Projeto, Cálculo e Aplicação da Capacidade de Carga de Engrenagens em Transmissões Mecânicas

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Projeto, Cálculo e Aplicação da Capacidade de Carga de Engrenagens em Transmissões Mecânicas

As engrenagens constituem os componentes fundamentais dos sistemas de transmissão mecânica e a sua capacidade de carga é directamente fundamental para a fiabilidade e a vida útil de todo o sistema de transmissão.Esta capacidade abrange principalmente dois aspectos críticos- resistência à fadiga por contacto com a superfície dos dentes e resistência à fadiga por dobragem da raiz dos dentes.desgaste (aderência das superfícies metálicas causada por altas velocidades e cargas pesadas), desgaste (perda de material da superfície dos dentes devido ao atrito), quebra dos dentes (resultante de fadiga de dobragem ou sobrecarga) e deformação plástica (fluxo do material da superfície dos dentes sob carga pesada).

1Processo básico de concepção para a capacidade de carga dos engrenagens

O processo de concepção segue uma sequência sistemática: primeiro, determinar parâmetros de transmissão como potência, velocidade de rotação e relação de transmissão;selecionar materiais de engrenagem e processos de tratamento térmico (e.por exemplo, são comumente utilizados aços ligados como 20CrMnTi e 42CrMo, com dureza de superfície entre 58-62HRC e dureza de núcleo entre 28-35HRC); definir inicialmente parâmetros de engrenagem, incluindo módulo,número de dentes, e largura da face; realizar cálculos de capacidade de carga; otimizar os parâmetros de projeto; e, finalmente, concluir o projeto detalhado.

2Métodos de cálculo básicos

2.1 Cálculo da resistência à fadiga em contacto com a superfície dos dentes (por norma ISO 6336)

A fórmula fundamental é:σH = ZH × ZE × Zε × Zβ × √[(Ft/(b·d1))·(u+1)/u] ≤ σHP, onde:

σH é a tensão de contacto calculada (MPa)
ZH denota o fator de zona, ZE o coeficiente elástico dos materiais, Zε o fator de relação de contacto e Zβ o fator de ângulo da hélice
Ft representa a força tangencial no círculo de passo transversal (N)
b é a largura da face (mm), d1 o diâmetro do círculo de passo do pinhão (mm) e u o rácio de engrenagem (u=z2/z1)
σHP é a tensão de contacto admissível (MPa), calculada como:

O valor de referência deve ser igual ou superior a:

(σHlim = limite de fadiga por contacto das engrenagens de ensaio; ZN = fator de vida; ZL = fator de lubrificante; Zv = fator de velocidade; ZR = fator de rugosidade da superfície; ZW = fator de endurecimento do trabalho; ZX = fator de tamanho;SHmin = fator mínimo de segurança)

2.2 Cálculo da resistência à fadiga da raiz do dente

A fórmula básica é:σF = (Ft/(b·mn)) × YF × YS × Yβ × YB ≤ σFP, onde:

σF é a tensão de flexão calculada (MPa)
mn é o módulo normal (mm)
YF = fator de forma, YS = fator de correção de tensão, Yβ = fator de ângulo da hélice, YB = fator de largura da face
σFP é a tensão de flexão admissível (MPa), calculada como:

Se o número de unidades de controlo for igual ou superior a 0,5, o número de unidades de controlo deve ser igual ou superior a 0,6 e o número de unidades de controlo deve ser igual ou superior a 0,6.

(σFlim = limite de fadiga por dobragem dos engrenagens de ensaio; YN = fator de vida; YδrelT = fator de sensibilidade relativa do filete de raiz do dente; YRrelT = fator de condição relativa da superfície; YX = fator de tamanho;SFmin = fator mínimo de segurança)

3Verificação da capacidade de carga

3.1 Condições de verificação básicas

Resistência à fadiga por contacto: σH ≤ σHP
Resistência à fadiga: σF ≤ σFP

3.2 Verificação das condições especiais de trabalho

Verificação da sobrecarga de curta duração (tendo em conta a carga máxima instantânea), da carga de impacto (introduzindo o fator de carga dinâmica), das condições de alta temperatura (tomando em conta as alterações do desempenho do material),A redução do consumo de combustível é essencial em condições de carga pesada e de baixa velocidade (centrada na deformação plástica).

3.3 Influência dos principais factores

Parâmetros geométricos: o módulo melhora significativamente a resistência à curvatura; o número de dentes afeta o raio de curvatura e o fator de forma (recomenda-se o pinónio z1 ≥ 17-20);largura da face melhora linearmente ambas as forças (factor de largura da face ψ_d = 0.8-1.4); o ângulo da hélice aumenta o comprimento do contato (β = 8°-15°); o coeficiente de deslocamento do perfil otimiza o caminho do contato.
Materiais e processos: o carburizamento e o resfriamento (para cargas elevadas), o endurecimento por indução (para cargas médias) e o resfriamento e o temperamento (para cargas gerais) são tratamentos térmicos comuns;O peeling aumenta o limite de fadiga.O revestimento da superfície melhora a resistência ao desgaste e a moagem/poluição reduz a rugosidade.