Guia para projeto de chaveta de eixo, cálculo e seleção do tamanho da chaveta de eixo

Seleção de chave de eixo é crucial para evitar falhas prematuras em juntas chavetadas . A chaveta e a chaveta do eixo são usadas para transmitir o torque dos eixos aos elementos de transmissão mecânica, como engrenagens, polias, etc. usando uma junta chavetada. Eles podem ser feitos usando um material de estoque padrão, como estoque de chaves, ou usinado sob medida para se adequar à aplicação.



Geralmente, o diâmetro nominal do eixo é usado para especificar o tamanho da chave de acordo com vários padrões, como BS4235 e a chave retangular amplamente disponível é usada para a maioria das aplicações. Desta forma, uma junta chavetada é superdimensionada para suportar todas as cargas e as normas não especificam o material da chave ou as limitações da junta. Mas uma consideração cuidadosa deve ser dada, pois às vezes até a chave maior falha devido a um erro de cálculo imprevisto, sem mencionar que a chave mais longa ou maior também enfraquece o eixo.

Assumindo que o tamanho do eixo e o elemento foram projetados para se adequar ao torque e à resistência à flexão, garantir que a chave selecionada atenda a essa especificação é crucial para uma transmissão mecânica segura. Às vezes, a chaveta do eixo é selecionada para falhar em um limite, protegendo o eixo, a engrenagem e outros elementos. Neste caso, a junta chavetada funciona como um fusível escarificador.

Critérios de seleção de chave de eixo

Vamos nos aprofundar nos importantes critérios de seleção a serem considerados ao escolher uma junta com chave. Os 8 fatores críticos a seguir devem ser considerados durante o projeto e a seleção de uma chaveta de eixo.

O tipo de chave ou o tipo de junta geralmente é escolhido durante o estágio conceitual tardio ou o estágio inicial do projeto de incorporação do projeto do produto. Mas durante a configuração do projeto ou os estágios de projeto detalhados do projeto do produto, a junta chavetada deve ser avaliada quanto a falhas de tensão de cisalhamento e compressão.

Tipos de chave

Existem quatro grupos principais de chaves de eixo disponíveis, a saber, chave afundada, chave de sela, chave tangente e chaves redondas . Cada um tem características e capacidades de suporte de carga diferentes; portanto, a chaveta de eixo correta deve ser selecionada para a aplicação com base em suas características e benefícios.

Tipo de chave		Uso de chave de eixo
Chaves afundadas	Teclas retangulares	Uma chave retangular geralmente é usada para diâmetros de eixo entre 1" (25 mm) e 20" (500 mm)
		Geralmente, eles têm um efeito reduzido no eixo devido à profundidade do rasgo da chaveta
	Teclas quadradas	Uma chave quadrada é usada se a profundidade da chave mais profunda for necessária para transmitir torque. Mas certifique-se de que o eixo enfraquecido possa suportar a carga.
		Uma chaveta quadrada é usada para diâmetros de eixos de até 1” (25 mm) inclusive
	Chaves paralelas afundadas	As chaves secundárias paralelas estão amplamente disponíveis e são uma das mais fáceis de instalar
		Se possível, use parafusos de fixação no hub para prendê-lo para evitar que deslize durante a operação
	Chaves afundadas na cabeça do gib	São muito semelhantes às chaves retangulares/paralelas, mas são mais fáceis de remover devido à cabeça
	Chaves de pena	As chaves de pena permitem que o cubo se mova axialmente enquanto transmite o torque rotacional
	Chaves Woodruff	Use-o para cargas mais baixas e pode acomodar qualquer conexão de eixo/cubo cônico.
Teclas de sela		Use-o apenas para cargas unidirecionais muito leves
Teclas tangentes		Pode ser usado em aplicações de grande torque bidirecionais lentas.
		Não recomendado para mudança direcional de alta frequência
Teclas redondas/circulares		Usado apenas para torque e velocidades muito baixos
		Pode ser montado furando e escareando o eixo e o conjunto do cubo juntos
		O diâmetro da chave deve ser aproximadamente o sexto do diâmetro do eixo

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• Às vezes, o diâmetro do eixo é determinado por outros elementos, como resistência à flexão, instalação do rolamento, etc. Nesse caso, a chaveta pode ser dimensionada menor para se adequar ao torque em vez do diâmetro do eixo.

Material chave

Normalmente, as chaves de eixo são feitas de aço carbono médio ou aço inoxidável . Mas eles podem ser feitos de muitos tipos diferentes de materiais, como liga de alumínio, bronze, cobre e latão, para atender a diferentes ambientes de aplicação. Por exemplo, chaves de latão ou bronze para eixos propulsores marítimos e aço inoxidável para uso em equipamentos de serviços alimentícios.

Geralmente, o aço chave é fornecido de acordo com BS46 e BS4235 e é um aço carbono médio não ligado com resistência à tração razoável. Aços médio carbono sem liga com teor de carbono variando de 0,25% a 0,60% são usados ​​devido às suas combinações ideais de resistência, tenacidade e boas características de usinagem. A tabela a seguir fornece uma lista de alguns materiais comuns de chave de eixo com sua resistência à tração final (UTS).

Material	Dureza Brinell	Última Resistência à tração (Mpa)	Observações
Aço Carbono	225 - 275	500	Fornece boa resistência e pode ser alterado por meio de tratamento térmico para fornecer um grau mais alto de resistência ou resistência ao desgaste
Aço de alto carbono
Aço de liga	300-350	600
Aço temperado	650	650
Aço inoxidável martensítico	197	655	Use quando for necessária maior resistência do material em ambientes corrosivos moderados
Aço inoxidável austenítico	212	240-250	Use em aplicativos de ambiente altamente corrosivo
Liga de alumínio	30	120-130
Latão (C36000)	60-80	280-320
Cobre	80-110	200 - 360

Geralmente, durante os cálculos, a resistência à compressão e ao cisalhamento permitidas são calculadas a partir do UTS usando um fator apropriado de segurança e teorias de falha, como a teoria da tensão máxima de cisalhamento.

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• O aço de grau mais popular é o AISI 1045 (equivalente C45, EN8, 080M40), que pode ser endurecido aquecendo o material a aproximadamente 820-850C (1508 -1562 F) para aumentar o UTS.
• Certifique-se de que a corrosão galvânica seja considerada se você usar outros materiais.
• As chaves fabricadas de acordo com os padrões britânicos devem ser fabricadas em aço em conformidade com BS 970 com uma resistência à tração não inferior a 550 MN/m2.

Tipo de carregamento

Às vezes, falhas prematuras ocorrem mesmo quando a chaveta do eixo é superdimensionada para o torque máximo transferido. Isso se deve a tipos de carga imprevistos, como choque, impacto ou induzido por força devido à rotação bidirecional. Os motores de velocidade variável também observam flutuações de carga durante suas fases de aceleração e desaceleração nas quais as forças na chave mudam.

Embora a maioria das chaves não seja adequada para cargas direcionais alternadas (o sentido de rotação muda de CW para CCW ou vice-versa), as chavetas ainda são usadas em tais aplicações. Se a direção não mudar com frequência, o rasgo de chaveta pode ser usado com segurança, mas deve-se considerar cuidadosamente as cargas de fadiga e os torques de aceleração.

\(T_m =(T_L + T_a) \)

\(T_a =JA\)

• \(T_m \) – Torque total necessário
• \(T_L \) – Torque de carga
• \(T_a \) – Torque de aceleração
• \(J \) – Momento de inércia
• \(A \) – Taxa de aceleração

Se houver qualquer carga de choque axial ou radial no elemento que está sendo conectado, deve-se tomar cuidado para suportar as cargas de choque axiais e radiais externas. Isso é para garantir que a chave esteja apenas transferindo o torque no sentido de rotação.

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• • Coloque a chaveta alinhada com a força radial que atua no elemento.
  • A maioria das teclas não é adequada para cargas direcionais alternadas e choques.

Ajuste correto

É vital ter o ajuste correto entre a chaveta do eixo, a chaveta e a chaveta do cubo. Padrões como BS 46, ANSI B17.1-1967 ou JIS B 1301-1996 especificam tamanhos e tolerâncias das chaves e rasgos de chaveta.

Geralmente, existem duas classes de estoque disponíveis para chaves afundadas, principalmente chaves paralelas. Todos os padrões reconhecem isso e especificam tolerâncias para o rasgo de chaveta para que se possa ter de duas a quatro classes de ajustes.

As quatro classes de ajuste tratadas nesta norma destinam-se a atender a vários requisitos, como segue:

Folga/Ajuste livre – Este é um ajuste relativamente livre em que o cubo deve deslizar sobre a chave quando em uso e se aplica apenas a chaves paralelas. (Usando chaves de estoque de barra e tolerâncias de chaveta)

Ajuste normal/lateral – Este é um ajuste relativamente apertado onde a chave deve ser inserida no rasgo de chaveta com ajuste mínimo, conforme necessário para montagem em produção em massa.

Ajuste próximo – Onde for necessário um ajuste preciso da chave. Nesta classe, o encaixe será exigido sob condições máximas de material, e se for necessário para obter essas condições, alguma seleção de componentes pode ser necessária.

Ajuste de interferência – onde for necessário um ajuste de forma que não haja possibilidade de folga entre a chaveta e o rasgo de chaveta no eixo e no cubo. Nesta classe de ajuste, o ajuste manual será necessário.

Especificação de chaves e chavetas

O ajuste afetará a vida útil do rasgo de chaveta e o seguinte fator deve ser considerado durante o cálculo. A corrosão por atrito devido à flexão rotativa e/ou oscilação de torção foi comprovada em vários testes de resistência e geralmente é o fator crucial que leva à falha da conexão eixo-cubo.

Fadiga e fator de segurança de vida

Como qualquer outro cálculo mecânico, o fator de segurança é um elemento chave para calcular, especificar e projetar uma junta chavetada na transmissão de potência mecânica. A relação entre a tensão admissível e o limite de escoamento mínimo especificado de acordo com o código AISC é Tensão
Tensão – \(0,45Sy Resistência à torção do eixo
É importante lembrar que qualquer rasgo de chaveta reduzirá a resistência à torção dos eixos devido à concentração de tensão nos cantos do rasgo de chaveta e uma redução na área da seção transversal do eixo. Embora se suponha que a resistência de um eixo sólido seja reduzida em 75%, teoricamente ela pode ser calculada usando a equação de H. F. Moore para o fator de resistência do eixo. É a relação entre a resistência do eixo, com e sem o rasgo de chaveta.

\(e =1–0,2(w/d)–1,1(h/d)\)
\(e\)     – Fator de resistência do eixo\(w\)    – Largura da chaveta\(d\)    – Diâmetro do eixo\(h\)    – Profundidade da chaveta (=Espessura da chaveta (t)/2)
Fator de concentração de tensão de fadiga \(K_ft\) para rasgos de chaveta conforme mostrado na figura abaixo para os tipos comuns de rasgo de chaveta (a) e rasgo de chaveta de perfil ou fresado de topo (b).

• Corredor de trenó                               – 1,44
• Chaveta de perfil ou fresagem de topo        – 1,68

Falha na chave do eixo

A falha potencial da junta chavetada inclui cedência, ruptura dúctil, fadiga e fadiga por atrito da chaveta ou do rasgo da chaveta do eixo. Muitas vezes é vantajoso dimensionar a junta chavetada de modo que ela se escarifique e se desfaça por ruptura dúctil em caso de sobrecarga de torque. Usando a chave como um fusível barato para proteger elementos de máquina caros.

Dimensão da chave

Existem dois tipos de forças que atuam na chave devido à instalação e transmissão de energia. A força de compressão (f1) induzida pelo ajuste apertado da chave é muito difícil de determinar e se as tolerâncias corretas forem usadas de acordo com os padrões, isso será comparativamente menor.



A força F é induzida no lado da chave como mostrado devido ao torque transmitido e produzindo tensões de cisalhamento e compressão. Resultando nos seguintes dois tipos de mecânica de falha.

• Falha por cisalhamento
• Forças de rolamento de compressão

A tensão de compressão do rolamento no plano de contato

\(S_c=4T/dhl\)

A tensão de cisalhamento média ao longo do plano de cisalhamento é calculada

\( τ_s=2T/dwl \)

Onde

• \(T\) – Torque
• \(d \)– diâmetro do eixo
• \(w\) – largura da chave
• \(l\) – Comprimento da chave
• \(τ_s\)– Tensão de cisalhamento média
• \(S_c\) – Tensão de compressão do rolamento

O comprimento necessário da chave pode ser obtido usando a teoria da tensão de cisalhamento máxima ou definindo a tensão média igual à tensão de cisalhamento admissível.

O torque admissível de projeto pode ser calculado a partir da equação acima.

\( T_k \) =\(τ_sdwl/2\)

Onde \(τ_s\) é projetada a tensão de cisalhamento admissível para o modo de falha aplicável. A partir do projeto do eixo, o torque permitido pelo projeto pode ser encontrado usando a seguinte fórmula

\(T_s =πd^3 τ_d/16 K_f\)

Se a chaveta for selecionada para ter a mesma tensão admissível de projeto que o eixo, o comprimento da chaveta pode ser encontrado usando a seguinte fórmula

\( T_k =T_s \)

\( Le =π  d^2 / 8wK_f\)

Onde

• \(T_k\) – Torque permitido para chave
• \(T_s \)– Torque permitido para o eixo
• \(L_e\) – Comprimento efetivo da chave
• \(K_f \)– Fator de concentração de tensão de fadiga

Referências

• Collins, J.A., Busby, H., &Staab, G. (s.d.). Projeto Mecânico de Elementos de Máquinas e Máquinas. John Wiley &Sons.
• Hamrock, B.J., Schmid, S.R., &Jacobson, B.O. (2006). Fundamentos de elementos de máquina:Bernard J. Hamrock, Steven R. Schmid, Bo O. Jacobson . Boston:McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentos do projeto de componentes de máquinas. John Wiley &Sons.

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