Guia abrangente para engrenagens retas:definições, tipos, perfis, cálculos e aplicações
Uma engrenagem de dentes retos é o tipo mais comum de engrenagem mecânica, com um design simples. Qual é o perfil de uma engrenagem reta e como ela funciona? Aqui, vamos aprender sobre definição de engrenagem reta, funções, aplicações, fabricação, tipos, perfil do dente, módulo, terminologia, fórmulas de cálculo, gráfico de dimensões e engrenagem reta versus engrenagem helicoidal.
O que é uma engrenagem reta?
A engrenagem de dentes retos é um tipo de engrenagem clássico que consiste em um cilindro ou disco com dentes retos e radialmente salientes, paralelos ao eixo de rotação central. Os dentes de uma engrenagem reta podem estar localizados na parte externa ou interna do cilindro. Uma engrenagem externa pode engatar com outra engrenagem externa ou com uma engrenagem interna. Uma engrenagem interna só pode engrenar com uma engrenagem externa. As engrenagens de dentes retos são amplamente reconhecidas por seu formato descomplicado e facilidade de fabricação. Eles podem variar ligeiramente no formato ou espessura do cubo, mas essas diferenças não afetam a face básica da engrenagem ou o design do dente.
A característica mais notável de uma engrenagem reta são seus dentes retos, que engrenam suavemente com os dentes de outra engrenagem reta. Este design garante uma transmissão de energia eficiente e confiável entre eixos paralelos. Como as engrenagens de dentes retos funcionam apenas com eixos paralelos, elas não geram nenhum empuxo axial durante a operação. Os perfis dos dentes são geralmente curvas envolventes, que ajudam a manter uma relação de velocidade constante à medida que as engrenagens giram. As engrenagens de dentes retos são comumente feitas de materiais como aço, latão, bronze ou plástico e podem ser endurecidas para maior resistência e durabilidade.
O que uma engrenagem reta faz?
Funcionalmente, as engrenagens de dentes retos transmitem movimento mecânico e potência entre dois eixos paralelos. Ao engatar os dentes retos de uma engrenagem com outra (com o mesmo passo e ângulo de pressão), as engrenagens de dentes retos transferem o movimento rotacional de forma eficiente, controlando a velocidade, o torque e a potência dentro do sistema. Dependendo de seu tamanho e disposição, as engrenagens retas podem aumentar ou diminuir a velocidade de rotação e ajustar o torque de acordo.
Aplicações e usos de engrenagens retas
As engrenagens de dentes retos são amplamente utilizadas em vários setores, incluindo automotivo, maquinário industrial e produtos de consumo, devido à sua simplicidade, economia e confiabilidade. Por exemplo, nas transmissões de veículos, as engrenagens de dentes retos ajudam a transferir a potência do motor para as rodas, permitindo o movimento. Sua distribuição uniforme da carga dos dentes proporciona uma operação suave e uma longa vida útil. Além disso, as engrenagens retas podem ser personalizadas com diferentes perfis e tamanhos de dentes para atender às necessidades específicas da aplicação.
Processo e materiais de fabricação de engrenagens retas
- Hobbing:Este é o método mais comum para cortar os dentes de engrenagens de dentes retos externos. Um cortador cilíndrico giratório chamado fresa corta gradualmente os dentes da engrenagem à medida que a peça bruta e a fresa giram em sincronia. A fresagem cria perfis de dentes precisos e eficientes.
- Modelagem:A modelagem da engrenagem usa um cortador alternativo em forma de engrenagem para cortar os dentes na peça bruta. É especialmente útil para engrenagens internas ou engrenagens com perfis especiais.
- Aplainamento:O aplainamento envolve um cortador em forma de cremalheira que se move linearmente contra a peça bruta da engrenagem rotativa para cortar os dentes. É menos comum, mas é usado para tamanhos e formatos específicos de engrenagens.
- Brochamento:Esta técnica é usada principalmente para cortar dentes de engrenagens internas. Uma ferramenta de brochamento com dentes progressivamente maiores é puxada ou empurrada através da peça bruta da engrenagem, produzindo perfis internos precisos com acabamentos suaves.
- Fresamento:O fresamento remove o excesso de material da peça bruta da engrenagem para prepará-la ou para cortar dentes da engrenagem em produção personalizada ou de baixo volume. As fresadoras CNC usam fresas rotativas para moldar a engrenagem.
- Perfuração:A perfuração é usada para criar furos centrais ou furos de montagem na peça bruta da engrenagem.
- Rebarbação:Após o corte, as rebarbas nos dentes da engrenagem são removidas por meio de rebarbação mecânica ou manual para garantir um funcionamento suave e reduzir o desgaste.
Em relação aos materiais, o aço carbono é o mais utilizado na fabricação de engrenagens porque oferece um excelente equilíbrio entre usinabilidade, resistência ao desgaste, resistência e economia. O aço carbono está disponível em classes como aço carbono suave, médio e alto, cada um adequado para diferentes requisitos de resistência e dureza. Dependendo da aplicação, outros materiais como ligas de aço, latão, bronze ou plásticos também podem ser usados para fazer engrenagens de dentes retos.
Diferentes tipos de engrenagens retas
As principais categorias de engrenagens retas são externas e internas. Existem também outros tipos de engrenagens de dentes retos para fins específicos, como anti-folga, cubo de pino, cremalheira e pinhão, cubo de pino, cubo dividido, etc.
A engrenagem de dentes retos externa é o tipo mais comum e mais simples, com dentes retos cortados na superfície externa de uma engrenagem cilíndrica. Essas engrenagens engrenam com outras engrenagens de dentes retos externos para transmitir movimento rotativo entre eixos paralelos, com as engrenagens girando em direções opostas. Seu design simples os torna altamente eficientes e fáceis de fabricar, e é por isso que são encontrados em inúmeras caixas de engrenagens, motores, temporizadores e redutores de velocidade em muitos setores.
As engrenagens de dentes retos internos têm seus dentes cortados na superfície interna de um anel cilíndrico. Essas engrenagens engrenam com engrenagens externas menores, fazendo com que ambas girem na mesma direção. Esta configuração é frequentemente usada em sistemas de engrenagens planetárias compactas e acionamentos especializados onde o espaço é limitado. Engrenagens de dentes retos internos fornecem transmissão de torque suave e são comuns em redutores compactos e dispositivos de temporização.
As engrenagens de dentes retos anti-folga são projetadas para minimizar a folga, ou folga, entre os dentes das engrenagens que engrenam entre si. A folga geralmente é necessária para permitir a deflexão do dente, expansão térmica, tolerância a erros de perfil do dente e lubrificação adequada. No entanto, em aplicações que exigem alta precisão, é importante ter uma folga mínima ou nula. Os fabricantes de engrenagens desenvolveram engrenagens anti-folga para atender a essas demandas, ajustando a quantidade de folga de acordo com os requisitos de carga. No caso de engrenagens de dentes retos, a folga ajustável é obtida sobrepondo e deslocando levemente duas engrenagens idênticas para controlar a espessura do dente. Essas engrenagens são comumente usadas e são uma forma econômica de reduzir imprecisões em trens de engrenagens de baixo torque.
As engrenagens de dentes retos anti-folga normalmente consistem em duas engrenagens de dentes retos montadas lado a lado em um eixo, ligadas por molas. As molas puxam as engrenagens uma contra a outra, criando um efeito de “beliscão” na engrenagem correspondente. Este movimento de pinça compensa a folga, reduzindo-a significativamente durante a instalação. A precisão do design das engrenagens anti-folga as torna adequadas para indústrias como aeroespacial, robótica e máquinas de alta precisão. Por exemplo, telescópios de alta precisão utilizam engrenagens anti-folga para garantir a precisão, eliminando folgas nas engrenagens que poderiam distorcer o posicionamento.
4. Cremalheira e pinhão de engrenagem reta
Os sistemas de cremalheira e pinhão combinam uma engrenagem cilíndrica de dentes retos (pinhão) com uma cremalheira dentada linear para converter o movimento rotativo em movimento linear ou vice-versa. Esta configuração é muito útil em sistemas de direção, máquinas CNC e atuadores mecânicos, oferecendo posicionamento linear preciso e maior eficiência de transmissão de potência. Os acionamentos de cremalheira e pinhão são usados em direção automotiva, robótica, elevadores e automação industrial.
Fórmula de cálculo do perfil do dente da engrenagem reta e terminologia
Vários parâmetros determinam o perfil ou formato das engrenagens de dentes retos, incluindo passo (módulo/passo diametral), ângulo de pressão, número de dentes e muito mais. Quando vistas de lado, as faces dos dentes são retas e alinhadas paralelamente ao eixo. Quando se trata dos tipos de perfis de dentes de engrenagens retas, eles vêm em evolventes e cicloidais.
- A engrenagem reta de perfil evolvente é a mais comum e amplamente utilizada na indústria moderna. O ângulo de pressão permanece o mesmo quando a engrenagem está funcionando. É favorecido porque seu formato garante uma transferência de movimento suave e consistente entre as engrenagens, mesmo que a distância central entre as engrenagens mude ligeiramente. A curva evolvente é gerada desenrolando uma corda esticada de um círculo, e esse formato ajuda a manter um ângulo de pressão constante durante a rotação da engrenagem. Uma engrenagem envolvente também é mais fácil de fabricar do que uma engrenagem cicloidal.
- A engrenagem reta de perfil cicloidal é um projeto mais antigo, frequentemente encontrado em equipamentos mais antigos ou especializados. Seu ângulo de pressão está sempre mudando durante a operação. A forma cicloidal do dente é baseada no caminho traçado por um ponto na circunferência de um círculo rolante, que difere da curva evolvente. Embora as engrenagens cicloidais possam ser eficazes, elas são mais sensíveis a pequenas mudanças na distância central entre as engrenagens e sua fabricação é geralmente mais complexa.
Diagrama do perfil do dente da engrenagem reta
P:passo diametral
D:Diâmetro primitivo Diâmetro primitivo (D) Diâmetro do círculo primitivo onde os dentes se engrenam D =N / DPD:Diâmetro primitivo
N:Número de dentes
DP:Passo diametral Passo diametral (DP) Número de dentes por unidade de diâmetro de passo DP =N / DDP:Passo diametral
N:Número de dentes
D:Diâmetro primitivo Ângulo de pressão (α) Ângulo entre a face do dente e a tangente ao círculo primitivo Geralmente 20° (valor comum)α:Ângulo de pressãoMódulo (m)O parâmetro de tamanho da engrenagem métrica define o tamanho do dente =D / Nm:Módulo
D:Diâmetro do passo (mm)
N:Número de dentes Diâmetro de referência (d) Diâmetro usado nos cálculos de projeto de engrenagem Relacionado ao módulo, distância central, ângulo de pressão:Diâmetro de referência Largura da face / Altura do dente (h) Largura do dente da engrenagem ao longo do eixo de rotação h =ha + hfh:Largura da face / altura do dente
ha:Adendo
hf:DedendumAddendum (ha)Altura do dente acima do círculo primitivoha =mha:Adendo
m:MóduloDedendum (hf)Profundidade do dente abaixo do círculo primitivohf =1,25 × mhf:Dedendum
m:Distância central do módulo (C) Distância entre os centros de duas engrenagens engrenadas C =(N₁ + N₂) / (2 × DP) C:Distância central
N₁:Dentes na engrenagem motriz
N₂:Dentes na engrenagem acionada
DP:Passo diametral Número de dentes na engrenagem motriz (N₁) Contagem de dentes na engrenagem motriz (engrenagem de entrada) Usado em cálculos de relação de transmissão e distância centralN₁:Número de dentes na engrenagem motrizNúmero de dentes na engrenagem correspondente (N₂) Contagem de dentes na engrenagem correspondente (acionada)N₂ =(N₁ × R) / S₂N₂:Dentes na engrenagem correspondente
N₁:Dentes na engrenagem motriz
R:Relação de transmissão
S₂:Velocidade de saída desejada Relação da engrenagem (mG) Relação entre os dentes da engrenagem acionada e os dentes da engrenagem motrizmG =N₂ / N₁mG:Relação da engrenagem
N₂:Dentes na engrenagem acionada
N₁:Dentes na engrenagem motrizVelocidade de entrada (S₁)Velocidade de rotação da engrenagem motriz (RPM)S₁ =(S₂ / mG) × (N₂ / N₁)S₁:Velocidade de entrada
S₂:Velocidade de saída
mG:relação de transmissão
N₁, N₂:Dentes nas engrenagens motrizes e acionadas Velocidade de saída desejada (S₂) Velocidade de rotação necessária da engrenagem acionada (RPM) S₂ =(S₁ × mG) / 60S₂:Velocidade de saída
S₁:Velocidade de entrada
mG:relação de transmissão
60:Fator de conversão de tempo (segundos para minutos)Diâmetro externo (DO)Diâmetro total da engrenagem, incluindo altura total do denteDO =(N + 2) / DPDO:Diâmetro externo
N:Número de dentes
DP:Passo diametral Resistência do dente (S)A capacidade de um dente de suportar forças aplicadas sem falhasS =(Y × K × Wt) / FOSS:Resistência do dente
Y:fator de forma Lewis (com base no formato do dente)
K:Fator de geometria
Peso:Força tangencial no dente
FOS:Fator de segurança
Dimensão e módulo da engrenagem reta
O módulo mede essencialmente o tamanho de cada dente da engrenagem em relação ao diâmetro primitivo. O módulo indica diretamente o tamanho e a espessura dos dentes da engrenagem. Um módulo maior significa dentes maiores e uma engrenagem geral maior, enquanto um módulo menor significa dentes menores e uma engrenagem mais compacta. Duas engrenagens devem ter o mesmo módulo para engrenarem corretamente. Se as engrenagens possuírem módulos diferentes, seus dentes não se encaixarão corretamente, causando falha mecânica. Os módulos padrão podem garantir o engate adequado das engrenagens sem interferência e permitir que fabricantes de todo o mundo produzam engrenagens compatíveis.
O módulo da engrenagem reta (denotado como m) é calculado dividindo o diâmetro do círculo primitivo (d) da engrenagem pelo número de dentes (z). O círculo primitivo é um círculo imaginário que passa pelos dentes da engrenagem, onde as engrenagens efetivamente engrenam. Por exemplo, uma engrenagem de dentes retos com diâmetro primitivo de 100 mm e 20 dentes terá um módulo de 5 (100/20 =5 mm). Isso significa que cada dente corresponde a um segmento de 5 mm do diâmetro do círculo primitivo.
Tabela de tamanhos de engrenagens retas
As dimensões reais da engrenagem precisam ser calculadas pelo projetista com base nos parâmetros padrão do perfil do dente, no módulo selecionado e no número de dentes. Abaixo estão duas tabelas de dimensões de engrenagens retas para referência na produção real.
Tabela de dimensões da engrenagem reta Mod 1.0
As letras “A” e “B” em Cat.No. indica o tipo de engrenagem, a engrenagem tipo A com 1 mod tem largura de 25 mm e a largura da engrenagem tipo B com 1 mod é 15 mm.
Tabela de dimensões da engrenagem reta Mod 1.5
A engrenagem tipo A com mod 1,5 tem largura de 30 mm, e a largura da engrenagem tipo B com mod 1,5 é de 17 mm.
Engrenagem reta versus engrenagem helicoidal:quais são as diferenças?
Tanto as engrenagens de dentes retos quanto as engrenagens helicoidais são comumente encontradas em aplicações industriais. Quais são as diferenças reais entre eles?
- Design de dente
As engrenagens de dentes retos têm dentes retos paralelos ao eixo de rotação, de modo que os dentes engatarão todos de uma vez ao longo de uma única linha quando duas engrenagens engrenarem. Em contraste, as engrenagens helicoidais apresentam dentes cortados em ângulo, formando uma hélice ao redor da engrenagem. Este design de dente angulado permite que os dentes se encaixem gradualmente de uma extremidade à outra. - Padrão de contato
A forma como os dentes fazem contato difere significativamente entre os dois tipos de engrenagem. As engrenagens de dentes retos têm um contato linear onde um par de dentes se engata por vez, causando forças de impacto repentinas e maior tensão nos dentes. As engrenagens helicoidais, no entanto, mantêm vários dentes em contato simultaneamente devido aos seus dentes angulares. - Impulso Axial
Como os dentes da engrenagem reta são retos e engrenam ao longo de um único plano, eles não geram nenhum empuxo axial (força ao longo do eixo do eixo). As engrenagens helicoidais produzem uma força axial à medida que os dentes deslizam uns contra os outros durante a rotação. Este impulso axial requer suporte adicional no eixo, como rolamentos axiais, para evitar movimentos indesejados do eixo e garantir uma operação suave. - Ruído e vibração
As engrenagens de dentes retos tendem a gerar mais ruído e vibração. As engrenagens helicoidais operam de forma muito mais silenciosa e suave. Isso torna as engrenagens helicoidais preferíveis em aplicações onde a redução de ruído é importante, como transmissões automotivas. - Rolamento de carga
As engrenagens helicoidais geralmente têm uma capacidade de carga maior do que as engrenagens de dentes retos. Os dentes angulares das engrenagens helicoidais criam mais área de contato superficial entre as engrenagens correspondentes, o que distribui a carga por vários dentes. Isto leva a menos desgaste e maior vida útil da engrenagem. As engrenagens de dentes retos suportam a carga em menos dentes, o que pode levar a um maior desgaste sob cargas pesadas. - Desempenho de velocidade
As engrenagens helicoidais podem suportar torque mais alto e manter uma operação mais silenciosa em velocidades de rotação mais rápidas. As engrenagens de dentes retos, embora capazes de alta eficiência em velocidades moderadas, apresentam maior ruído, vibração e desgaste quando operadas em altas velocidades. - Complexidade e custo de fabricação
As engrenagens de dentes retos têm um design mais simples e são mais fáceis de fabricar. Isso significa custos de produção mais baixos e manutenção mais fácil. As engrenagens helicoidais exigem processos de fabricação mais complexos, envolvendo cortes angulares precisos e movimento tridimensional, aumentando seu custo. - Aplicações e orientação do eixo
As engrenagens de dentes retos são usadas principalmente para transmitir movimento entre eixos paralelos em aplicações mais simples e de baixa velocidade, como relógios, máquinas de lavar e transportadores. As engrenagens helicoidais também podem ser usadas para eixos paralelos, mas também permitem a transmissão entre eixos cruzados ou não paralelos. Essa versatilidade torna as engrenagens helicoidais adequadas para transmissões automotivas, aeroespaciais, usinas de energia e sistemas de propulsão marítima. - Taxa de contato
A relação de contato é uma medida de quantos dentes estão em contato durante o engrenamento da engrenagem. As engrenagens de dentes retos normalmente têm uma relação de contato entre 1,2 e 1,6, o que significa que normalmente apenas um dente está totalmente engatado por vez. As engrenagens helicoidais têm uma relação de contato mais alta, muitas vezes superior a 2. Essa relação de contato mais alta contribui para uma transmissão de potência mais suave e menos vibração. - Eficiência
As engrenagens de dentes retos proporcionam uma eficiência muito alta, especialmente em aplicações mais simples e de velocidade média, onde a minimização do atrito e das forças axiais é fundamental, muitas vezes atingindo eficiências de 98-99%. As engrenagens helicoidais são um pouco menos eficientes devido ao deslizamento e ao empuxo axial, normalmente variando de 95% a 98%, mas têm outras vantagens que podem justificar sua pequena penalidade de eficiência.
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