Guia Completo dos Tipos de Engrenagens na Engenharia Mecânica

Engrenagens, uma parte crucial de motores, são dispositivos mecânicos que permitem alterar o torque e a velocidade das máquinas. Existem diferentes tipos de engrenagens com requisitos e especificações específicas, variando de formas simples a mais complexas.

Frequentemente, várias engrenagens formam máquinas complexas, mas nem sempre é o caso. Por exemplo, engrenagens estão presentes em máquinas simples como relógios, onde regulam a velocidade dos ponteiros. Neste artigo, discutiremos diferentes engrenagens mecânicas e suas aplicações. Vamos lá.

O que são Engrenagens?

Engrenagens são dispositivos mecânicos rotativos com dentes que permitem a transmissão de torque e velocidade. Frequentemente, engrenagens mecânicas são cilíndricas com conjuntos de dentes ao redor do corpo. Quando duas ou mais engrenagens trabalham em sincronia, elas estão em transmissão. A transmissão de potência é o que leva à mudança de velocidade ou torque.

Vantagens das Engrenagens

• Engrenagens são mecanicamente fortes. Portanto, podem levantar cargas maiores.
• Com o auxílio de uma caixa de engrenagens, permitem alteração nas relações de velocidade.
• Funcionam bem em baixas velocidades.
• Transmissão de potência de alta eficiência.
• São ideais para transmissão de altos valores de torque.
• Engrenagens requerem apenas lubrificação de rotina, consequentemente, pouca atenção à manutenção.
• São altamente duráveis, então o sistema de engrenagens serve por muito tempo.

Desvantagens das Engrenagens

• Engrenagens não são adequadas para transmissão de movimento em longas distâncias.
• Não são flexíveis.
• Engrenagens são ruidosas, especialmente em altas velocidades.
• Não são adequadas quando os eixos estão distantes.

Diferentes Tipos de Engrenagens e Suas Aplicações

Na mecânica, o agrupamento de engrenagens em várias classes depende da configuração dos dentes, uso e direção do movimento. Abaixo estão os tipos mais importantes de engrenagens.

Engrenagem Cilíndrica de Dentes Retos (Spur Gear)

Engrenagens de dentes retos transmitem potência no mesmo plano quando os dois eixos (o motor e o movido) são paralelos. Os dentes das engrenagens de dentes retos são paralelos ao eixo do eixo. Portanto, quando engrena com outra engrenagem de dentes retos, transmite a potência em um eixo paralelo. São as formas mais comuns de engrenagens com aplicações em automotivo, sistemas transportadores, bombas de engrenagens e motores, redutores de velocidade, etc.

Engrenagem Helicoidal

Engrenagens helicoidais têm seus dentes posicionados em um ângulo em relação ao eixo, em contraste com engrenagens de dentes retos que são paralelos. Elas têm múltiplos dentes em contato durante a transmissão. Como resultado, engrenagens helicoidais mecânicas podem suportar cargas maiores. Além disso, funcionam com menos ruído e vibração, pois as cargas são melhor distribuídas. Ademais, experimentam menos desgaste, já que há menos atrito. Diferentes tipos de engrenagens helicoidais serão mostrados abaixo.

Engrenagem Helicoidal Simples ou Dupla

Engrenagens helicoidais simples têm dentes em hélice esquerda ou direita. No entanto, engrenagens de hélice dupla têm dentes em ambas as direções. Em engrenagens de hélice dupla, existem duas faces helicoidais adjacentes com um espaço entre elas. As faces são idênticas, mas têm ângulos helicoidais opostos. O uso de engrenagem de hélice dupla garante maior sobreposição de dentes, resultando em transmissão mais suave.

Engrenagem Espinha de Peixe (Herringbone)

Este conjunto é bastante similar à engrenagem de hélice dupla. No entanto, são menores e não têm espaço entre as duas faces helicoidais. Engrenagens espinha de peixe têm as duas engrenagens helicoidais unidas lado a lado. Não são tão comuns devido aos altos custos de produção e dificuldades de fabricação, embora sejam mais adequadas para aplicações de vibração e alto choque.

Engrenagem Parafuso (Screw Gear)

Engrenagens parafuso são um par de engrenagens helicoidais operando em um ângulo de torção de 45 graus. Ocorrem em eixos não paralelos e não intersectantes. Têm baixa capacidade de carga devido ao contato de dente único. Portanto, essas engrenagens não são ideais para transmitir grande potência.

Aplicações das Engrenagens Helicoidais

• Bombas d'água
• Misturadores
• Automóveis

Engrenagem Cônica (Bevel Gear)

Engrenagens cônicas são em forma de cone, com dentes ao redor do cone. Transmitem força entre eixos perpendiculares. Ou seja, eixos que se intersectam em um ângulo reto (90 graus). No entanto, engrenagens cônicas são caras e não transmitem grande torque por tamanho como configurações de eixo paralelo.

Engrenagens Cônicas Retas

Engrenagens cônicas retas são as configurações mais comuns do dente de engrenagem cônica. A razão é a simplicidade do design e facilidade de fabricação. Dentes retos de engrenagem cônica engatam todos de uma vez, em vez de gradualmente, quando devidamente combinados. A superfície de passo dos tipos de engrenagem cônica reta é cônica com dentes retos que se afinam em direção à ponta.

Engrenagens Cônicas Espirais

Engrenagens cônicas espirais mecânicas têm linhas de dente curvas e têm uma melhor razão de contato de dente que a engrenagem cônica reta. Portanto, são superiores em eficiência e resistência e produzem menos vibração e ruído. No entanto, têm dificuldades de fabricação.

Engrenagens Cônicas Zerol®

Engrenagens cônicas Zerol® são uma marca registrada da Gleason Co. A engrenagem adota características de engrenagens cônicas retas e espirais com dentes curvos. Portanto, a engrenagem é adequada para ambas as aplicações. No entanto, têm ângulos de torção zero e, portanto, os dentes podem girar em qualquer direção.

Engrenagens Cônicas de Dentes Retos (Miter Gears)

Engrenagens cônicas de dentes retos são um tipo especial de engrenagem cônica no sentido de que têm o mesmo número de dentes. Têm seus eixos posicionados a 90 graus um do outro, e essas engrenagens alteram a transmissão de potência sem afetar a velocidade. Engrenagens cônicas de dentes retos são únicas porque têm uma relação de engrenagem de 1. Em contraste, outras engrenagens cônicas podem ter relações variando de 10:1 a 500:1.

Engrenagens Coroa (Crown Gears)

Engrenagens coroa, às vezes chamadas de engrenagens face, também têm seus dentes em ângulos retos em relação à face da roda. Têm um cone de passo de 90 graus. Na indústria, engrenagens coroa engrenam com outras engrenagens cônicas ou de dentes retos em movimento circular de potência.

Engrenagens Hipoides (Hypoid Gears)

Engrenagens hipoides parecem similares às engrenagens cônicas espirais, mas funcionam em eixos não intersectantes. Operam a 90 graus e são comuns no setor automobilístico. Você vê essas engrenagens nos eixos dos veículos.

Aplicações das Engrenagens Cônicas

• Misturadores
• Sistemas de irrigação
• Britadores

Engrenagem Sem-Fim (Worm Gear)

Engrenagem sem-fim consiste em um corte em forma de parafuso no eixo (sem-fim) e a engrenagem de acoplamento (coroa sem-fim). Este tipo de engrenagem transmite potência em eixos não intersectantes que formam ângulos retos. Os tipos de engrenagens funcionam fazendo contato deslizante com menos atrito, uma rotação suave e silenciosa. Por isso, são adequadas para aplicações de alto choque. No entanto, têm baixa eficiência, o que restringe seu uso a aplicações de baixa potência.

Aplicações das Engrenagens Sem-Fim

• Máquinas agrícolas
• Transportadores pequenos
• Equipamentos de embalagem

Engrenagem Cremalheira e Pinhão (Rack and Pinion)

Engrenagem cremalheira e pinhão frequentemente ocorrem em pares. Consistem em duas engrenagens circulares: o pinhão engatando uma engrenagem linear – a cremalheira. Convertem movimento rotativo em linear. Essas engrenagens são comuns no sistema de direção de automóveis. Sistemas de cremalheira e pinhão podem usar engrenagens retas ou helicoidais. A aplicação principal de engrenagens cremalheira e pinhão é na direção automotiva.

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Tabela Resumida dos Diferentes Tipos de Engrenagens Mecânicas

Tipos de Engrenagens	Características	Aplicações
Engrenagem de dentes retos	a. Forma mais comum de engrenagem. b. Fácil de fabricar. c. Usada para configuração de eixos paralelos. d. Corpo de engrenagem circular.	a. Relógios b. Transportadores pequenos c. Automotivo
Engrenagem helicoidal	a. Corpo de engrenagem circular. b. Eficiência menor que engrenagens de dentes retos. c. Configuração de eixos paralelos. Operação mais suave com menos ruído.	a. Bombas d'água b. Misturadores c. Automóveis
Engrenagem cônica	a. Corpo de engrenagem cônico. b. Configuração de eixos intersectantes. c. Existem designs retos, espirais e Zerol®.	a. Misturadores b. Sistemas de irrigação c. Britadores
Engrenagem sem-fim	a. Par de engrenagens consiste em engrenagens circulares e de parafuso. b. Baixa eficiência. c. Configurações não paralelas e não intersectantes.	a. Máquinas agrícolas b. Transportadores pequenos
Engrenagem cremalheira e pinhão	a. Par de engrenagens consiste em cremalheira e engrenagem cilíndrica. b. Configuração de eixos paralelos. c. Transforma movimento rotativo em linear e vice-versa.	a. Direção automotiva b. Balança de pesar

Parâmetros Básicos para Design de Engrenagens

Abaixo, discutiremos parâmetros básicos de engrenagens que afetam os designs de engrenagens.

Forma da Engrenagem

A maioria das engrenagens é circular, com dentes alinhados ao redor do corpo cilíndrico. No entanto, também ocorrem em formas cônicas, elípticas, quadradas e triangulares. Sistemas de engrenagens circulares têm uma razão de engrenagem constante para velocidade rotativa e torque. Portanto, entrada similar produz a mesma velocidade e saída de torque. O oposto existe em tipos de engrenagens não circulares. Consequentemente, podem realizar requisitos especiais de movimentos irregulares, como mudança de velocidade e movimento reverso.

Módulo

Módulo refere-se ao tamanho do dente de uma engrenagem em milímetros. Portanto, o módulo relaciona-se diretamente com o tamanho dos dentes da engrenagem. É um parâmetro importante a observar no engrenamento. O módulo é o valor obtido dividindo o diâmetro de passo pelo número de dentes da engrenagem. Matematicamente, temos como:

Módulo = Diâmetro de passo / Número de dentes.

No entanto, existem valores comuns para módulos, que seguem a forma como ocorrem em aplicações industriais.

Configuração dos Eixos da Engrenagem

Configurações dos eixos das engrenagens são de três formas: paralelas, intersectantes e não paralelas (ou não intersectantes). Engrenagens com eixos paralelos ocorrem paralelas com eixos girando em direções opostas. Engrenagens intersectantes se intersectam no mesmo plano, enquanto engrenagens não paralelas têm seus eixos cortando planos diferentes. No entanto, configurações de engrenagens intersectantes e paralelas têm maior eficiência e velocidade que engrenagens não paralelas.

Ângulo de Pressão

Ângulo de pressão é o ângulo que o dente forma com a normal à linha de passo. Como regra, um ângulo de pressão de 20 graus é frequentemente usado. Embora ângulos de 14,5 e 17,5 existam em alguns casos. Ângulos de pressão maiores indicam um dedendo largo, resultando em maior resistência do dente.

Número de Dentes

O número de dentes e os valores de módulo e ângulo de pressão são cruciais no cálculo das dimensões das engrenagens. O número de dentes é vital no cálculo da velocidade da engrenagem (razão de engrenagem) usando a expressão abaixo:

Número de dentes da engrenagem de entrada / Número de dentes da engrenagem de saída.

Direção da Hélice

Uma engrenagem é destra quando tem seus dentes à direita e canhota quando estão à esquerda. Para que a transmissão de potência ocorra em um par de engrenagens helicoidais ou cônicas, as duas engrenagens trabalhando juntas devem ter direções de hélice opostas. Por exemplo, duas engrenagens helicoidais com dentes movendo na mesma direção nunca engrenarão. No entanto, engrenagens parafuso e sem-fim são unidirecionais, mas engrenam.

Ângulo de Torção

Ângulo de torção é o ângulo de inclinação do dente em relação ao eixo do cilindro. Aumentar o ângulo de torção das engrenagens leva a uma direção de empuxo mais significativa. Como resultado, há uma queda na eficiência da máquina. Geralmente, ângulos de torção menores que 25 graus são ideais para engrenagens helicoidais para reduzir o empuxo.

Considerações ao Projetar e Selecionar Engrenagens

Abaixo estão alguns fatores críticos a considerar ao projetar e selecionar engrenagens.

Condições Operacionais e Ambientais

As condições operacionais e ambientais das engrenagens são críticas para sua durabilidade e desempenho. Condições operacionais incluem tensão e atrito nos dentes. Por outro lado, condições ambientais incluem umidade, temperatura e limpeza. As duas condições afetam o tipo de engrenagem e fatores de design como construção, tratamento de superfície, lubrificantes e método de lubrificação.

Restrições Dimensionais

Restrições dimensionais são limitações ao espaço ocupado pelas engrenagens. Por exemplo, engrenagens devem estar no centro entre eixos. No entanto, existem casos onde estão um pouco mais afastadas do centro para ajustar melhor o sistema de engrenagens. Nesses casos, o perfil dos dentes é alterado. Usar engrenagens e designs específicos que melhor se adequem ao espaço é outro meio eficaz de gerenciar limitações dimensionais.

Requisitos de Transmissão

Engrenagens mecânicas frequentemente transferem movimento e torque dentro dos componentes da máquina. Embora, baseadas no design e construção, possam alterar a direção do movimento e aumentar a velocidade ou saída de torque. Ao projetar engrenagens, a especificação e requisitos de aplicação: mudanças direcionais ou aumento de velocidade ou torque são fatores a considerar. Eles podem influenciar o tipo de engrenagem, design e configuração.

Normas de Design

Engrenagens têm várias especificações, sem norma geral da indústria. Frequentemente, designs de engrenagens atendem à norma do fabricante ou especificações de design da máquina ou sistema. No entanto, vários países criaram normas para servir suas indústrias. Por exemplo, nos Estados Unidos, engrenagens são agrupadas pela American Gear Manufacturers Association (AGMA). Japão e Alemanha também têm tais associações.

Custos

Custo é um fator, especialmente ao lidar com engrenagens personalizadas. Materiais de design, construção, acabamentos de superfície, precisão e requisitos de lubrificação afetam o custo. Embora seja necessário optar por engrenagens que atendam a todas as especificações, o custo deve ser considerado. Portanto, onde engrenagens regulares atendem ao padrão, é melhor optar por elas, pois engrenagens personalizadas atrairão outras despesas.

Como Produzir Engrenagens

Engrenagens são produzidas usando vários processos de fabricação de engrenagens. Alguns dos quais incluem:

• Forjamento
• Extrusão e trefilação a frio
• Metalurgia do pó
• Estampagem
• Usinagem de Engrenagens

Usinagem é frequentemente feita para alcançar a forma e dimensão final da engrenagem. Uma vez produzidas as engrenagens, acabamentos de superfície, como retífica e brunimento, podem ser aplicados para melhorar as características gerais da engrenagem.

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Perguntas Frequentes

Quais são as Diferenças entre Engrenagem e Coroa (Sprocket)?

a. Engrenagens e coroas são semelhantes, ambos dispositivos mecânicos contendo dentes que auxiliam na transmissão de potência. No entanto, abaixo estão algumas diferenças chave entre os dois.
b. Dentes de engrenagens se encaixam enquanto coroas travam com uma corrente de bicicleta ou esteiras de tanques militares.
c. Engrenagens podem transmitir torque em configurações paralelas, perpendiculares e outras, enquanto coroas funcionam apenas ao longo de um eixo paralelo.
d. Engrenagens são mais adequadas para transmissão de curta distância, enquanto coroa e corrente funcionam bem para distâncias maiores.
e. Engrenagens transmitem torques em direções opostas. No entanto, o inverso ocorre com coroas.

Qual a Diferença entre Pinhões e Engrenagens?

Quando temos duas engrenagens engrenadas, a menor é o pinhão. A engrenagem frequentemente atua como motora enquanto o pinhão é o movido. Existe uma redução de velocidade quando o pinhão é a engrenagem motora, resultando em menor velocidade de saída, mas torque aumentado.

Quais Engrenagens são as Melhores?

Os diferentes tipos de engrenagens são mais adequados para diferentes funções dependendo dos requisitos de especificação e necessidades. No entanto, engrenagens de dentes retos permanecem as engrenagens mais amplamente utilizadas. Alcançam alta precisão e são relativamente fáceis de fabricar.