Acoplamento de engrenagem e acoplamento de eixo: tipos, como funcionam e seleção

Toda máquina rotativa que transfere energia entre dois eixos precisa de um acoplamento – um dispositivo mecânico que conecta os eixos, transmite torque e gerencia os inevitáveis pequenos desalinhamentos que ocorrem em instalações do mundo real. Os acoplamentos de engrenagem estão entre os mais capazes e amplamente utilizados de todos os tipos de acoplamento de eixo, confiáveis ​​em siderúrgicas, equipamentos de mineração, turbinas e acionamentos industriais pesados, precisamente porque combinam alta capacidade de torque com tolerância significativa de desalinhamento. Compreender como funcionam os acoplamentos de engrenagens, como eles se comparam a outros tipos de acoplamentos de eixo e como selecionar o acoplamento certo para uma determinada aplicação é a base de uma engenharia sólida de sistemas de transmissão.

O que é um acoplamento de eixo?

Um acoplamento de eixo é um componente mecânico que conecta dois eixos giratórios de ponta a ponta para transmitir torque e movimento rotacional de um eixo de acionamento (conectado a um motor ou motor) para um eixo acionado (conectado a uma bomba, caixa de engrenagens, compressor ou outra carga). Esta função básica – transmissão de torque – é a tarefa principal do acoplamento, mas raramente funciona sozinha.

Na prática, os acoplamentos de eixo desempenham três funções distintas simultaneamente. Primeiro, eles transmitem torque e potência entre eixos que podem funcionar em diferentes velocidades ou cargas. Em segundo lugar, eles acomodam o desalinhamento do eixo – os desvios angulares, paralelos e axiais que ocorrem entre os eixos acionador e acionado devido a tolerâncias de fabricação, expansão térmica, assentamento da fundação e erro de montagem. Terceiro, eles protegem os equipamentos conectados absorvendo cargas de choque, amortecendo vibrações e, em alguns projetos, agindo como um fusível mecânico que falha antes que os componentes mais caros (motores, caixas de engrenagens, bombas) sejam danificados.

Nenhum acoplamento de eixo satisfaz perfeitamente todos os três requisitos simultaneamente. O processo de seleção sempre envolve compensações entre capacidade de torque, tolerância de desalinhamento, rigidez torcional, requisitos de manutenção e custo.

As principais categorias de acoplamentos de eixo

Os acoplamentos de eixo se dividem em duas categorias fundamentais com base em como lidam com desalinhamento e choque.

Acoplamentos rígidos conecte eixos com flexibilidade zero — eles transmitem torque sem acomodação para desalinhamento. Isso os torna apropriados apenas onde os eixos estão precisamente alinhados e devem permanecer assim, como em algumas aplicações de bombas verticais suportadas por rolamentos. Qualquer desalinhamento em um sistema rigidamente acoplado é transmitido diretamente como tensão de flexão aos eixos e rolamentos conectados, acelerando o desgaste e potencialmente causando falhas prematuras.

Acoplamentos flexíveis são muito mais comuns na prática industrial e estão divididos em duas famílias. Os acoplamentos mecanicamente flexíveis alcançam sua flexibilidade por meio de elementos mecânicos soltos, deslizantes ou rolantes - acoplamentos de engrenagem, acoplamentos de corrente e acoplamentos de grade (mola serpentina), todos se enquadram nesta categoria. Acoplamentos materialmente flexíveis alcançam flexibilidade através da deformação elástica de um elemento compatível - acoplamentos de mandíbula (aranha), acoplamentos de pneus, acoplamentos de diafragma, acoplamentos de viga e acoplamentos de fole são exemplos. Cada família possui características de desempenho diferentes em termos de capacidade de torque, faixa de desalinhamento, rigidez torcional, amortecimento de vibrações e necessidades de manutenção.

O que é um acoplamento de engrenagem?

Um acoplamento de engrenagem é um acoplamento de eixo mecanicamente flexível que transmite torque através do engrenamento de dentes de engrenagem externos em cubos com dentes de engrenagem internos em luvas flangeadas. A configuração padrão consiste em dois cubos – um montado em cada eixo – cada um carregando um conjunto de dentes de engrenagem externos coroados. Esses cubos se engrenam com duas mangas flangeadas estriadas internamente que são aparafusadas em seus flanges para formar um alojamento externo rígido. O torque flui do eixo motor através dos dentes externos do cubo, para os dentes internos da luva, através da conexão do flange aparafusado e para fora através do cubo e eixo acionados.

A flexibilidade mecânica de um acoplamento de engrenagem vem inteiramente do movimento de balanço e deslizamento dos dentes externos coroados da engrenagem contra os dentes internos da luva. À medida que os eixos se desviam do alinhamento perfeito, os dentes da engrenagem mudam sua posição de contato dentro da luva, em vez de transmitir esse desalinhamento como uma carga de flexão para os eixos. Essa ação deslizante requer lubrificação – graxa ou óleo – para evitar desgaste nas faces de contato dos dentes, tornando os acoplamentos de engrenagens componentes de manutenção periódica, em vez de projetos livres de manutenção.

Acoplamentos de engrenagem para aplicações industriais de alto torque são a escolha padrão sempre que a densidade máxima de torque — a maior capacidade de torque em relação ao diâmetro do acoplamento — é o principal critério de seleção, combinado com um requisito para lidar com desalinhamentos significativos do eixo.

Dentes de engrenagem padrão vs tambor (coroados)

A distinção entre dentes de engrenagem retos padrão e dentes de engrenagem coroados (tambor) é fundamental para compreender o desempenho do acoplamento de engrenagens. Os primeiros acoplamentos de engrenagem usavam dentes externos de corte reto no cubo – dentes cilíndricos sem curvatura ao longo de seu comprimento. Eles transmitem o torque de forma eficaz, mas toleram apenas um desalinhamento angular muito pequeno antes que a carga nas bordas se desenvolva no contato com o dente, concentrando a tensão em uma extremidade da face do dente e acelerando o desgaste.

Os dentes da engrenagem coroada - também chamados de dentes da engrenagem do tambor - têm um perfil convexo ao longo do comprimento do dente, com a face do dente curvada de modo que seu ponto médio seja ligeiramente maior em diâmetro do que suas bordas. Quando o cubo se inclina em relação à luva sob desalinhamento angular, o dente coroado balança em sua superfície curva e mantém uma distribuição de contato mais uniforme em toda a face, em vez de concentrar a tensão em uma borda. Essa geometria permite que os acoplamentos de engrenagens coroadas acomodem desalinhamentos angulares significativamente maiores — normalmente até 1,5° por malha de engrenagem, em comparação com frações de grau para projetos de dentes retos — enquanto mantêm a pressão da superfície do dente e a vida útil aceitáveis.

O centro da esfera do dente coroado é posicionado no eixo da haste e a folga do dente é intencionalmente um pouco maior do que em designs de dentes retos. Esta combinação de geometria e folga é o que permite a maior capacidade de deslocamento angular que torna os acoplamentos de engrenagem de tambor o tipo preferido para a maioria das aplicações industriais modernas onde o desalinhamento do eixo não pode ser totalmente eliminado na instalação.

Capacidade de Torque e Tolerância ao Desalinhamento

Os acoplamentos de engrenagem transmitem o torque mais alto de qualquer tipo de acoplamento flexível para um determinado diâmetro externo. Esta vantagem na densidade de torque é resultado direto do mecanismo de engate dos dentes da engrenagem: vários dentes compartilham a carga simultaneamente em uma área de contato relativamente grande, distribuindo a tensão de maneira eficiente. Enquanto um acoplamento de mandíbula elastomérico ou acoplamento de viga do mesmo diâmetro pode ser classificado para algumas centenas de Newton-metros, um acoplamento de engrenagem de diâmetro externo idêntico pode suportar vários milhares de Newton-metros - um fator de dez ou mais diferença na capacidade de torque.

A tolerância de desalinhamento em acoplamentos de engrenagens abrange todos os três tipos de desvio do eixo. Desalinhamento angular — onde as linhas centrais do eixo se cruzam em ângulo — é acomodado pela ação de balanço dos dentes coroados; os valores típicos são de 0,5° a 1,5° por ponto flexível, com dois pontos flexíveis por acoplamento (um em cada interface cubo-luva). Deslocamento axial - onde um eixo se move ao longo de seu próprio eixo em relação ao outro - é acomodado pelo deslizamento do cubo dentro da luva ao longo das faces dos dentes. Deslocamento paralelo — onde as linhas centrais do eixo são paralelas, mas deslocadas lateralmente — é acomodado combinando o desalinhamento angular em ambos os pontos flexíveis simultaneamente, o que significa que a capacidade de deslocamento paralelo é uma função da capacidade angular e da distância entre os dois pontos flexíveis.

É importante observar que a capacidade de desalinhamento e a operação contínua de desalinhamento são coisas diferentes. Os acoplamentos de engrenagem podem tolerar o desalinhamento especificado sem danos, mas operar continuamente com desalinhamento máximo acelera o desgaste dos dentes e aumenta a necessidade de lubrificação. A melhor prática é alinhar os eixos com a maior precisão possível e usar a capacidade de desalinhamento do acoplamento como um amortecedor para o crescimento térmico e pequenos assentamentos, em vez de um substituto para o alinhamento adequado.

Tipos de acoplamentos de engrenagens

Acoplamentos de engrenagem completos possuem dentes de engrenagem em ambos os cubos, com ambas as interfaces cubo-luva fornecendo um ponto flexível. Esta é a configuração padrão e acomoda todos os três tipos de desalinhamento descritos acima. É o projeto mais comum em aplicações industriais pesadas.

Acoplamentos de meia engrenagem combine uma interface cubo-luva de engrenagem flexível com um cubo flangeado rígido. A metade rígida se conecta a um eixo com um flange aparafusado padrão, enquanto a metade flexível usa o arranjo normal de dentes de engrenagem externos/internos. Este projeto é usado onde um ponto de conexão requer zero acomodação de desalinhamento — por exemplo, onde um eixo é apoiado diretamente por um rolamento muito próximo ao acoplamento — enquanto a outra conexão precisa de flexibilidade.

Acoplamentos de engrenagens rígidas usam dentes de corte reto com tolerâncias restritas e são projetados para aplicações de alta velocidade onde o alinhamento preciso do eixo é mantido e o principal requisito é a transmissão de torque com deslizamento zero em vez da acomodação do desalinhamento. Estes são componentes usinados com precisão usados ​​em acionamentos de turbinas e compressores de alta velocidade.

Acoplamentos de engrenagem flangeados use luvas curtas rodeadas por um flange perpendicular, com uma luva montada em cada eixo e os dois flanges aparafusados face a face. Este design compacto é comum em acionamentos industriais de velocidade moderada, onde o comprimento total do acoplamento precisa ser minimizado.

Gráfico de comparação de acoplamento de eixo

Diferentes tipos de acoplamento atendem a diferentes requisitos operacionais. Esta tabela resume as principais características das principais categorias de acoplamentos de eixo para apoiar decisões de seleção:

Como selecionar o acoplamento de eixo correto

A seleção do acoplamento do eixo segue cinco dimensões principais. Abordar cada um deles sistematicamente leva à escolha certa para a aplicação, em vez da opção mais familiar ou mais disponível.

Requisitos de torque e potência. Comece com o pico de torque que o acoplamento deve transmitir – não o torque nominal do motor, mas o pico real, incluindo surtos de partida, cargas de choque e multiplicadores de fator de serviço. Os acoplamentos de engrenagem suportam a mais alta densidade de torque. Para torque moderado em uso industrial geral, acoplamentos de corrente para uso industrial geral de torque moderado fornecer uma alternativa robusta e econômica. Para aplicações de carga de choque de alta capacidade, como britadores e transportadores pesados, acoplamentos de mola serpentina para aplicações de carga de choque de alta capacidade oferecem rigidez torcional progressiva que absorve a energia do impacto antes que ela atinja o equipamento conectado.

Tipo e magnitude do desalinhamento. Identifique qual tipo de desalinhamento está presente – angular, paralelo, axial ou uma combinação – e qual é o seu tamanho. Os acoplamentos de engrenagem lidam bem com o desalinhamento combinado. Para grandes deslocamentos angulares entre eixos que não podem ser posicionados de ponta a ponta, eixos cardan para aplicações de grande deslocamento angular estender a função de acoplamento através de distâncias e ângulos significativos que os acoplamentos convencionais não podem abranger.

Requisitos de velocidade e precisão. Altas velocidades de rotação exigem equilíbrio preciso e projetos de acoplamento de baixa vibração. Para turbomáquinas de alta velocidade e acionamentos de precisão, acoplamentos de diafragma de alta velocidade para sistemas de acionamento de precisão combinam a operação livre de manutenção com a rigidez torcional e a qualidade de equilíbrio que as aplicações de alta velocidade exigem. Para sistemas de controle de movimento – máquinas CNC, robótica, servoeixos – onde folga zero e fidelidade angular precisa são essenciais, servoacoplamentos para controle de movimento sem folga fornecem a rigidez torcional e a precisão posicional que os acoplamentos mecanicamente flexíveis não podem oferecer.

Sensibilidade à vibração e ao choque. Onde o equipamento conectado é sensível à vibração de torção ou carga de choque, os acoplamentos materialmente flexíveis – especialmente os tipos de pneus e elastoméricos – fornecem isolamento de vibração que os acoplamentos de engrenagens e correntes não conseguem. Acoplamentos flexíveis for vibration damping and shock absorption cobrem aplicações onde a proteção de equipamentos conectados contra vibrações geradas pelo sistema de transmissão é tão importante quanto a transmissão de torque.

Acesso e ambiente de manutenção. Os acoplamentos de engrenagem e de corrente requerem lubrificação periódica — uma restrição prática em ambientes remotos, vedados ou perigosos, onde o acesso para manutenção é limitado. Os tipos de acoplamento de diafragma, viga, fole e elastomérico são isentos de manutenção durante sua vida útil projetada, tornando-os preferíveis onde a lubrificação programada é impraticável. Considere o ambiente operacional - temperaturas extremas, exposição a produtos químicos, umidade e contaminação afetam a seleção do material de acoplamento e os intervalos de manutenção, juntamente com os requisitos fundamentais de torque e desalinhamento.