TIPOS E CARACTERÍSTICAS DE ENGRENAGENS

http://ciencia.hsw.uol.com.br/engrenagens8.htm (acesso 01-04-08)

1 - Introdução

As engrenagens são usadas em milhares de

dispositivos mecânicos. Elas realizam várias

tarefas importantes, mas a mais importante é

que elas fornecem uma redução na transmissão

em equipamentos motorizados. E isso é

essencial porque, freqüentemente, um pequeno

motor girando muito rapidamente consegue

fornecer energia suficiente para um dispositivo,

mas não consegue dar o torque necessário. Por

exemplo, uma chave de fenda elétrica tem uma

redução de transmissão muito grande, porque

precisa de muito torque para girar os parafusos,

mas o motor só produz quantidade de torque pequena e velocidade alta.

Com a redução de transmissão, a velocidade de saída pode ser diminuída e

o torque, aumentado.

Mais uma coisa que as engrenagens fazem é ajustar a direção de rotação.

Por exemplo, no diferencial existente entre as rodas traseiras do seu carro, a

energia é transmitida por um eixo que passa pelo centro do carro, o que faz

com que o diferencial tenha de "deslocar" essa energia em 90º, para aplicá-

la sobre as rodas.

Há muitas complicações nos diferentes tipos de engrenagens. Neste artigo,

vamos aprender a maneira exata como funcionam os dentes das

Foto cedida

Emerson Power

Transmission Corp.

engrenagens, e vamos falar sobre os diferentes tipos de engrenagens

encontradas nos equipamentos mecânicos.

2 -Princípios básicos

Em qualquer engrenagem, a relação é determinada pelas distâncias que vão

do centro das peças até o ponto de contato. Por exemplo, em um dispositivo

com duas engrenagens, se uma delas tiver o dobro do diâmetro da outra, a

relação será de 2:1.

Um dos tipos de engrenagem mais primitivos que podemos ver seria uma

roda com estacas de madeira em suas extremidades.

da com estacas de madeira em suas extremidades.

Figura 1. Animação de uma engrenagem de roda com estacas

perpendiculares

O problema desse tipo de engrenagem é que a distância do centro de cada

engrenagem até o ponto de contato muda de acordo com a rotação delas. O

que significa que a relação de engrenagens se altera com o seu giro,

fazendo com que a velocidade também mude. Se você usasse engrenagens

assim no seu carro, seria impossível manter uma velocidade constante:

haveria uma incessante aceleração e desaceleração.

Muitas engrenagens modernas utilizam um perfil de dentes especial

chamado de involuta. Esse perfil tem a propriedade extremamente

importante de manter uma relação de velocidade constante entre as duas

engrenagens. Assim como a roda com estacas acima, o ponto de contato se

movimenta, mas a forma dos dentes da engrenagem involuta compensam

esse movimento. Veja essa seção para mais detalhes.

3 –Tipos de Engrenagens

3.1 Engrenagens de dentes retos

As engrenagens de dentes retos são o tipo mais comum de engrenagens.

Elas têm dentes retos e são montadas em eixos paralelos. Há situações em

que muitas dessas engrenagens são usadas juntas para criar grandes

reduções na transmissão.

Foto cedida Emerson Power Transmission Corp.

Figura 2. Engrenagens de dentes retos

Engrenagens de dentes retos são utilizadas em muitos dispositivos

que serão mostrados no HowStuffWorks, como a chave de fenda elétrica,

as figuras que dançam, o aspersor oscilante, o relógio de corda, a máquina

de lavar roupas e a secadora de roupas. Mas você não vai encontrar esse

tipo de engrenagem no seu carro.

E isso porque a engrenagem de dentes retos pode ser muito barulhenta.

Cada vez que os dentes se encaixam, eles colidem e esse impacto faz muito

ruído. Além disso, também aumenta a tensão sobre os dentes.

Para reduzir o ruído e a tensão das engrenagens, a maioria das engrenagens

do seu carro é helicoidal.

3 .2 - Engrenagens helicoidais

Os dentes nas engrenagens helicoidais são cortados em ângulo com a face

da engrenagem. Quando dois dentes em um sistema de engrenagens

helicoidais se acoplam, o contato se inicia em uma extremidade do dente e

gradualmente aumenta à medida que as engrenagens giram, até que os dois

dentes estejam totalmente acoplados.

Foto cedida Emerson Power Transmission Corp.

Figura 3. Engrenagens helicoidais

Este engate gradual faz as engrenagens helicoidais operarem muito mais

suave e silenciosamente que as engrenagens de dentes retos. Por isso, as

engrenagens helicoidais são usadas na maioria das transmissões de carros.

Devido ao ângulo dos dentes de engrenagens helicoidais, elas criam um

esforço sobre a engrenagem quando se unem. Equipamentos que usam esse

tipo de engrenagem têm rolamentos capazes de suportar esse esforço.

Algo interessante sobre as engrenagens helicoidais é que se os ângulos dos

dentes estiverem corretos, eles podem ser montados em eixos

perpendiculares, ajustando o ângulo de rotação em 90º.

Foto cedida Emerson Power Transmission Corp.

Figura 4. Engrenagens helicoidais cruzadas

3.3 - Coroas

As coroas (ou engrenagens cônicas) são úteis quando a direção da rotação

de um eixo precisa ser alterada. Elas costumam ser montadas em eixos

separados por 90º, mas podem ser projetadas para funcionar em outros

ângulos também.

Os dentes das coroas podem ser retos, em espiral ou hipóides. Dentes

retos de coroa acabam tendo o mesmo problema que na engrenagem de

dentes retos: conforme cada dente se junta ao outro, ele causa impacto de

uma só vez no dente correspondente.

Foto cedida Emerson Power Transmission Corp.

Figura 5. Coroas

Assim como com as engrenagens de dentes retos, a solução para esse

problema é curvar os dentes. Esses dentes em espiral se juntam da mesma

maneira que os dentes helicoidais: o contato começa em uma extremidade

da engrenagem e se espalha pela peça toda progressivamente.

Foto cedida Emerson Power Transmission Corp.

Figura 6. Coroas em espiral

Em coroas retas e em espiral, os eixos devem ser perpendiculares um em

relação ao outro, mas também é necessário que estejam no mesmo plano.

Se você tivesse que estender os dois eixos através das engrenagens, eles

acabariam se cruzando. A engrenagem hipóide, por outro lado, consegue

juntar eixos em planos diferentes.

Figure 7. Engrenagens hipóides no diferencial de

um carro

Essa característica é usada em muitos diferenciais de carros. Tanto a

cremalheira do diferencial como o pinhão de entrada são hipóides. Isso

permite que o pinhão de entrada seja montado em um plano inferior ao do

eixo da cremalheira. A Figura 7 mostra o pinhão de entrada juntando-se à

cremalheira do diferencial. E já que o eixo da transmissão do carro se

conecta ao pinhão de entrada, ele também é reduzido. O que faz com que

ele não entre tanto no compartimento de passageiros do carro, liberando

mais espaço tanto para os passageiros como para a carga.

3.4 Engrenagens sem-fim

Engrenagens sem-fim são usadas quando grandes reduções de transmissão

são necessárias. Esse tipo de engrenagem costuma ter reduções de 20:1,

chegando até a números maiores do que 300:1.

Foto cedida Emerson Power Transmission Corp.

Figura 8. Engrenagens sem-fim

Muitas engrenagens sem-fim têm uma propriedade interessante que

nenhuma outra engrenagem tem: o eixo gira a engrenagem facilmente, mas

a engrenagem não consegue girar o eixo. Isso se deve ao fato de que o

ângulo do eixo é tão pequeno que quando a engrenagem tenta girá-lo, o

atrito entre a engrenagem e o eixo não deixa que ele saia do lugar.

Essa característica é útil para máquinas como transportadores, nos quais a

função de travamento pode agir como um freio para a esteira quando o

motor não estiver funcionando. Outro uso muito interessante para

engrenagens sem-fim está no diferencial Torsen, que é usado em carros e

caminhões de alto desempenho.

3.5 - Pinhão e cremalheira

Pinhão e cremalheira são usados para converter rotação em movimento

linear. Um exemplo perfeito disso é o sistema de direção de muitos carros.

O volante gira uma engrenagem que se une à cremalheira. Conforme a

engrenagem gira, ela desliza a cremalheira para a direita ou para a

esquerda, dependendo do lado para o qual está virando o volante.

Figure 9. Pinhão e cremalheira de uma balança

doméstica

Pinhão e cremalheira também são usados em algumas balanças para girar o

ponteiro que indica seu peso.

3.6 - Engrenagem satélite e relações de engrenagens

Toda engrenagem satélite (ou planetária) deve ter três componentes

principais:

• a engrenagem planeta

• as engrenagens satélite e seu suporte

• a coroa

Cada um desses três componentes pode ser a entrada, saída ou pode ficar

imóvel. Escolher qual deles vai exercer cada papel é o que determina a

relação de engrenagem do conjunto todo. Vamos dar uma olhada em uma

engrenagem satélite simples.

Uma das engrenagens satélite da sua transmissão tem uma cremalheira com

72 dentes e uma engrenagem central com 30 dentes. Dá para conseguirmos

diferentes relações de transmissão com esse conjunto.

Entrada Saída Imóvel Cálculo Relação de

transmissão

A Planeta (S) Engrenagem

satélite (C) Coroa (R) 1 + R/S 3.4:1

B Engrenagem

satélite (C) Coroa (R) Planeta (S)

1 / (1 +

S/R) 0,71:1

C Planeta (S) Coroa (R) Engrenagem

satélite (C) -R/S -2,4:1

Além disso, se você travar 2 dos 3 componentes de uma só vez, irá travar

todo o equipamento a uma redução de transmissão de 1:1. Perceba que a

primeira relação de transmissão listada acima é uma redução, ou seja, a

velocidade de saída é menor do que a velocidade de entrada. A segunda é

uma sobremarcha, a velocidade de saída é maior do que a velocidade de

entrada. E a última é uma redução novamente, mas a direção de saída é

invertida. Há muitas outras relações possíveis com esse conjunto de

engrenagens satélite, mas essas são as que importam para nossa

transmissão automática. Você pode verificar isso na animação abaixo:

Animação das diferentes relações de transmissão das transmissões

automáticas.

Clique nos botões à esquerda na tabela acima.

Por isso, esse conjunto de engrenagens consegue produzir todas essas

relações diferentes sem ter que trabalhar com quaisquer outras

engrenagens. Com dois conjuntos de engrenagens como esses em

seqüência, é possível obter quatro marchas normais e a ré, tudo o que

precisamos para a nossa transmissão. Vamos juntar dois conjuntos de

engrenagens na próxima seção.

3.7 - Detalhes das engrenagens involutas

No dente de uma engrenagem involuta, o ponto de contato começa mais

próximo a uma engrenagem e, conforme ela gira, o ponto de contato se

distancia dessa engrenagem e vai em direção à outra. Se tivesse de seguir o

ponto de contato, ele descreveria uma linha reta que começa perto de uma

engrenagem e termina próximo de outra. Isso significa que o raio do ponto

de contato cresce conforme os dentes se encontram.

Figura 10. Animação de uma engrenagem involuta

O diâmetro de afastamento é o diâmetro de contato. E já que o diâmetro de

contato não é constante, o afastamento é a distância média de contato.

Conforme os dentes começam a se unir, o dente superior da engrenagem

entra em contato com o dente inferior dentro do afastamento. Mas repare

que a parte do dente superior que entra em contato com o dente inferior

ainda é muito pequena nesse ponto. Mas como as engrenagens continuam

girando, o ponto de contato desliza para a parte mais espessa do dente

superior. E isso empurra a engrenagem superior para frente, de forma a

compensar o diâmetro de contato que ficou um pouco menor. Conforme os

dentes continuam a girar, o ponto de contato fica ainda mais distante,

saindo do afastamento. No entanto, o perfil do dente inferior compensa esse

movimento. O ponto de contato começa a deslizar sobre a parte mais fina

do dente inferior, tirando um pouco de velocidade da engrenagem superior

para compensar pelo aumento do diâmetro de contato. O resultado final é

que mesmo com o ponto de contato mudando continuamente, a velocidade

continua a mesma. O que faz com que uma engrenagem involuta produza

uma relação constante de velocidade de rotação.