Redutor de Parafuso Sem-fim Roda de Coroa

DESENHO TCNICO

Aulas prticas laboratoriais

REDUTOR DE

PARAFUSO SEM-FIM / RODA DE COROA

Jos Antnio Almacinha

Seco de Desenho Industrial Departamento de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2002

J.S.Almacinha-2002 1

1 - Funes e Campos de Aplicao

O fornecimento de energia mecnica generalidade dos sistemas de produo, utilizados nos mais diversos tipos de indstrias, efectuado, normalmente, sob a forma de um binrio motor e de um movimento de rotao (Potncia: P = Mt = Mt 2 pipipipi n / 60 [kW]). O accionamento dos sistemas de produo pode ser realizado por intermdio de diferentes tipos de mquinas motrizes (motores elctricos, de combusto interna, turbomquinas), tornando-se, geralmente, necessrio intercalar uma transmisso mecnica que permita modificar as caractersticas dinmicas da energia motriz disponibilizada, de modo a que, no final, se obtenham as foras e os movimentos necessrios (fora e deslocamento linear ou momento torsor e deslocamento angular) efectivao das operaes requeridas nos diferentes processos de transformao dos produtos.

A transmisso de potncia mecnica entre veios, com uma disposio no coaxial, pode ser materializada atravs de mecanismos de transmisso por correias, por cabos, por correntes, por rodas de atrito ou por engrenagens. Uma definio geral dos campos preferenciais de utilizao de cada um daqueles dispositivos encontra-se disponvel na literatura tcnica da especialidade, [1, 2].

As transmisses mecnicas por engrenagens (pares de rodas dentadas) constituem a soluo tcnica com um carcter mais universal, podendo ser aplicadas entre veios paralelos, veios concorrentes ou veios no complanares. Os sistemas de engrenamento podem transmitir toda a gama de potncias, desde micropotncias, prprias de aparelhos de medio, por exemplo, at elevadas potncias, tais como as instaladas nos grandes navios, trabalhando, tambm, com frequncias de rotao e razes de transmisso (quociente da velocidade angular da roda mandante pela velocidade angular da roda mandada) que podem atingir valores muito significativos. Distinguem-se, ainda, por possurem uma baixa relao peso / potncia, pela transmisso de foras sem escorregamento relativo dos perfis dentados, no ponto de tangncia dos respectivos crculos primitivos (razo de transmisso constante e independente do carregamento), garantindo assim uma boa preciso dos movimentos de rotao, pela sua durabilidade e segurana de funcionamento, pela sua resistncia s sobrecargas e diminuta manuteno, pelo seu reduzido atravancamento e elevado rendimento, embora, se registe, tambm, a existncia de algumas excepes. Por outro lado, deve assinalar-se o seu custo mais elevado, bem como, um maior nvel sonoro de funcionamento e uma transmisso relativamente mais rgida, quando comparados com outros dispositivos de transmisso.

Com base na posio relativa dos eixos das rodas dentadas conjugadas, as diferentes engrenagens existentes so classificadas, normalmente, em trs tipos principais: engrenagens paralelas (ou cilndricas), concorrentes (ou cnicas) e esquerdas. Na tabela 1.1, apresenta-se um resumo, no exaustivo, dos diferentes tipos de engrenagens, indicando-se, adicionalmente, valores limite nominais de algumas das suas principais caractersticas de funcionamento.


Tabela 1.1 - Diferentes tipos de engrenagens.

ENGRENAGENS PARALELAS OU CILNDRICAS (EIXOS PARALELOS) DENTADO RECTO DENTADO HELICOIDAL OBSERVAES

Para mecanismos com um ou mais andares de transmisso e com as seguintes caractersticas limites nominais:

Razes de transmisso at 8:1 (10:1), por andar. Potncias at 15 000 kW a 22 400 kW. Velocidades tangenciais no primitivo de funcionamento at 150 a 200 m/s. O rendimento, por andar, situa-se entre 95% e 99% (98%).

ENGRENAGENS CONCORRENTES OU CNICAS (EIXOS CONCORRENTES) DENTADO RECTO DENTADO INCLINADO DENTADO ESPIRAL OBSERVAES

Para razes de transmisso at 6:1 (8:1). Potncias at 370 (recto) a 740 kW (inclinado). Velocidades tangenciais no primitivo de funcion. at 50 a 75 (150) m/s. Para aumentar a capaci-dade de carga (at 3 700 kW) e o rendimento, diminuindo o rudo, utili-zam-se dentes espirais. O rendimento idntico ao das engrenagens cilndricas (97% a 99%).

ENGRENAGENS ESQUERDAS (EIXOS NO COMPLANARES) DENTADO HELICOIDAL PARAFUSO SEM-FIM / RODA DE COROA DENTADO HIPIDE

OBSERVAES: Razes de transmisso at 5:1 e pequenos entreeixos, mas tambm (20:1 a 100:1). Para a transmisso de baixas potncias (at 75 kW), pois o contacto entre dentes inicial do tipo pontual. Veloc. tangenciais no primitivo de funcionamento at 25 a 50 m/s. Os rendimentos aproximam-se dos registados nas engrenagens cilndricas helicoidais (at 95%).

Razes de transmisso de 10:1 at 60:1 (100:1). Potncias at 560 a 750 kW. Velocidades tangenciais no primitivo de funcionamento at 60 a 70 m/s. O rendimento situa-se entre 45% e 95%, sendo superior para menores razes de transmisso. Baixos nveis de rudo e de vibraes.

Razes de transmisso at 10:1, (20:1 a 100:1), pois o nmero de dentes do pinho pode descer at 5. Para pequenas distncias entre eixos, com uma reduo de rudo. Potncias at 740 kW. Veloc. tang. no prim. de func. at 40 a 75 m/s. Rendimentos ligeiramente inferiores aos registados nas engrenagens cnicas, desde (60%) at 85% a 95% e um aquecimento um pouco mais elevado.


Assinala-se, no entanto, a existncia de muitos casos de aplicao em que as condies de operao no permitem atingir os limites indicados e de alguns outros que, por sua vez, funcionam com valores substancialmente superiores, [1, 3, 4, 5, 6, 7].

As engrenagens de parafuso sem-fim / roda de coroa (ver tambm o livro DTB-3, pp. 299), objecto de anlise neste trabalho, so utilizadas entre eixos no complanares, para transmisses de um s andar de reduo, com razes de transmisso at 60:1 (em casos extremos, at 100:1), embora o limite econmico da razo de transmisso se situe para i 50:1, valor acima do qual se aconselha a utilizao de dois andares de reduo [4]. O rendimento de cada andar de reduo situa-se, normalmente, entre 95% e 45%, diminuindo com o aumento da razo de transmisso e com a diminuio da velocidade de escorregamento. So mais silenciosas e amortecem melhor as vibraes do que qualquer outro tipo de transmisso por engrenagens e, comparativamente s engrenagens cilndricas de eixos paralelos, so, em geral, mais pequenas e mais fceis de fabricar e, para grandes razes de transmisso, so, tambm, mais baratas. Por outro lado, relativamente s engrenagens cnicas descentradas (ex: hipides), tm um maior comprimento da linha de contacto. Em relao s engrenagens esquerdas de dentado helicoidal, possuem maior resistncia mecnica e maior rendimento, uma vez que o contacto entre os seus dentes do tipo linear e o daquelas apenas do tipo pontual. Este tipo de engrenagens podem ser dimensionadas para potncias nominais at, aproximadamente, P = 750 a 1050 kW, com a roda de coroa, com dimetros que podem ser mesmo superiores a 2 m, submetida a um momento torsor at Mt = 25x104 (e mesmo 70x104) N m e a uma fora nominal tangencial de 8x105 N; as frequncias de rotao do parafuso sem-fim podem atingir as 40 000 rpm, com velocidades tangenciais no primitivo de funcionamento at 70 m/s.

Os redutores de parafuso sem-fim / roda de coroa so sistemas conversores de binrio, baseados neste tipo de engrenagens, que trabalham quase sempre como redutores de velocidade e multiplicadores de binrio. As suas caractersticas mais importantes so as seguintes:

- Os eixos so no complanares fazendo entre si, normalmente, um ngulo de 90. - O escorregamento entre os flancos dos dentes, por um lado, contribui para a suavidade do

funcionamento e para o abaixamento do nvel de rudo mas, por outro, obriga a cuidados especiais relativamente ao estado de superfcie dos flancos dos dentes e sua lubrificao, para limitar a potncia perdida e o desgaste.

- O funcionamento do conversor como multiplicador de velocidade (accionamento a partir da roda de coroa) est sujeito a restries geomtricas que podem mesmo originar a irreversibilidade do sistema.

- A gama muito larga de razes de transmisso i =1:1 at 100:1 (em reduo) e i =1:1 at 15:1 (em multiplicao).

- Um rendimento elevado (at 98%) s atingido em condies especiais. Diminui fortemente com ngulos de inclinao da hlice do parafuso baixos, quando o conversor


trabalha como multiplicador, bem como para velocidades de escorregamento baixas e configuraes reduzidas (abaixo de 50%).

- A carga nominal total transmitida elevada, devido ao contacto linear entre os flancos dos dentes e existncia de vrios pares de dentes simultaneamente em contacto (geralmente entre dois e quatro).

Actualmente, os redutores de parafuso sem-fim / roda de coroa utilizam-se, mesmo, para o campo de razes de transmisso de i = 1:1 a 5.1 (em reduo), que permite a transmisso de grandes potncias com um elevado rendimento, podendo associar-se vrias destas engrenagens em srie ou acoplar-se, antes ou depois, engrenagens cilndricas, para atingir maiores razes de transmisso com rendimentos elevados.

Com vista a reduzir o nmero de ferramentas de fabricao e facilitar as consideraes relativas optimizao do projecto de uma engrenagem eficiente, existem diferentes normas (ex: DIN 3976) que especificam um pequeno nmero de parafusos sem-fim com grandes capacidades de carga e com pr-requisitos de fabricao que substituem com vantagem uma multiplicidade de concepes, cobrindo um largo campo de razes de transmisso e de entreeixos. Os entreeixos normalizados (ISO/DIS 10347) esto compreendidos entre a = 25 e 500 (srie de nmeros normais R10 para a 125 e srie R20 para valores superiores). As razes de transmisso correntes situam-se entre 5:1 e 100:1. O nmero de dentes da roda de coroa z2 no deve ser inferior a 20, estando limitado superiormente pelo valor da razo de transmisso mxima admissvel. Por sua vez, os mdulos (mdulo axial do parafuso mx1 = mdulo transversal da roda mt2) m = p / pipipipi (DTB-3, p.299) so escolhidos entre os nmeros da srie R10, enquanto os dimetros primitivos d dos parafusos so da srie R40.

O parafuso sem-fim e a roda de coroa tm o mesmo sentido da hlice. Quando o ngulo de inclinao da hlice do parafuso 1 < 5 (1 > 85), a engrenagem praticamente irreversvel (estaticamente), ou seja, no pode funcionar como multiplicadora com o accionamento realizado atravs da roda mas, no entanto, em termos dinmicos, deve verificar-se a condio de tan 1 < , sendo o coeficiente de atrito entre os materiais do parafuso e da roda, para garantir uma irreversibilidade efectiva.


As hlices (filetes) do parafuso podem ter vrias formas, sendo, no entanto, o perfil trapezoidal o mais corrente. O parafuso pode ter uma ou vrias entradas (hlices), normalmente z1 = 1 a 5, embora possa atingir 10 ou mais. Quanto menor for a razo de transmisso i = z2 / z1 = n1 / n2 requerida, maior deve ser o nmero de entradas especificado.

Em redutores de parafuso sem-fim / roda de coroa, so possveis vrios tipos de associao de rodas:

a) - Parafuso cilndrico (o mais utilizado) associado a uma roda globide (hlice descrita sobre uma superfcie toroidal).

b) - Parafuso globide associado a uma roda cilndrica. c) - Parafuso globide associado a uma roda globide.

Os parafusos globides permitem transmitir esforos importantes, devido ao maior nmero de filetes simultaneamente engrenados, mas isso d origem a um atrito mais intenso, com a reduo do rendimento da engrenagem.

O dimensionamento de um redutor de parafuso sem-fim / roda de coroa pode ser realizado a partir da especificao de um entreeixo e de uma razo de transmisso, a partir das caractersticas conhecidas de um parafuso sem-fim adoptado ou a partir das condies de funcionamento impostas (potncia transmitida, frequncias de rotao de entrada e de sada, vida provvel, etc.).

Entre os vrios domnios de aplicao, dos redutores de parafuso sem-fim / roda de coroa, podem citar-se: Transportadores contnuos, elevadores, guinchos e guindastes, prticos e pontes rolantes, mquinas txteis, sistemas de comando de direco de navios, bombas centrfugas, mquinas-ferramenta, vrios sistemas de veculos, etc.


2 - Descrio Funcional

Acompanhe a leitura deste captulo com a consulta do desenho n RSF-1, RSF-2, RSF-3, RSF-4, RSF-5, RSF-6, RSF-7, RSF-8 ou RSF-9, conforme o caso em anlise, fornecidos em anexo.

Este tipo de conversores de binrio , basicamente, constitudo por um corpo (crter) (6) que aloja e suporta uma engrenagem (ou mais) de parafuso sem-fim (4) e roda de coroa (19), (12, no RSF-3), com o parafuso e o veio (13) da roda apoiados em rolamentos de esferas de contacto angular ou de rolos cnicos, quando os esforos radiais e axiais transmitidos so significativos, ou em rolamentos de esferas rgidos e casquilhos, quando os esforos so reduzidos, e que, por sua vez, em ambos os casos, podem estar alojados em furos existentes no corpo ou em tampas, que encaixam ajustadas no corpo, sendo fixadas a este por intermdio de parafusos. Estas tampas, que obturam as aberturas por onde so introduzidos os vrios componentes no interior corpo, servem tambm de posicionadores axiais dos rolamentos. O cubo da roda de coroa est solidarizado em rotao com o veio (13), atravs de uma chaveta paralela (pino elstico 14, no RSF-3).

A maioria destes conversores trabalham como redutores de velocidade e multiplicadores de binrio, sendo, portanto, o accionamento efectuado a partir da ponta de veio do parafuso sem-fim. Alguns deles esto preparados (vrios tipos de patas e respectivas furaes no crter) para poderem ser montados em diferentes posies (entrada e sada horizontais, entrada horizontal e sada vertical, entrada vertical e sada horizontal).

O corpo tem, tambm, como funo servir de reservatrio de leo lubrificante (massa lubrificante, para velocidades baixas), estando equipado com tacos, tambm designados por bujes ou tampes (parafusos sem cabea apropriados), de enchimento (com respiro), de purga e de nvel de leo. De acordo com o tipo de montagem adoptado, deve utilizar-se um posicionamento apropriado para o taco com respiro. O arrefecimento necessrio deste equipamento, em virtude do calor gerado pelas perdas de energia por atrito entre os vrios componentes mveis, incrementado pela existncia de alhetas no crter (em alguns dos casos em anlise) que permitem aumentar a superfcie de transferncia de calor com o exterior, podendo essas trocas serem foradas pela existncia de uma ventoinha montada na extremidade no operacional do parafuso.


3 - Instrues de Desmontagem

Siga cuidadosamente as instrues seguintes, de modo a garantir a integridade dos diferentes componentes do conjunto e retire as notas que achar necessrias para permitir efectuar, posteriormente, uma correcta sequncia de montagem.

1 - Retire, com o auxlio de um alicate e de uma chave de fenda, as chavetas, eventualmente existentes nas pontas de veio, ou qualquer outro componente de transmisso a acoplado.

2 - Desaperte os vrios parafusos que permitem fixar as diferentes tampas dos furos dos alojamentos dos veios ou (conforme o exemplar) quaisquer outros elementos de posicionamento axial das rodas.

3 - Conforme o exemplar em anlise e aps a retirada de uma das tampas, pressione uma das extremidades dos veios do parafuso ou da roda, com o auxlio de umas pancadas dadas com o mao, para libertar os rolamentos dos apoios. Atendendo a que este trabalho didctico, os diferentes conjuntos foram preparados de forma a que, pelo menos, um rolamento de cada tipo possa ser total e facilmente desmontado.

4 - Retire, a roda de coroa (19) (ou 12, no RSF-3) e o parafuso sem-fim (4) do interior do corpo (6).

5 - Se possvel, desmonte a roda de coroa do seu veio de apoio (13).

Nota: Neste trabalho, quando existam retentores (5) nas tampas de sada das pontas de veio, no devem ser da desmontados, para evitar a sua danificao, uma vez a sua montagem foi realizada sob alguma presso. Por outro lado, deve ter-se em conta que alguns ajustamentos entre peas foram aliviados para permitir uma desmontagem mais fcil desses componentes.


4 - Anlise das solues construtivas e de alguns componentes

Em primeiro lugar, aproveite a desmontagem dos componentes do conjunto para identificar e observar as solues construtivas utilizadas.

Perfil das hlices do parafuso sem-fim

O perfil mais corrente das hlices dos parafusos o trapezoidal, bastante adequado para rgos de transmisso de movimento. Em aplicaes para a transmisso de cargas muito baixas encontram-se, por vezes, parafusos com hlices de perfil triangular. Esta soluo pobre, pois este tipo de perfil origina um fraco rendimento da engrenagem, resultante da aco das reaces de atrito actuantes.

Apoios dos veios

Nas caixas redutores para transmisso de potncias que induzam foras de engrenamento com componentes radiais e axiais significativas, utilizam-se, geralmente, rolamentos de rolos cnicos e de esferas com contacto angular para o apoio dos veios.

Ajustamentos entre peas

Observe como elementos geomtricos, de peas distintas, com as mesmas dimenses nominais tm ligaes directas entre si, com caractersticas distintas, em resultado de uma escolha criteriosa das tolerncias especificadas para a dimenses dos elementos-furo e dos elementos-veio (ex: ajustamento deslizante justo entre os ressaltos das tampas e os furos do corpo e ajustamento (ligeiramente) preso entre os anis exteriores dos rolamentos e os seus furos alojadores; ajustamentos fortemente presos entre os anis interiores dos rolamentos e os tramos de veio respectivos e entre o cubo da roda de coroa e o veio.

Parafuso mandante (hlice direita)

Aco do parafuso sobre a roda

Esforos nos veios e nos apoios

Roda de coroa (hlice direita)


Elementos de vedao

Os retentores (16) e (23), (nos casos em que se aplica) so juntas de vedao de atrito radial constituda por um material elastmero, uma armadura e uma mola de ao. As condies limite de funcionamento correntes so: presso mxima de 1 a 10 bar (0,1 a 1 MPa); temperaturas entre 35 C e +120 C; velocidade circunferencial mxima na zona de atrito: 8 m/s.

Materiais

O parafuso sem-fim , normalmente, construdo em ao de liga (cementado, temperado e rectificado), enquanto a roda de coroa de bronze, por vezes montada num canho (de ferro fundido ou de ao). A escolha destes materiais prende-se com o facto de o coeficiente de atrito de escorregamento entre eles ( 0,074, sem rodagem e 0,070, com rodagem) ser menor do que o verificado em combinaes de outros materiais diferentes. O parafuso sem-fim construdo num material mais resistente do que o utilizado na roda, devido s razes de transmisso elevadas, geralmente, utilizadas.

O crter de ferro fundido (ou de alumnio, quando os esforos transmitidos so reduzidos) garantindo uma robustez e uma suavidade do funcionamento, nomeadamente por possuir boas caractersticas de amortecimento de vibraes e rudo.

Lubrificao

Para pequenas velocidades tangenciais (vt = 0,8 m/s) pode utilizar-se massa lubrificante. Nas aplicaes correntes, a lubrificao faz-se por chapinagem de leo. A roda est banhada no leo depositado no fundo do corpo at ao limite do indicador de nvel, sendo arrastado por ela at zona de engrenamento. A velocidade de rotao da roda banhada no deve ser muito elevada (no mximo, 10 a 15 m/s) para evitar a expulso do leo para o exterior, por aco da fora centrfuga, e o seu aquecimento por agitao, com a consequente diminuio da sua viscosidade e das correspondentes propriedades lubrificantes. Estes factos podem determinar a mudana do parafuso de uma posio inferior para uma superior.

Produo dos dentados do parafuso e da roda de coroa

Os parafusos sem-fim podem ser abertos no torno mecnico, talhados com uma fresa de disco, ou talhados por gerao com um buril-pinho. Por sua vez, as rodas de coroa so talhadas por gerao com uma fresa-me.


5 - Instrues de Montagem

Efectue a montagem do redutor de parafuso sem-fim, em estudo, tendo em conta as anotaes retiradas durante a desmontagem.

6 - Referncias

[1] - NIEMANN, G. - Elementos de Mquinas. S. Paulo: Ed. Edgard Blucher Ltd, 1971. [2] - MANF, G.; POZZA, R.; SCARATO, G. - Desenho Tcnico Mecnico. S. Paulo: Hemus-

Livraria Edit. Ltda, vol.3, 1977. [3] - BINDER, S.; KINGSTON, L. - Tipos Funcionales de Engranes. In "Manual de

Engrenajes". Edit. D.W. Dudley. Mxico: Comp. Edit. Continental S.A., 1973, cap. 2, p. 47-59.

[4] - HENRIOT, G. - Trait Thorique et Prtique des Engrenages. 6 ed. Paris: Dunod,1979, tome I.

[5] - STIPKOVIC FILHO, M. - Engrenagens: geometria, dimensionamento, controle, gerao, ensaios. Rio de Janeiro: Edit. Guanabara S.A.,1983.

[6] - DUDLEY, D.W. - Disposicion de los Engranes. In "Manual de Engrenajes". Edit. D.W. Dudley. Mxico: Comp. Edit. Continental S.A., 1973, cap. 3, p. 61-99.

[7] - DRAGO, R.J. - Fundamentals of Gear Design. USA: Butterworths,1988.

7 - Normalizao

ISO/DIS 1122-2: 1998 - Vocabulary of gear terms -- Part 2: Definitions related to worm gear geometry. ISO.

ISO 2203: 1973 - Dessins techniques -- Representation conventionnelle des engrenages. ISO. ISO/DIS 10347: 1998 - Worm gears -- Geometry of worms -- Name plates, centre distances,

information to be supplied to gear manufacturer. ISO. ISO/DTR 10828 - Geometry of profiles for worm gears. ISO. DIN 780-2: 1977 - Series of Modules for Gears; Modules for cylindrical worm gear

transmissions. DIN. DIN 3976: 1980 - Cylindrical Worms; Dimensions, Correlation of shaft Centre Distances and

Gear Ratios of Worm Gear Drives. DIN.

8 - Anexos

Desenhos de redutores de parafuso sem-fim / roda de coroa ns RSF-1, RSF-2, RSF-3, RSF-4, RSF-5, RSF-6, RSF-7, RSF-8 e RSF-9 (elaborados por J. O. Fonseca). Algumas pginas de catlogos relativos a alguns dos exemplares de redutores de parafuso sem-fim / roda de coroa em estudo.

Documents

Redutor de Parafuso Sem-fim Roda de Coroa