Chavetas e Cavas de Chaveta: Tipos e Aplicações em Juntas Mecânicas

O que é chaveta e cava de chaveta?

Uma chaveta e a cava de chaveta formam uma junta com chaveta para fixar o cubo e o eixo, impedindo movimento relativo entre um eixo transmissor de potência e um componente acoplado. Por exemplo, engrenagens, polias ou correntes são conectadas com segurança usando chavetas ao eixo transmissor de potência (Figura 1).

Juntas com chaveta são uma parte importante dos elementos de transmissão mecânica de potência de eixos e acoplamentos, onde garantem que a conexão transmita carga, potência e rotação sem escorregamento e dentro dos requisitos de precisão do design.

Uma chaveta é geralmente feita de aço e é inserida ou montada entre o eixo e o cubo do componente em direção axial para impedir movimento relativo. Assento da chaveta é um recesso no eixo e a Cava de chaveta é o recesso no cubo para receber a chaveta e assim travar o componente com segurança. Geralmente, o termo assento da chaveta é raramente usado pois cava de chaveta se refere a ambos os recessos na indústria (Figura 2).

Cavas de chaveta de eixo e cubo são frequentemente usinadas em máquinas de ranhurar, mas também podem ser feitas usando broqueamento, fresamento, plaina, furação EDM.

Elementos de retenção como estrias, acoplamentos flexíveis, juntas cônicas etc. também são usados. Se for transmissão de potência muito baixa, parafusos de fixação e pinos podem ser usados também. Se parafusos de fixação ou, em alguns casos de juntas com chaveta, forem usados, deve haver um método de restrição axial como anéis de retenção e circlips.

Vantagens e limites das juntas com chaveta

Existem várias vantagens e desvantagens no uso de chavetas de eixo, portanto, devida consideração deve ser dada aos detalhes finos do design geral para avaliar a adequação da junta com chaveta.

Vantagens das chavetas de eixo e junta com chaveta

• Custo de fabricação barato
• Bem padronizado (ISO, BS, DIN e ANSI)
• Transmissão de torque médio a alto
• Fácil montagem e desmontagem, logo facilmente reutilizável

Desvantagens das chavetas de eixo e junta com chaveta

• Não adequado para cargas de direção alternada e choques
• Possível deslocamento axial do cubo a menos que travado por componente extra como parafuso de fixação ou anéis de retenção
• Com o tempo, junta com chaveta pode se tornar muito difícil de desmontar
• Cavas de chaveta introduzem ponto de tensão devido ao efeito de entalhe e reduzem resistência do eixo
• Introduz desbalanceamento do eixo
• Difícil calcular e combinar capacidade de carga e análise de stack de tolerâncias, logo juntas com chaveta são superdimensionadas
• Para transmitir força axial, precisa de um travamento

Tipos de Chavetas

Chavetas de eixo vêm em uma ampla variedade de tipos e formas e podem ser divididas nas seguintes quatro categorias junto com subcategorias (Figura 3).

1. Chavetas afundadas (Sunk Keys)
   • Chavetas retangulares e quadradas
   • Chavetas paralelas
   • Chavetas de cabeça gib
   • Chaveta feather (folga deslizante com chavetas)
   • Chaveta Woodruff
2. Chavetas de sela (Saddle Keys)
   • Chavetas de sela planas e ocas
3. Chavetas tangenciais (Tangent Keys)
4. Chavetas redondas/circulares (Round/Circular Keys)

Dos tipos acima, a chaveta paralela quadrada e a chaveta Woodruff são provavelmente as mais usadas devido à facilidade de uso e custo.

Chaveta dupla – Devido a tolerâncias de fabricação e para evitar ajustes duplos, apenas uma chaveta paralela é usada, mas chavetas duplas são ocasionalmente usadas para cargas muito altas e infrequentes. Isso só deve ser considerado se o material for dúctil. Para estas, os cálculos devem ser baseados em uma chaveta paralela e meia.

Chavetas Afundadas (Sunk Keys)

Chavetas afundadas são afundadas no eixo para metade de sua espessura, onde a medição é tomada no lado da chaveta. Não ao longo da linha central através do eixo (Figuras 4 e 5).

Chavetas retangulares/quadradas

Chavetas retangulares como mostrado são mais largas que sua altura e às vezes são chamadas de chaveta plana. São usadas em eixos até cerca de 500 mm ou 20" de diâmetro. A largura extra da chaveta permite transmitir maior torque sem aumentar a profundidade. Um aumento na profundidade significa um eixo mais fraco devido à redução na área transversal efetiva do eixo.

Chavetas quadradas, como seus nomes sugerem, são chavetas de seção transversal quadrada e geralmente especificadas para eixos até cerca de 25 mm ou 1". Podem ser usadas para eixos maiores quando maior profundidade de chaveta é desejável comparado a chavetas retangulares. Um aumento na profundidade significa um eixo mais fraco devido à redução na área transversal efetiva do eixo.

Chavetas quadradas e retangulares podem ter um taper de 1 em 100 ao longo do comprimento da chaveta como mostrado na figura 6.

Chavetas paralelas afundadas

Chavetas paralelas afundadas podem ser de seção retangular ou quadrada, mas sem o taper. Essas chavetas são baratas e prontamente disponíveis. É uma das mais fáceis de instalar. Mas as chavetas precisam ser idealmente mantidas por um parafuso de fixação através do cubo. Porque vibração ou reversão de direção rotacional frequentemente empurram a chaveta para fora.

Essas chavetas são geralmente ajustadas firmemente ao fundo da cava do eixo e aos lados da junta com chaveta, deixando uma folga no topo da cava do cubo.

Chavetas afundadas com cabeça gib

Uma cabeça gib em chavetas afundadas é adicionada para facilitar a remoção. Como mostrado na figura 8, chavetas afundadas com cabeça gib são geralmente chavetas retangulares ou quadradas com um taper na superfície superior para garantir um ajuste apertado.

Chavetas feather

Chavetas feather são fixadas either ao eixo ou ao cubo para permitir movimento axial relativo. Como mostrado na figura, existem três principais chavetas feather: Dupla cabeça, Feather com pino e Feather key. Isso permite transmissão de potência entre o eixo e cubo com suas faces opostas paralelas, ao mesmo tempo permitindo que deslize.

Chavetas Woodruff

A chaveta Woodruff é um disco semi-circular e se encaixa em um recesso circular no eixo que é usinado por uma fresa de cava Woodruff. Essas chavetas Woodruff são usadas principalmente em máquinas-ferramenta e eixos de automóveis de ¼" a 2½" (6 mm a 60 mm) de diâmetro. Chavetas Woodruff não são capazes de suportar a mesma carga que chavetas paralelas longas.

A vantagem da chaveta Woodruff é que ela é capaz de acomodar qualquer taper na cava do cubo, é cativa e sua profundidade impede que a chaveta vire.

As desvantagens ou inconvenientes das chavetas Woodruff são que a profundidade da cava enfraquece o eixo, estas não podem ser usadas como chaveta feather, são difíceis de instalar, são curtas e não podem suportar muita carga.

Chavetas de Sela (Saddle Keys)

Comparadas a chavetas afundadas, chavetas de sela não são afundadas no eixo e cubo, em vez disso são apenas afundadas no cubo. Elas ficam assentadas sobre uma superfície plana ou circunferência do eixo. A transmissão de potência é alcançada através de atrito entre o eixo e a chaveta. Como mostrado na figura abaixo, chavetas de sela podem ser subdivididas em Sela plana e Chavetas de sela ocas e são apenas adequadas para cargas leves para evitar escorregamento ao longo do eixo.

Uma chaveta de sela plana é afilada no topo e plana na base como mostrado na figura 13. A chaveta se encaixa em uma cava de cubo afilada pressionando sobre a face plana do eixo.

Uma chaveta de sela oca é afilada no topo e curva na base como mostrado na figura 14. A chaveta se encaixa em uma cava de cubo afilada e é pressionada sobre a superfície circunferencial curva do eixo.

Chavetas Tangenciais (Tangent Keys)

As chavetas tangenciais ou às vezes chamadas chavetas tangenciais são montadas como um par em ângulos retos como mostrado na figura 15, onde cada chaveta suporta torção em uma direção apenas. São usadas em eixos grandes de serviço pesado.

Chavetas Redondas / Circulares

As chavetas redondas são circulares em seção e se encaixam em furos perfurados parcialmente no eixo e parcialmente no cubo. Têm a vantagem de fácil fabricação, pois suas cavas podem ser perfuradas e alisadas após as partes de acoplamento terem sido montadas. Chavetas redondas são geralmente consideradas mais apropriadas para acionamentos de baixa potência.

Design da cava de chaveta e dimensionamento da chaveta

A seleção da chaveta de eixo é crucial para evitar falha prematura em juntas com chaveta. Leia "Guia de seleção de chaveta de eixo e design de cava de chaveta" para entender como calcular tensões de cisalhamento e compressão na chaveta de eixo. O artigo também discute fatores críticos como material da chaveta, tipo de carga, ajuste correto etc. a considerar durante o design de incorporação da junta com chaveta.

Normas e Especificação

Consulte dimensões e tolerâncias tabuladas de cavas de chaveta métricas para chavetas paralelas e Woodruff conforme BS 4235-1:1972. Junto com tolerâncias de tamanho de cava de chaveta e tamanhos de profundidade de cava de chaveta, algumas normas também fornecem informações sobre tamanho de chaveta recomendado, profundidade de cava de chaveta como função do diâmetro do eixo.

• Recomendações para tamanho de chaveta, comprimento e profundidade de cava de chaveta como função do diâmetro do eixo são fornecidas nas Normas ASME B17.1-1967, ASME B17.2-1967
• Especificação para chavetas e cavas de chaveta métricas – Paralelas e afiladas BS 4235-1:1972
• Correspondência de chaveta Woodruff a diâmetro do eixo também especificada em DIN 6888
• Chavetas Tangenciais e Cavas de Chaveta Tangenciais para cargas de choque alternadas especificação DIN 268:1974
• Chavetas Tangenciais e Cavas de Chaveta Tangenciais para cargas constantes especificação DIN 271:1974

Referências

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (n.d.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements: Bernard J. Hamrock, Steven R. Schmid, Bo O. Jacobson. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.