Engrenagens: tudo o que você precisa saber sobre essas rodas dentadas

Os engrenagens Eles estão em uma infinidade de mecanismos atuais, de relógios analógicos a motores de veículos, caixas de câmbio, robôs, impressoras e muitos outros sistemas mecatrônicos. Graças a eles, sistemas de transmissão podem ser feitos e, além de transmitir movimento, eles também podem alterá-lo.

Portanto, são elementos muito importantes que você deve saber como eles funcionam Corretamente. Dessa forma, você pode usar as engrenagens certas para seus projetos e entender melhor como eles funcionam ...

O que é uma engrenagem?

Existem sistemas de corrente, sistemas de polia, rodas de fricção, etc. Todos eles sistemas de transmissão com suas vantagens e desvantagens. Mas, de todos eles, destaca-se o sistema de engrenagens, que costumam ser os favoritos para suas propriedades:

• Eles podem suportar grandes forças devido aos seus dentes sem escorregar, como pode ser o caso de rodas ou polias de fricção.
• É um sistema reversível, capaz de transmitir força ou movimento nas duas direções.
• Eles permitem um controle de movimento muito preciso, como pode ser visto no motores de passo, Por exemplo.
• Eles permitem criar sistemas de transmissão compactos contra correntes ou polias.
• Tamanhos diferentes podem ser combinados para interferir na rotação de cada eixo. Geralmente, quando duas rodas dentadas são usadas, a engrenagem maior é chamada de roda e de pinhão pequeno.

Un engrenagem ou roda dentada Nada mais é do que um tipo de roda com uma série de dentes esculpidos em sua borda externa ou interna, dependendo do tipo de engrenagem que for. Essas rodas dentadas estarão em movimento giratório para gerar torque nos eixos aos quais estão fixadas e podem ser agrupadas para gerar sistemas de engrenagens mais complexos, encaixando seus dentes.

Obviamente, para que isso seja possível, o tipo e tamanho dos dentes deve combinar. Caso contrário, eles serão incompatíveis e não caberiam. Esses parâmetros são aqueles que são discutidos na próxima seção ...

Partes de uma engrenagem

Para que duas engrenagens se encaixem, o diâmetro e o número de dentes podem ser variados, mas eles devem respeitar uma série de fatores que fazem a engrenagem ser compatível um com o outro, como o tipo de dente que usam, as dimensões, etc.

Como você pode ver na imagem anterior, existem muitas partes em uma engrenagem que você deve saber:

• Septo ou braços: é a parte que se encarrega de unir a coroa e o cubo para transmitir o movimento. Eles podem ser mais ou menos grossos, e sua composição e resistência dependerão muito da resistência e do peso. Às vezes, eles geralmente são perfurados para reduzir o peso, outras vezes, uma partição sólida é escolhida.
• o Cube: é a parte onde se fixa o eixo de transmissão do movimento e que se fixa na divisória.
• Coroa: é a área da engrenagem onde os dentes foram cortados. É o mais importante, pois disso dependerá a compatibilidade, o comportamento e o desempenho do equipamento.
• Dente: é um dos dentes ou saliências da coroa. O dente pode ser subdividido em várias partes:
  • Crest: é a parte externa ou ponta do dente.
  • Rosto e flanco: é a parte superior e inferior da lateral do dente, ou seja, a superfície de contato entre duas engrenagens que se engrenam.
  • Vale: é a parte inferior do dente ou área intermediária entre dois dentes, onde ficará alojada a crista de outra roda dentada com a qual se enreda.

Tudo isso gera uma série de geometrias da coroa que distinguirá os tipos e propriedades das engrenagens:

• Circunferência da raiz: marca o vale ou fundo dos dentes. Ou seja, delimita o diâmetro interno da engrenagem.
• Circunferência primitiva: estabelece a divisão entre as duas partes da lateral do dente: face e flanco. É um parâmetro muito importante, pois todos os demais são definidos a partir dele. Ele dividirá o dente em duas partes, o dedendo e o adendo.
  • Pé de dente ou dedendo: é a área inferior do dente que está entre a circunferência original e a circunferência da raiz.
  • Cabeça do dente ou adendo: área superior do dente, que vai desde a circunferência original até a circunferência externa.
• Circunferência da cabeça- marcará a crista dos dentes, ou seja, o diâmetro externo da engrenagem.

Como você pode imaginar, dependendo da coroa, diâmetro e tipos de dentes, você pode variar a engrenagem de acordo com:

• Número de dentes: vai definir a relação de transmissão e é um dos parâmetros mais determinantes para determinar seu comportamento em um sistema de transmissão.
• Altura do dente: a altura total, do vale ao cume.
• Passo circular: distância entre uma parte do dente e a mesma parte do dente seguinte. Ou seja, a distância dos dentes, o que também está relacionado ao número.
• Espesor: é a espessura da engrenagem.

Aplicações de engrenagens

Os aplicações de engrenagem são muitos, como já comentei anteriormente. Algumas de suas aplicações práticas são:

• Caixas de câmbio de veículos.
• Motores de passo para controle de giro.
• Bombas hidráulicas.
• Motores de todos os tipos, como elementos de rotação ou transmissão de movimento.
• Mecanismos diferenciais.
• Impressoras para mover as cabeças ou rolos.
• Robôs para peças móveis.
• Maquinaria industrial.
• Relógios analógicos.
• Eletrodomésticos com peças mecânicas.
• Dispositivos eletrônicos com partes móveis.
• Motores de abertura de portas.
• Brinquedos móveis.
• Maquina agrícola.
• Aeronáutica.
• Produção de energia (eólica, térmica, ...).
• etc.

Você pode pensar em uma infinidade de outros aplicativos para seus projetos com Arduino, robôs, etc. Você pode automatizar muitos mecanismos e brincar com velocidades, etc.

Tipos de engrenagem

De acordo com seus dentes e as características da própria engrenagem, você tem diferentes tipos de engrenagens ao seu alcance, cada um com suas vantagens e desvantagens, por isso é importante escolher o adequado para cada aplicação.

Os tipos mais comuns são:

• Cilíndrico: são usados ​​para eixos paralelos.
  • Em linha reta: são os mais comuns, utilizados quando é necessária uma marcha simples com velocidades não muito altas.
  • helicoidal: eles são uma versão um pouco mais avançada dos anteriores. Neles, os dentes são dispostos em trajetórias de hélice paralelas em torno de um cilindro (simples ou duplo). Eles têm uma clara vantagem sobre as linhas retas, como ser mais silenciosos, operar em velocidades mais altas, podem transmitir mais potência e ter um movimento mais uniforme e seguro.
• Cônico: servem para transmitir o movimento entre eixos colocados em diferentes ângulos, mesmo a 90º.
  • Em linha reta: utilizam dentes retos e compartilham características com os cilíndricos retos.
  • Espiral: neste caso suportam velocidades e forças superiores, como aconteceu com os helicoidais.
• Engrenagem interna: em vez de ter os dentes ou coroa esculpidos por fora, eles têm por dentro. Eles não são tão comuns, mas também são usados ​​para certas aplicações.
• Planetários: é um conjunto de engrenagens utilizado em determinados sistemas de transmissão onde existe uma engrenagem central em torno da qual giram outras menores. É por isso que tem esse nome, já que parecem estar em órbita.
• Parafuso sem fim: é uma engrenagem comum em alguns mecanismos industriais ou eletrônicos. Ele usa uma engrenagem cujos dentes são cortados em forma de espiral. Eles geram uma velocidade muito constante e sem vibrações ou ruídos. Eles podem transmitir para uma roda dentada reta cujo eixo está obliquamente ao parafuso sem fim.
• Cremalheira e pinhão: é um conjunto de engrenagens que também é comum em alguns mecanismos e que permite que um movimento rotativo de um eixo se transforme em movimento linear ou vice-versa.

Se você atende a A composição dele, você também pode diferenciar materiais como:

• MetaisEles geralmente são feitos de diferentes tipos de aço, ligas de cobre, ligas de alumínio, ferro fundido ou ferro fundido cinzento, ligas de magnésio, etc.
• Plásticos: eles são usados ​​em eletrônicos, brinquedos, etc. São engrenagens de policarbonato, poliamida ou PVC, resinas de acetal, polieteretercetona PEEK, politetrafluoroetileno (PTFE) e polímeros de cristal líquido (LCP).
• madeira: não são comuns, apenas em mecanismos antigos ou em certos brinquedos.
• outros: é provável que, para casos muito específicos, sejam utilizadas outras fibras ou materiais específicos.

Onde comprar engrenagens?

Você pode encontre diferentes tipos de engrenagens em muitas lojas de mecânica ou eletrônica. Por exemplo, aqui estão alguns exemplos:

• Kit de engrenagem do motor em plástico. Com 64 tipos diferentes.
• Nenhum produto encontrado.
• Kit de 16 diferentes peças metálicas, incluindo helicoidais.
• Kit de engrenagem de eixo de plástico.

Esses produtos são pequenos em tamanho, se você precisar de engrenagens maiores é provável que não as encontre tão facilmente. Além disso, se você precisar de algo muito específico, muitas oficinas de torneiro podem faça isso para você. As impressoras 3D Eles também estão ajudando os fabricantes a criar suas próprias engrenagens.

Cálculos básicos para sistemas de roda dentada

Como você pode ver neste GIF, você tem que entender que quando duas engrenagens se encaixam, ambos os eixos irá girar na direção oposta e não no mesmo sentido. Como você pode ver, se você olhar para a rua denteada vermelha, ela está virando para a direita, enquanto a azul está virando para a esquerda.

Assim, para um eixo girar na mesma direção seria necessário adicionar outra roda adicional, como a verde. Dessa forma, o vermelho e o verde giram na mesma direção. Isso ocorre porque, conforme o azul girado para a esquerda, ao ativar o azul-verde, o verde inverterá a direção de rotação novamente, sincronizando-se com o vermelho.

Outra coisa que pode ser apreciada nesse GIF é velocidade de rotação. Se todas as engrenagens tivessem o mesmo diâmetro e número de dentes, todos os eixos girariam na mesma velocidade. Por outro lado, quando o número / diâmetro do dente é alterado, a velocidade também é alterada. Como você pode ver neste caso, o vermelho é o que gira mais rápido, pois tem um diâmetro menor, enquanto o azul gira a uma velocidade média e o verde é o que gira mais devagar.

Em resposta a isso, é possível pensar que brincando com os tamanhos as velocidades podem ser alteradas. Você está correto, assim como uma bicicleta pode fazer isso com as marchas ou a caixa de câmbio com as relações de marcha de um carro. E não só, você também pode fazer cálculos sobre a velocidade de rotação.

Quando você tem duas engrenagens engrenadas, uma pequeno (pinhão) e outro grande (roda), pode ocorrer o seguinte:

• Se imaginarmos que o motor ou tração é aplicado ao pinhão e a roda é acionada, embora o pinhão gire em alta velocidade, tendo uma roda maior, ele vai desacelerar, agindo como um redutor. Somente se eles fossem do mesmo tamanho (pinhão = roda) os dois eixos girariam na mesma velocidade.
• Por outro lado, se imaginarmos que é a roda que tem a tração e se aplica uma velocidade, mesmo que seja baixa, o pinhão estará girando mais rápido, já que seu pequeno tamanho atua como multiplicador.

Cálculos de transmissão de engrenagem

Depois de entender isso, você pode realizar os cálculos de um sistema de transmissão simples entre duas engrenagens aplicando Fórmula:

N1 Z1 = N2 Z2

Onde Z é o número de dentes das engrenagens 1 e 2 que estão engrenados e N é a velocidade de rotação dos eixos em RPM (rotações por minuto ou rotações por minuto). Para exemplo, imagine isso no GIF acima, para simplificar:

• Vermelho (acionamento) = 4 dentes e o motor está aplicando uma velocidade de rotação ao seu eixo de 7 RPM.
• Azul = 8 dentes
• Verde = 16 dentes

Se você deseja calcular a curva neste sistema, você deve primeiro calcular a velocidade do azul:

4 7 = 8 z

z = 4 7/8

z = 3.5 RPM

Ou seja, o eixo azul estaria girando a 3.5 RPM, um pouco mais lento do que os 4 RPM do vermelho. Se você quisesse calcular a virada do verde, agora que conhece a velocidade do azul:

8 3.5 = 16 z

z = 8 3.5/16

z = 1.75

Como você pode ver, o verde giraria a 1.75 RPM, que é mais lento do que o azul e o verde. E o que aconteceria se o motor estivesse localizado no eixo verde e a roda motriz estivesse girando a 4 RPM, então a rotação seria 8 RPM para azul, 16 RPM para vermelho.

Segue-se, portanto, que, quando a roda motriz é pequena, uma velocidade menor é alcançada no eixo final, mas com maior força. No caso de ser a roda grande que carrega a tração, a roda pequena atinge maior velocidade, mas menos força. Porque há poderes ou torque diferente? Olhe para esta fórmula:

P = T ω

Onde P é a potência transmitida pelo eixo em watts (W), T é o torque desenvolvido (Nm), ω a velocidade angular na qual o eixo gira (rad / s). Se a potência do motor é mantida e a velocidade de rotação é multiplicada ou reduzida, então também se altera T. O mesmo acontece se T for mantido constante e a velocidade for variada, então P é alterado.

Você provavelmente também vai querer calcular se um eixo gira em X RPM, quanto ele avançaria linearmente, ou seja, o velocidade linear. Por exemplo, imagine que no vermelho você tem um motor DC e no eixo verde você colocou uma roda para que o motor viaje sobre uma superfície. Quão rápido isso iria?

Para isso, basta calcular a circunferência do pneu que instalou. Para fazer isso, multiplique o diâmetro por Pi e você terá a circunferência. Sabendo o quanto a roda pode avançar a cada volta e levando em consideração o que gira a cada minuto, pode-se obter a velocidade linear ...

Aqui eu mostro um vídeo para que você possa entender isso de uma maneira melhor:

Cálculos para sem-fim e roda dentada

Quanto a engrenagem helicoidal e roda dentada, pode ser calculado com a fórmula:

i = 1 / Z

Isso ocorre porque o parafuso é considerado neste sistema como uma roda dentada de dente único que foi cortada helicoidalmente. Portanto, se você tiver uma roda dentada de 60 dentes, por exemplo, será 1/60 (isso significa que o parafuso teria que girar 60 vezes para que a roda dentada completasse 1 volta). Além disso, é um mecanismo que não é reversível como os outros, ou seja, a roda dentada não pode ser girada para que o sem-fim gire, apenas o sem-fim pode ser o eixo de transmissão aqui.

Cálculos de cremalheira e pinhão

Para o sistema Cremalheira e pinhão, os cálculos mudam novamente, neste caso são:

V = (pZN)/60

Ou seja, multiplique o passo dos dentes do pinhão (em metros), pelo número de dentes do pinhão e pelo número de voltas do pinhão (em RPM). E isso é dividido por 60. Por exemplo, imagine que você tem um sistema com um pinhão de 30 dentes, um passo de 0.025m e uma velocidade de rotação de 40 RPM:

V = (0.025) / 30

V = 0.5 m / s

Ou seja, avançaria meio metro a cada segundo. E, neste caso, sim é reversívelOu seja, se a cremalheira for movida longitudinalmente, o pinhão pode ser girado.

Você pode até calcular quanto tempo levaria para percorrer uma distância, levando em consideração a fórmula para movimento de linha uniforme (v = d / t), ou seja, se a velocidade for igual à distância dividida pelo tempo, então o tempo é zerado:

t = d / v

Portanto, já sabendo a velocidade e a distância que deseja calcular, por exemplo, imagine que você deseja calcular quanto tempo levaria para percorrer 1 metro:

t = 1 / 0.5

t = 2 segundos

Espero ter ajudado você a adquirir pelo menos o conhecimento mais essencial sobre engrenagens, para que você entenda como elas funcionam e como você pode usá-las a seu favor em seus projetos futuros.