Tipos de engrenagens

1. Introdução

Muitos tipos de engrenagens são uma parte crítica de inúmeros sistemas mecânicos, encontrado em todos os lugares, desde automóveis até máquinas industriais e até mesmo eletrônicos de consumo diário.

Eles funcionam transmitindo força rotacional entre os componentes da máquina, permitindo controle preciso sobre o movimento, velocidade, e torque.

As engrenagens são essenciais para a operação suave e eficiente das máquinas, com vários tipos de engrenagens adequadas para diferentes aplicações.

2. O que é uma engrenagem?

Uma engrenagem é um componente mecânico dentado que engrena com outra parte dentada, muitas vezes outra marcha, para transmitir torque e movimento. As engrenagens podem aumentar o torque sacrificando a velocidade, ou podem aumentar a velocidade em detrimento do torque.

A eficiência e funcionalidade das engrenagens dependem da sua forma, tamanho, material, e como eles interagem entre si.

3. Diferentes parâmetros de engrenagens

Compreender os parâmetros das engrenagens é crucial para projetar sistemas de engrenagens eficientes e confiáveis. Esses parâmetros influenciam como as engrenagens se engrenam, quanta carga eles podem suportar, e seu desempenho geral em diversas aplicações. Aqui está uma visão geral dos principais parâmetros:

1. Número de dentes

O número de dentes de uma engrenagem é um parâmetro fundamental que afeta sua relação de transmissão e desempenho. Ele determina a capacidade da engrenagem de engrenar com outra engrenagem e influencia a velocidade e a saída de torque.

• Relação de engrenagem: A relação entre o número de dentes em duas engrenagens engrenadas determina a relação entre velocidade e torque.
  Por exemplo, uma engrenagem com 20 dentes engrenados com uma engrenagem com 40 dentes tem uma relação de transmissão de 1:2, o que significa que a engrenagem maior girará na metade da velocidade da engrenagem menor, mas com o dobro do torque.

2. Profundidade total

A profundidade total refere-se à profundidade total de um dente de engrenagem, que inclui o adendo e o dedendum. É fundamental para garantir o engate adequado com as engrenagens adjacentes.

• Adenda: A altura do dente da engrenagem acima do círculo primitivo.
• Para ser dado: A profundidade do dente abaixo do círculo primitivo.

Toda a profundidade é essencial para determinar a resistência da engrenagem e o espaço necessário para que os dentes da engrenagem engatem sem interferência.

3. Círculo de arremesso

O círculo primitivo é um círculo imaginário que rola sem escorregar no círculo primitivo de uma engrenagem correspondente. É crucial garantir como as engrenagens interagem e se engrenam entre si.

• Diâmetro do passo: O diâmetro do círculo primitivo. É usado para calcular a relação de transmissão e garantir que as engrenagens engatem corretamente.

4. Círculo Raiz

O círculo raiz é o círculo que passa pela parte inferior das ranhuras dos dentes da engrenagem. Determina o diâmetro mínimo da engrenagem e é importante para compreender a resistência e durabilidade da engrenagem.

• Diâmetro da Raiz: O diâmetro do círculo que conecta as bases dos dentes.

5. Círculo Externo

O círculo externo, ou diâmetro externo, é o círculo que passa pelas pontas dos dentes da engrenagem. É essencial para determinar o tamanho geral e a folga da engrenagem.

• Diâmetro externo: O diâmetro medido da ponta de um dente até a ponta do dente oposto.

6. Diâmetro do passo

O diâmetro primitivo é o diâmetro do círculo primitivo e é um parâmetro crítico para calcular a relação de transmissão e garantir o engrenamento adequado entre as engrenagens.

• Fórmula: Diâmetro do passo = Número de dentes / Passo Diametral (para unidades imperiais) ou Diâmetro do passo = (Número de dentes * Módulo) (para unidades métricas).

7. Passo Circular

Passo circular é a distância entre pontos correspondentes em dentes adjacentes, medido ao longo do círculo primitivo. É importante garantir a malha e o alinhamento adequados das engrenagens.

• Fórmula: Passo Circular = π * Diâmetro do passo / Número de dentes.

8. Módulo

O módulo é uma medida do tamanho dos dentes, definido como a razão entre o diâmetro primitivo e o número de dentes. É usado no sistema métrico para padronizar tamanhos de engrenagens.

• Fórmula: Módulo = Diâmetro do Passo / Número de dentes.

9. Passo Diametral

Passo diametral é o número de dentes por polegada do diâmetro primitivo. É utilizado no sistema imperial para padronizar tamanhos de engrenagens e é o inverso do módulo.

• Fórmula: Passo Diametral = Número de Dentes / Diâmetro do passo.

10. Espessura Circular

Espessura circular é a espessura de um dente de engrenagem medida ao longo do círculo primitivo. Afeta a resistência da engrenagem e a eficiência da transmissão de energia.

• Fórmula: Espessura Circular = Passo Circular / 2.

4. Como funcionam as engrenagens？

As engrenagens são dispositivos mecânicos, tipicamente circular, com dentes nas bordas usados ​​para transmitir força rotacional e torque em máquinas.

Operando em pares, as engrenagens engatam seus dentes para evitar deslizamento. Em engrenagens circulares, a velocidade de rotação e o torque permanecem constantes, enquanto as engrenagens não circulares criam taxas variáveis ​​de velocidade e torque.

Para manter velocidade e torque consistentes, a modelagem precisa do perfil da engrenagem é essencial. Quando a engrenagem menor, ou pinhão, dirige o sistema, reduz a velocidade e aumenta o torque.

Por outro lado, se o pinhão estiver no eixo acionado, a velocidade aumenta enquanto o torque diminui.

Os eixos que seguram as engrenagens devem ser espaçados adequadamente e podem ser dispostos em paralelo, não paralelo, cruzando, ou configurações sem intersecção. Esses eixos funcionam como alavancas para transmitir rotação e energia entre as engrenagens.

Os principais resultados dos sistemas de engrenagens incluem:

• Aumentar a velocidade: Em um par de engrenagens onde se tem 40 dentes e o outro 20, a engrenagem menor gira duas vezes mais rápido para manter a sincronização, resultando em velocidade mais alta, mas torque reduzido.
• Aumentar a força: Uma engrenagem menor com menos dentes reduz a velocidade, mas aumenta a força, exigindo mais torque para girar.
• Mudar direção: Quando duas engrenagens engrenam, eles giram em direções opostas. Engrenagens especializadas são usadas para alterar a direção de rotação ou ângulos com eficiência.

5. Qual é o design das engrenagens?

As aplicações industriais usam uma variedade de engrenagens, cada um projetado para fins específicos. As principais características que variam entre essas engrenagens incluem:

• Forma de engrenagem
• Projeto e configuração do dente
• Configuração dos eixos de engrenagem

Forma de engrenagem

As engrenagens podem ser cilíndricas (esporão, helicoidal) ou cônico (bisel) com base em sua aplicação. A forma influencia o quão bem as engrenagens se encaixam, a quantidade de força que eles podem suportar, e quanto ruído eles geram.

Engrenagens retas, por exemplo, são barulhentos em altas velocidades, enquanto as engrenagens helicoidais oferecem um desempenho mais silencioso e suave devido aos dentes angulares.

Projeto e configuração do dente

As engrenagens podem ter diferentes perfis de dentes, cada um adequado para tarefas específicas. Dentes retos (engrenagens de dentes retos) funciona bem para simples, aplicações de baixa velocidade, enquanto dentes helicoidais ou espirais (helicoidal, engrenagens cônicas) garantir um envolvimento mais suave e maior eficiência em velocidades mais altas.

Configuração de eixos de engrenagem

• Paralelo: Em configurações paralelas, os eixos estão alinhados no mesmo plano, e as engrenagens motrizes e acionadas giram em direções opostas. Esta configuração normalmente oferece alta eficiência na transferência de movimento. Os exemplos incluem engrenagens helicoidais e sistemas de cremalheira e pinhão.
• Cruzando: Para configurações de intersecção, os eixos se cruzam em um ponto dentro do mesmo plano, fornecendo alta eficiência de transmissão semelhante a configurações paralelas. As engrenagens cônicas são um excelente exemplo desse tipo.
• Não paralelo e sem intersecção: Em configurações onde os eixos não são paralelos nem se cruzam, o que significa que eles não estão alinhados nem no mesmo plano, a eficiência de transmissão tende a ser menor. As engrenagens helicoidais exemplificam esta categoria.

6. Quais materiais são usados ​​nas engrenagens?

O material utilizado para fabricar as engrenagens impacta significativamente seu desempenho, durabilidade, e adequação para aplicações específicas. Diferentes materiais oferecem vários graus de resistência, resistência ao desgaste, e resistência à corrosão.

Abaixo estão alguns dos materiais mais comumente usados ​​na produção de engrenagens:

Aço laminado

O aço laminado é comumente usado para engrenagens devido à sua alta resistência e tenacidade. É produzido por laminação de aço a quente ou a frio através de uma série de rolos, refinando sua estrutura e melhorando suas propriedades mecânicas.

Engrenagens feitas de aço laminado são frequentemente usadas em aplicações pesadas, como transmissões automotivas e máquinas industriais, onde a durabilidade e a resistência ao impacto são cruciais.

Aço laminado a frio

O aço laminado a frio passa por um processo em que o aço é resfriado após a laminação, o que melhora sua resistência e acabamento superficial. Este processo proporciona melhor precisão dimensional e um acabamento mais liso do que o aço laminado a quente.

Engrenagens de aço laminadas a frio são frequentemente usadas em equipamentos de precisão que exigem tolerâncias restritas, como relógios e instrumentos finos, bem como aplicações automotivas e industriais.

Ligas de aço ferramenta

As ligas de aço para ferramentas são conhecidas por sua dureza, resistência ao desgaste, e capacidade de suportar altas temperaturas. São ideais para fazer engrenagens sujeitas a cargas e impactos extremos.

Essas ligas normalmente contêm altos níveis de carbono, cromo, e outros elementos como vanádio ou tungstênio, que aumentam sua resistência e durabilidade. Engrenagens de aço ferramenta são usadas em aplicações como ferramentas de corte e máquinas industriais.

Ligas de Ferro

Ligas de ferro, incluindo ferro fundido e ferro dúctil, são amplamente utilizados na fabricação de engrenagens. Engrenagens de ferro fundido oferecem boa resistência ao desgaste, amortecimento de vibrações, e usinabilidade, tornando-os adequados para grandes, engrenagens de baixa velocidade usadas em aplicações como sistemas de transporte e máquinas pesadas.

O ferro dúctil oferece melhor tenacidade que o ferro fundido, proporcionando um equilíbrio entre força e resistência ao choque.

Aço inoxidável

O aço inoxidável é preferido para engrenagens que exigem alta resistência à corrosão e durabilidade. Contém cromo, que forma uma camada protetora de óxido na superfície, evitando ferrugem e corrosão.

Engrenagens de aço inoxidável são frequentemente usadas em equipamentos de processamento de alimentos, aplicações marítimas, e ambientes onde umidade ou produtos químicos estão presentes.

Ligas de cobre

Ligas de cobre, como latão e bronze, são usados ​​em engrenagens onde o baixo atrito, resistência à corrosão, e facilidade de usinagem são essenciais.

Essas engrenagens são normalmente encontradas em aplicações que exigem operação mais silenciosa e menos desgaste, como engrenagens helicoidais, rolamentos, e buchas.

As ligas de cobre também são valorizadas pela sua condutividade elétrica, tornando-os adequados para alguns dispositivos elétricos especializados.

Ligas de alumínio

Ligas de alumínio são leves e resistentes à corrosão, tornando-os adequados para engrenagens usadas em baixa carga, aplicações de alta velocidade.

Engrenagens feitas de alumínio são comumente encontradas na indústria aeroespacial, robótica, e indústrias automotivas, onde a redução de peso é uma prioridade.

Embora não seja tão forte quanto o aço, ligas de alumínio podem ser tratadas ou revestidas para aumentar sua resistência e resistência ao desgaste.

Engrenagens de plástico

As engrenagens de plástico são leves, resistente à corrosão, e oferecer suave, operação silenciosa.

Geralmente feito de materiais como náilon, acetal, ou policarbonato, engrenagens de plástico são frequentemente usadas em aplicações que exigem baixo ruído e baixo atrito, como impressoras, eletrodomésticos, e pequenas máquinas.

Embora eles não possam suportar tanta carga quanto as engrenagens de metal, engrenagens de plástico são ideais para baixa potência, soluções econômicas.

7. Tipos de engrenagens

As engrenagens são classificadas de acordo com o formato dos dentes, configuração do eixo, e propósito específico. Compreender os vários tipos de engrenagens é essencial para selecionar a engrenagem apropriada para garantir a transmissão eficaz de força em projetos mecânicos.

Com base no formato do dente

1. Engrenagens retas

• • Engrenagens de dentes retos externos: O tipo de equipamento mais comum, com dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem. Essas engrenagens são utilizadas para transmitir potência entre eixos paralelos e são conhecidas por sua eficiência e simplicidade.
  • Engrenagens de dentes retos internos: Semelhante às engrenagens de dentes retos externos, os dentes são cortados na superfície interna de um anel de engrenagem. Eles são usados ​​em aplicações onde é necessária economia de espaço, como sistemas de engrenagens planetárias.

2. Engrenagens helicoidais

• • Helicoidal Simples: Essas engrenagens têm dentes angulares, que proporcionam uma operação mais suave e silenciosa do que as engrenagens de dentes retos. O ângulo dos dentes permite um engate gradual, reduzindo o ruído e o estresse durante a operação.
  • Dupla Helicoidal: Também conhecidas como engrenagens em espinha, estes têm dois conjuntos de dentes helicoidais opostos. O design cancela o impulso axial, tornando-os adequados para máquinas pesadas com cargas elevadas.
  • Engrenagens de parafuso: Semelhante às engrenagens helicoidais, eles são usados ​​em aplicações onde são necessários eixos não paralelos. Eles são projetados para transmitir torque entre dois eixos que não se cruzam.

3. Engrenagens cônicas

• • Engrenagens retas: Engrenagens cônicas com dentes retos são usadas para transmitir movimento entre eixos que se cruzam, normalmente em um ângulo de 90 graus. Eles são eficientes, mas podem ser barulhentos sob carga.
  • Engrenagens espirais: Estes têm dentes curvos, que oferecem operação mais suave e maior capacidade de carga do que engrenagens cônicas retas. Eles são ideais para aplicações de alta velocidade.
  • Engrenagens de esquadria: Um tipo de engrenagem cônica onde a relação de transmissão é 1:1, comumente usado em aplicações que exigem velocidade igual, mas uma mudança de direção.
  • Engrenagens Hipóides: Essas engrenagens têm eixos deslocados, permitindo maior transmissão de torque e operação mais silenciosa. Eles são comumente encontrados em diferenciais automotivos.
  • Zero Engrenagens: Um híbrido entre engrenagens cônicas retas e espirais, oferecendo um compromisso entre operação suave e facilidade de fabricação.
  • Engrenagens cônicas de coroa: Uma engrenagem cônica onde os dentes são perpendiculares à face da engrenagem, oferecendo configurações angulares exclusivas.

4. Engrenagens em espinha
   As engrenagens em espinha têm um padrão de dentes em forma de “V” e são conhecidas por sua capacidade de lidar com cargas pesadas sem produzir empuxo axial significativo. Essas engrenagens são frequentemente usadas em grandes máquinas industriais e navios.

1. 4. Engrenagens de cremalheira e pinhão
      Um sistema de engrenagem linear onde o pinhão (engrenagem circular) malhas com uma engrenagem linear (prateleira) para converter movimento rotacional em movimento linear, é amplamente utilizado em sistemas de direção e ferrovias.

4. Engrenagens sem-fim
   As engrenagens helicoidais consistem em um sem-fim (engrenagem tipo parafuso) e uma roda sem-fim. Eles proporcionam alta redução de torque em espaços compactos e são usados ​​em sistemas de transporte e elevadores.

   

Tipos Especiais de Engrenagens

1. Engrenagens Internas
   As engrenagens internas têm dentes cortados na parte interna de um anel circular. Eles são frequentemente combinados com engrenagens de dentes retos externos em sistemas de engrenagens planetárias para alcançar alto torque e eficiência de espaço.
2. Engrenagens Diferenciais
   Usado principalmente em sistemas automotivos, engrenagens diferenciais permitem que as rodas girem em velocidades diferentes, mantendo a distribuição de torque, essencial para curvas suaves.
3. Engrenagens Planetárias
   As engrenagens planetárias consistem em uma engrenagem solar central, engrenagens planetárias, e um anel externo (engrenagem interna). Este projeto oferece alta densidade de torque e é amplamente utilizado em transmissões automáticas e equipamentos industriais.

   

4. Rodas dentadas
   As rodas dentadas são usadas em transmissões por corrente, com dentes projetados para engatar em uma corrente ou cinto. Eles são comumente encontrados em bicicletas, motocicletas, e sistemas de transporte.
5. Engrenagens estriadas
   Essas engrenagens apresentam ranhuras ou dentes ao longo de seu comprimento e são usadas em acoplamentos mecânicos, permitindo a transmissão de torque enquanto permite algum movimento ao longo do eixo.
6. Engrenagens de náilon
   As engrenagens de nylon são leves e resistentes à corrosão, oferecendo suave, operação silenciosa. Eles são comumente usados ​​em pequenos, aplicações de baixo consumo de energia, como impressoras e eletrodomésticos.

   

7. Engrenagens traseiras
   Encontrado em diferenciais automotivos, as engrenagens traseiras controlam a transmissão de alto torque e são essenciais para garantir a velocidade adequada das rodas durante as curvas do veículo.
8. Engrenagens Pequenas
   Engrenagens pequenas são usadas em aplicações onde são necessários tamanho compacto e controle de movimento preciso, como em relógios, instrumentos, e pequenas máquinas.

8. Considerações sobre design de engrenagens

Vários fatores influenciam o projeto da engrenagem, garantindo que a marcha selecionada atenda ao desempenho, custo, e requisitos de durabilidade:

• Orçamento: Materiais de alto desempenho, como aço inoxidável e aço ferramenta, são mais caros que metais básicos como ferro fundido.
• Restrições de Espaço: Aplicações compactas geralmente usam engrenagens planetárias, que oferecem transmissão de alto torque em um espaço pequeno.
• Necessidades de transmissão: Aplicações de alta velocidade podem favorecer engrenagens helicoidais ou cônicas para um desempenho suave, enquanto em baixa velocidade, tarefas de alto torque geralmente usam engrenagens helicoidais ou de dentes retos.
• Condições de Serviço: Ambientes agressivos, como aqueles que envolvem umidade ou produtos químicos, pode exigir materiais resistentes à corrosão, como aço inoxidável ou náilon.

9. Aplicações de engrenagens

As engrenagens são usadas em inúmeras indústrias para controlar a velocidade, torque, e a direção do movimento. As principais aplicações incluem:

• Sistemas de direção automotiva: As engrenagens de cremalheira e pinhão convertem o movimento rotacional em movimento linear, permitindo controle preciso sobre a direção.
• Caixas de câmbio: Encontrado em carros, maquinaria industrial, e turbinas eólicas, caixas de câmbio ajustam velocidade e torque.
• Aeroespacial: As engrenagens são usadas em sistemas de controle de vôo e motores para suavidade, transmissão de energia eficiente.
• Maquinaria agrícola: Tratores e colheitadeiras usam engrenagens para gerenciar a potência do motor e acionar implementos.

Um gráfico para cada tipo de aplicação de equipamento