Acoplamentos elastoméricos: como funcionam, tipos e guia de seleção

O que é um acoplamento elastomérico

Aperte um bloco de poliuretano entre duas mandíbulas de aço, parafuse-o em um par de eixos e você terá o núcleo funcional de um acoplamento elastomérico. O projeto parece simples demais para uso industrial, mas esses acoplamentos transportam rotineiramente centenas de Nm de torque em bombas, ventiladores e acionamentos de transportadores 24 horas por dia.

Um acoplamento elastomérico conecta dois eixos rotativos usando cubos metálicos em cada extremidade e um elemento flexível não metálico – geralmente borracha ou poliuretano – imprensado entre eles. O elastômero realiza três funções ao mesmo tempo: transporta o torque do eixo motor para o eixo acionado, flexiona para absorver pequenas quantidades de desalinhamento do eixo e amortece o trem de força contra vibrações e cargas de choque. Essa combinação é a razão pela qual os projetos elastoméricos dominam as conexões motor-bomba e motor-ventilador de uso geral, onde o alinhamento perfeito do eixo raramente é prático e um pouco de perdão integrado economiza os rolamentos.

Como os acoplamentos elastoméricos transmitem o torque

O torque não passa pelo contato metal-metal nesses acoplamentos – ele passa pelo elastômero, e a forma como isso acontece divide a categoria em duas famílias.

Projetos carregados de compressão , como nos acoplamentos de mandíbula e aranha, aperte o elemento flexível entre as saliências interligadas em cada cubo. À medida que o cubo motriz gira, suas saliências pressionam os lóbulos da aranha, que por sua vez empurram as saliências do cubo acionado. O elemento nunca é esticado ou cisalhado, apenas comprimido, o que distribui a tensão por uma superfície maior e tende a prolongar a vida útil.

Projetos carregados de cisalhamento , como acoplamentos tipo pino e bucha ou tipo pneu, trabalham o elastômero em um movimento de torção ou flexão, em vez de pura compressão. Esta geometria muitas vezes permite um caminho flexível maior e maior capacidade de desalinhamento, ao custo de uma densidade de torque de pico um pouco menor em comparação com os tipos de compressão.

A maioria dos acoplamentos elastoméricos também possuem uma margem de segurança incorporada: se o elemento flexível se desgastar ou falhar, os recursos do cubo metálico em muitos projetos fazem um breve contato mecânico, permitindo que o torque continue fluindo com capacidade reduzida por tempo suficiente para um desligamento controlado, em vez de uma perda repentina de acionamento.

Tipos comuns de acoplamento elastomérico

Nem todos os acoplamentos elastoméricos têm a mesma aparência e as diferenças são importantes para a seleção. Três designs cobrem a maior parte das aplicações industriais.

• Acoplamentos de mandíbula e aranha use dois cubos com mandíbulas interligadas e uma aranha elastomérica em forma de estrela entre eles. Eles são compactos, de fácil manutenção — a aranha pode ser trocada sem mover nenhum dos eixos — e toleram desalinhamentos angulares e paralelos moderados.
• Acoplamentos de pneus substitua a aranha por um "pneu" de borracha cheio enrolado em ambos os cubos. O maior volume flexível proporciona a mais ampla faixa de desalinhamento da família elastomérica, juntamente com forte isolamento elétrico entre os eixos, o que é importante onde correntes parasitas ameaçam os rolamentos.
• Acoplamentos de pino elástico (pino e bucha) passe os pinos de metal revestidos com buchas de borracha através dos orifícios dos dois flanges de acoplamento. Os pinos de aço suportam mais carga direta do que em um design de elastômero puro, o que aumenta a capacidade de torque enquanto mantém intacta a absorção de choque.

Seleção de material de elastômero e dureza

O bloco de borracha ou poliuretano realiza mais trabalho de engenharia do que seu formato simples sugere, e o tipo de material escolhido altera o comportamento do acoplamento sob carga.

A borracha natural oferece forte amortecimento de vibrações e funciona bem em condições frias, mas tem resistência limitada a óleos e temperaturas elevadas. O poliuretano troca um pouco de amortecimento por maior capacidade de torque, melhor resistência ao desgaste e muito melhor resistência ao óleo, razão pela qual domina o uso industrial geral. Elastômeros especiais, como o Hytrel, preenchem essa lacuna, mantendo suas propriedades em uma faixa de temperatura mais ampla para ambientes exigentes.

Dentro de qualquer material, a dureza é a variável que ajusta o desempenho. Compostos mais macios flexionam mais facilmente e amortecem melhor a vibração, mas transmitem menos torque antes de se deformarem excessivamente; compostos mais duros suportam mais torque e mantêm-se mais firmes sob carga, ao custo de alguma absorção de choque. Os fabricantes classificam esta propriedade usando dureza durômetro, geralmente na escala Shore A, testada de acordo com o Padrão ASTM para dureza de indentação de borracha . Um elemento mais macio na faixa de 80–85 Shore A é adequado para aplicações onde o amortecimento é mais importante, enquanto um elemento mais firme próximo de 95–98 Shore A é adequado para acionamentos que precisam de maior densidade de torque com menos flexibilidade.

Compensação de desalinhamento e amortecimento de vibrações

Os eixos no mundo real nunca estão perfeitamente alinhados e os acoplamentos elastoméricos existem em grande parte para tornar essa imperfeição inofensiva.

• Desalinhamento angular ocorre quando as duas linhas centrais do eixo se cruzam em um ângulo em vez de correrem paralelamente. O elastômero flexiona de forma desigual em torno de sua circunferência para absorver isso sem transmitir carga de flexão aos rolamentos.
• Desalinhamento paralelo acontece quando os eixos do eixo permanecem paralelos, mas estão deslocados lado a lado. O elemento flexível corta ligeiramente para preencher a lacuna.
• Movimento axial (flutuação final) resulta de expansão térmica ou alterações na folga do rolamento. A maioria dos projetos elastoméricos permite algum deslizamento axial sem transmitir cargas de impulso de volta através do trem de força.

O desempenho do amortecimento vem da mesma flexibilidade. À medida que o torque flutua – desde picos de partida do motor, cargas irregulares em um transportador ou carregamento cíclico em uma bomba alternativa – o elastômero se estica e relaxa ligeiramente, em vez de passar direto por cada pico. Isso suaviza a vibração torcional antes que ela atinja os rolamentos e as caixas de engrenagens, que é a principal razão pela qual os acoplamentos elastoméricos geralmente duram mais que as conexões rígidas em aplicações com carga variável.

Selecionando o acoplamento elastomérico correto

Escolher o tipo de acoplamento errado é uma causa de falha mais comum do que escolher um que seja simplesmente subdimensionado. Uma curta sequência de decisão mantém a seleção baseada nas condições reais de operação.

1. Calcular o pico de torque , incluindo partida inicial e qualquer carga de choque, e aplique um fator de serviço (normalmente 1,25–2,5) apropriado ao equipamento acionado.
2. Avalie o alinhamento alcançável. Se o alinhamento da instalação for aproximado ou mudar ao longo do tempo, prefira um projeto com capacidade generosa de desalinhamento, como um acoplamento de pneu, em vez de um tipo de mandíbula com tolerância mais estreita.
3. Pese a vibração e a exposição ao choque. Compressores alternativos, britadores e acionamentos de transportadores start-stop se beneficiam de classes de elastômeros mais macios que priorizam o amortecimento.
4. Verifique o ambiente operacional. A exposição ao óleo favorece o poliuretano em relação à borracha natural; grandes oscilações de temperatura podem exigir um composto especial.
5. Confirme o diâmetro, a velocidade e o ajuste do tamanho em relação ao envelope nominal do fabricante para a família de acoplamentos selecionada.

Para uma comparação mais ampla de projetos elastoméricos contra acoplamentos rígidos, de engrenagem e de diafragma, este guia completo para tipos de acoplamento de eixo de motor percorre toda a árvore de decisão com mais detalhes.

Sinais de Manutenção e Falha

Os acoplamentos elastoméricos são em grande parte isentos de manutenção em comparação com designs de engrenagens ou grades lubrificadas, mas o elemento flexível se desgasta e merece atenção periódica. Durante a inspeção de rotina, procure por rachaduras ou verificações na superfície do elastômero, alongamento visível ou fixação permanente em uma aranha comprimida, um aumento perceptível na vibração ou ruído da área de acoplamento e qualquer endurecimento ou descoloração que sugira degradação química ou térmica.

A vantagem do design elastomérico aparece aqui: na maioria dos acoplamentos de mandíbula, pneu e bucha, o elemento flexível pode ser substituído sem perturbar o alinhamento do eixo ou puxar qualquer máquina conectada, transformando o que seria um grande reparo em outros tipos de acoplamento em uma troca rotineira de peças. Explorar o gama completa de designs de acoplamentos flexíveis para comparar tamanhos de furo, classificações de torque e materiais de elemento com seus requisitos específicos de acionamento.