metades esquerda e direita. Assim, cortar dentes nesta junção é bastante complicado, pois existe risco de ultrapassar para a outra metade. Requer cortador de hobbing especializado tendo um sulco correspondente com a engrenagem espinha de peixe. Alto grau de alinhamento locacional e angular também são requeridos para manter.

Comparação científica entre engrenagem helicoidal e engrenagem espinha de peixe 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).