foto de cortesia Emerson Power Transmission Corp. As engrenagens são encontradas em tudo, desde carros a relógios.
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p Engrenagens são usadas em toneladas de dispositivos mecânicos. Eles fazem vários trabalhos importantes, mas o mais importante, eles fornecem uma redução de engrenagem em equipamentos motorizados. Isso é fundamental porque, muitas vezes, um pequeno motor girando muito rápido pode fornecer energia suficiente para um dispositivo, mas não torque suficiente. Por exemplo, uma chave de fenda elétrica tem uma redução de engrenagem muito grande porque precisa de muito torque para girar os parafusos, mas o motor produz apenas uma pequena quantidade de torque em alta velocidade. Com uma redução de marcha, a velocidade de saída pode ser reduzida enquanto o torque é aumentado.
p A seguir
Fórum HowStuffWorks:Será que algum dia vamos parar de precisar de engrenagens em nossas máquinas?
Questionário de equipamentos
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Como funcionam as bicicletas
p Outra coisa que as engrenagens fazem é ajustar a direção de rotação. Por exemplo, no diferencial entre as rodas traseiras do seu carro, a força é transmitida por um eixo que desce no centro do carro, e o diferencial tem que girar essa potência 90 graus para aplicá-la às rodas.
p Existem muitos meandros nos diferentes tipos de engrenagens. Neste artigo, aprenderemos exatamente como funcionam os dentes das engrenagens, e falaremos sobre os diferentes tipos de engrenagens que você encontra em todos os tipos de dispositivos mecânicos.
Conteúdo
Fundamentos
Spur Gears
Engrenagens helicoidais
Engrenagens cônicas
Engrenagens sem-fim
Engrenagens de cremalheira e pinhão
Conjuntos de engrenagens planetárias e relações de engrenagens
Detalhes sobre Perfis de Engrenagens Involutas
Fundamentos
p Em qualquer marcha, a relação é determinada pelas distâncias do centro da engrenagem ao ponto de contato. Por exemplo, em um dispositivo com duas engrenagens, se uma engrenagem tiver o dobro do diâmetro da outra, a proporção seria 2:1.
p Um dos tipos mais primitivos de engrenagem que poderíamos ver seria uma roda com pinos de madeira saindo dela.
p O problema com esse tipo de engrenagem é que a distância do centro de cada engrenagem até o ponto de contato muda conforme as engrenagens giram. Isso significa que a relação de engrenagem muda conforme a engrenagem gira, o que significa que a velocidade de saída também muda. Se você usou uma engrenagem como esta em seu carro, seria impossível manter uma velocidade constante - você estaria acelerando e desacelerando constantemente.
p Muitas engrenagens modernas usam um perfil de dente especial chamado de involuir . Esse perfil tem a propriedade muito importante de manter uma relação de velocidade constante entre as duas marchas. Como a roda dentada acima, o ponto de contato se move; mas a forma do dente da engrenagem envolvente compensa esse movimento. Veja esta seção para detalhes.
p Agora, vamos dar uma olhada em alguns dos diferentes tipos de engrenagens.
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Spur Gears
Foto cedida por Emerson Power Transmission Corp. Figura 2. Engrenagens retas p Engrenagens retas são os tipos de engrenagens mais comuns. Eles têm dentes retos, e são montados em eixos paralelos. As vezes, muitas engrenagens retas são usadas ao mesmo tempo para criar grandes reduções de marcha.
p Engrenagens retas são usadas em muitos dispositivos que você pode ver em todo o HowStuffWorks, como a chave de fenda elétrica, monstro dançante, aspersor oscilante, despertador de corda, máquina de lavar e secadora de roupas. Mas você não encontrará muitos em seu carro.
p Isso ocorre porque a engrenagem reta pode ser muito barulhenta. Cada vez que um dente de engrenagem engata um dente na outra engrenagem, os dentes colidem, e esse impacto faz barulho. Também aumenta a tensão nos dentes da engrenagem.
p Para reduzir o ruído e o estresse nas engrenagens, a maioria das engrenagens do seu carro são helicoidal .
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Engrenagens helicoidais
Foto cedida por Emerson Power Transmission Corp. Figura 3. Engrenagens helicoidais p Os dentes engrenagens helicoidais são cortados em um ângulo em relação à engrenagem. Quando dois dentes em um sistema de engrenagem helicoidal engatam, o contato começa em uma extremidade do dente e gradualmente se espalha conforme as engrenagens giram, até que os dois dentes estejam totalmente engatados.
p Esse engate gradual faz com que as engrenagens helicoidais operem de forma muito mais suave e silenciosa do que as engrenagens de dentes retos. Por esta razão, engrenagens helicoidais são usadas em quase todas as transmissões de automóveis.
p Por causa do ângulo dos dentes nas engrenagens helicoidais, eles criam uma carga de impulso na engrenagem quando se encaixam. Dispositivos que usam engrenagens helicoidais têm rolamentos que podem suportar essa carga de empuxo.
p Uma coisa interessante sobre engrenagens helicoidais é que se os ângulos dos dentes da engrenagem estiverem corretos, eles podem ser montados em eixos perpendiculares, ajustando o ângulo de rotação em 90 graus.
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Foto cedida por Emerson Power Transmission Corp. Figura 4. Engrenagens helicoidais cruzadas
Engrenagens cônicas
p Engrenagens cônicas são úteis quando a direção de rotação de um eixo precisa ser alterada. Eles geralmente são montados em eixos com 90 graus de distância, mas pode ser projetado para funcionar em outros ângulos também.
p Os dentes nas engrenagens cônicas podem ser em linha reta , espiral ou hipóide . Os dentes retos da engrenagem cônica, na verdade, têm o mesmo problema que os dentes retos da engrenagem reta - à medida que cada dente engata, ela afeta o dente correspondente de uma vez.
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Foto cedida por Emerson Power Transmission Corp. Figura 5. Engrenagens cônicas
p Assim como com engrenagens retas, a solução para este problema é curvar os dentes da engrenagem. Esses dentes espirais engatam como os dentes helicoidais:o contato começa em uma extremidade da engrenagem e se espalha progressivamente por todo o dente.
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Foto cedida por Emerson Power Transmission Corp. Figura 6. Engrenagens cônicas espirais
p Em engrenagens cônicas retas e espirais, os eixos devem ser perpendiculares entre si, mas eles também devem estar no mesmo plano. Se você estender os dois eixos além das engrenagens, eles se cruzariam. o engrenagem hipóide , por outro lado, pode se envolver com os eixos em planos diferentes.
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Figura 7. Engrenagens cônicas hipóides em um diferencial de carro
p Esse recurso é usado em muitos diferenciais de automóveis. A coroa do diferencial e a engrenagem do pinhão de entrada são hipóides. Isso permite que o pinhão de entrada seja montado abaixo do eixo da coroa. Figura 7 mostra o pinhão de entrada engatando na coroa do diferencial. Uma vez que o eixo de transmissão do carro está conectado ao pinhão de entrada, isso também abaixa o eixo de transmissão. Isso significa que o eixo de transmissão não se intromete tanto no compartimento do passageiro do carro, abrindo mais espaço para pessoas e cargas.
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Engrenagens sem-fim
Foto cedida por Emerson Power Transmission Corp. Figura 8. Engrenagem sem-fim p Engrenagens sem-fim são usados quando grandes reduções de marcha são necessárias. É comum que as engrenagens sem-fim tenham reduções de 20:1, e até 300:1 ou mais.
p Muitas engrenagens sem-fim têm uma propriedade interessante que nenhum outro conjunto de engrenagens tem:o sem-fim pode facilmente girar a engrenagem, mas a engrenagem não pode girar o sem-fim. Isso ocorre porque o ângulo do sem-fim é tão raso que, quando a engrenagem tenta girá-lo, o atrito entre a engrenagem e o sem-fim mantém o sem-fim no lugar.
p Este recurso é útil para máquinas como sistemas de transporte, em que o recurso de travamento pode atuar como um freio para o transportador quando o motor não está girando. Um outro uso muito interessante de engrenagens sem-fim é no diferencial Torsen, que é usado em alguns carros e caminhões de alto desempenho.
Engrenagens de cremalheira e pinhão
Figura 9. Engrenagens de cremalheira e pinhão em escala doméstica p Engrenagens de cremalheira e pinhão são usados para converter a rotação em movimento linear. Um exemplo perfeito disso é o sistema de direção de muitos carros. O volante gira uma engrenagem que engata a cremalheira. Conforme a marcha gira, desliza o rack para a direita ou esquerda, dependendo de como você gira o volante.
p Engrenagens de cremalheira e pinhão também são usadas em algumas escalas para girar o botão que exibe seu peso.
Conjuntos de engrenagens planetárias e relações de engrenagens
p Qualquer conjunto de engrenagens planetárias tem três componentes principais:
o Engrenagem solar
o engrenagens do planeta e as engrenagens do planeta ' operadora
o engrenagem de anel
p Cada um desses três componentes pode ser a entrada, a saída ou pode ser mantida estacionária. A escolha de qual peça desempenha qual função determina a relação de transmissão do conjunto de engrenagens. Vamos dar uma olhada em um único conjunto de engrenagens planetárias.
p Um dos conjuntos de engrenagens planetárias da nossa transmissão possui uma coroa com 72 dentes e uma engrenagem solar com 30 dentes. Podemos obter muitas relações de marcha diferentes com este conjunto de engrenagens.
Entrada Saída Estacionário Cálculo Relação de Engrenagens UMA Sol ( S ) Planet Carrier ( C ) Anel ( R ) 1 + R / S 3,4:1 B Planet Carrier ( C ) Anel ( R ) Sol ( S ) 1 / (1 + S / R) 0,71:1 C Sol ( S ) Anel ( R ) Planet Carrier ( C ) -R / S -2,4:1 p Também, travar quaisquer dois dos três componentes juntos travará todo o dispositivo em uma redução de marcha 1:1. Observe que a primeira relação de engrenagem listada acima é um redução - a velocidade de saída é mais lenta do que a velocidade de entrada. O segundo é um overdrive - a velocidade de saída é mais rápida do que a velocidade de entrada. A última é uma redução novamente, mas a direção de saída é invertida. Existem várias outras proporções que podem ser obtidas com este conjunto de engrenagens planetárias, mas estes são os que são relevantes para a nossa transmissão automática. Você pode experimentá-los na animação abaixo:
p Portanto, esse único conjunto de engrenagens pode produzir todas essas diferentes relações de marcha sem ter que engatar ou desengatar nenhuma outra marcha. Com dois desses conjuntos de engrenagens em uma fileira, podemos obter as quatro marchas à frente e uma marcha à ré de que nossa transmissão precisa. Vamos colocar os dois conjuntos de engrenagens juntos na próxima seção.
Detalhes sobre Perfis de Engrenagens Involutas
p Em um perfil involuto dente de engrenagem, o ponto de contato começa mais perto de uma marcha, e conforme a engrenagem gira, o ponto de contato se afasta dessa engrenagem e se move em direção à outra. Se você seguir o ponto de contato, descreveria uma linha reta que começa perto de uma marcha e termina perto da outra. Isso significa que o raio do ponto de contato fica maior à medida que os dentes se encaixam.
p o diâmetro do passo é o diâmetro de contato efetivo. Uma vez que o diâmetro de contato não é constante, o diâmetro do passo é realmente a distância média de contato. Quando os dentes começam a se encaixar, o dente da engrenagem superior entra em contato com o dente da engrenagem inferior dentro do diâmetro do passo. Mas observe que a parte do dente da engrenagem superior que entra em contato com o dente da engrenagem inferior é muito estreita neste ponto. Conforme as engrenagens giram, o ponto de contato desliza para cima na parte mais espessa do dente da engrenagem superior. Isso empurra a marcha superior para a frente, portanto, compensa o diâmetro de contato ligeiramente menor. À medida que os dentes continuam a girar, o ponto de contato se afasta ainda mais, indo para fora do diâmetro do passo - mas o perfil do dente inferior compensa esse movimento. O ponto de contato começa a deslizar para a parte fina do dente inferior, subtraindo um pouco da velocidade da marcha superior para compensar o aumento do diâmetro de contato. O resultado final é que, embora o diâmetro do ponto de contato mude continuamente, a velocidade permanece a mesma. Portanto, um dente de engrenagem de perfil evolvente produz um relação constante da velocidade de rotação .
