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Um cliente especifica uma caixa de engrenagens de rosca sem-fim para uma aplicação de elevação porque acionamentos por rosca sem-fim são auto-bloqueantes, de modo que a carga não pode retroceder. Nenhum freio necessário, economia de custos.
Esse raciocínio aparece em muitos projetos de máquinas e é suficientemente perigoso para constar como advertência explícita em um artigo técnico da AGMA:
Observação: Conjuntos de engrenagens de rosca sem-fim não devem ser considerados auto-bloqueantes. Em certas condições de carga, o movimento reverso da roda dentada é possível.
Uma referência técnica consolidada expressa isso de forma ainda mais direta, citando a aplicação específica:
Na prática, uma rosca sem-fim não deve ser usada como dispositivo de frenagem em sistemas ligados à segurança, por exemplo, guinchos. Algumas condições de material e operação podem resultar em deslizamento reverso de uma engrenagem de rosca sem-fim.
Se você está projetando um guincho, um elevador, um portão ou qualquer outro sistema no qual uma carga em queda possa ferir alguém, é indispensável um freio. A geometria da rosca sem-fim não é substituta disso.
A seguir, a fundamentação técnica para essa afirmação.
O travamento automático depende da relação entre o ângulo de avanço da engrenagem sem-fim e o ângulo de atrito.
· O travamento automático ocorre quando o ângulo de avanço da engrenagem sem-fim é igual a arctan(coeficiente de atrito), tipicamente na faixa de 2 a 8 graus autonomia
· Quando o ângulo de avanço é menor que o ângulo de atrito, a roda dentada não consegue acionar a engrenagem sem-fim em sentido inverso
· A condição é: ângulo de avanço < arctan(coeficiente de atrito)
As três fontes afirmam a mesma coisa, embora com notações diferentes. Abaixo de um determinado ângulo de avanço, o acionamento resiste ao acionamento reverso.
O critério utiliza um coeficiente de atrito. Qual coeficiente de atrito?
Na velocidade de deslizamento nula, o valor publicado é 0.15. Trata-se do valor estático, sendo este o maior valor possível. Assim que o deslizamento começa, o coeficiente de atrito diminui.
Uma referência observa que o coeficiente estático é o relevante para o limite de travamento automático, exatamente porque a engrenagem não pode ser posta em movimento.
Este é o mecanismo por trás das falhas. Em repouso, o atrito é elevado e o acionamento mantém a posição. Ao introduzir vibração, o acionamento sofre micro-movimento. O micro-movimento desloca o contato da condição estática para a condição dinâmica, onde o atrito é menor. O ângulo de atrito disponível para sustentar a carga reduz-se, e a carga começa a deslizar lentamente.
A vibração não é uma condição exótica. Uma máquina em operação nas proximidades, um motor sendo ligado no mesmo suporte estrutural ou um veículo passando do lado de fora do edifício — tudo isso pode anular o auto-bloqueio estático.
Não existe, na literatura publicada que conseguimos encontrar, um fator quantificado de redução de desempenho devido à vibração. Essa ausência é, por si só, informativa: a resposta técnica não é reduzir a capacidade de auto-bloqueio, mas sim não confiar nela.
Auto-bloqueio e eficiência são duas perspectivas da mesma geometria. Um acionamento que resiste à retroalimentação é um acionamento que desperdiça muita energia no sentido direto.
Eficiência do redutor de parafuso sem-fim conforme o número de inícios. O comportamento autoblocante ocorre apenas na região de baixa eficiência.
A fórmula governante:
η = tan(λ) / tan(λ + φ)
em que λ é o ângulo de inclinação da hélice do parafuso e φ é o ângulo de atrito equivalente.
Exemplo prático publicado: para um parafuso sem-fim de único início com λ = 5 graus e φ = 6 graus, a eficiência é de 45,01%.
Eficiência conforme o número de inícios do parafuso sem-fim:
| Tipo de parafuso sem-fim | Eficiência publicada |
| Único início | 40 a 50% |
| Início simples, boas condições e alta precisão de usinagem | 50 a 70% |
| Início duplo | 70 a 78% |
| Início múltiplo | 78 a 92% |
Para projetos de alta eficiência, o ângulo de avanço recomendado é 10 a 20 graus . Observe que esse valor está bem acima da faixa de autobloqueio de 2 a 8 graus. Não é possível ter ambos.
Uma referência indica uma faixa geral de eficiência de 98% nas relações mais baixas, caindo para 20% nas mais altas. Outra cita 50 a 90%, dependendo do ângulo de avanço, do número de inícios e do atrito.
A compensação é inevitável: o travamento automático consome mais da metade da potência de entrada.
Se você necessita de comportamento de travamento automático:
· Aceite rosca simples, ângulo de avanço baixo, eficiência de 40 a 50%
· Dimensione o motor com base nas perdas, não apenas na carga
· Dimensione o redutor com base no calor, pois a potência perdida se transforma em calor
·Ainda instale um freio se a consequência da movimentação reversa for lesão ou dano
Se você necessita de eficiência:
· Rosca múltipla, ângulo de avanço de 10 a 20 graus, eficiência de 78 a 92%
· Aceitar que o acionamento irá retroacionar
· Instalar um freio, um contrapeso ou utilizar um tipo diferente de engrenagem
Se você precisar de ambas as características, a engrenagem de parafuso sem-fim é a escolha inadequada. Considere uma unidade helicoidal ou helicoidal-cônica com um freio de retenção adequado.
As caixas de engrenagens de parafuso sem-fim são normalmente limitadas termicamente, em vez de mecanicamente . Os dentes da engrenagem poderiam suportar mais torque do que a caixa consegue dissipar como calor.
Essa é uma consequência direta dos valores de eficiência indicados acima. Uma transmissão por parafuso sem-fim de uma única entrada com 45% de eficiência converte mais da metade da potência de entrada em calor dentro de uma carcaça pequena. É por isso que os catálogos de caixas de engrenagens de parafuso sem-fim listam uma classificação térmica separadamente da classificação mecânica, e por que a classificação térmica frequentemente constitui a restrição determinante.
Consequências práticas:
· As classificações para serviço contínuo são muito menores do que as classificações para serviço intermitente
· A temperatura ambiente é relevante; uma caixa classificada para um ambiente de oficina a 20 graus comporta-se de maneira distinta em uma sala de máquinas a 40 graus
· O resfriamento forçado ou uma caixa maior é frequentemente mais barato do que lidar com falhas prematuras
Tampas de engrenagem de redução simples por parafuso sem-fim 5:1 a 75:1 de acordo com uma referência, enquanto outra cita 5:1 a 300:1 para engrenagens de parafuso sem-fim usadas especificamente em grandes reduções.
A capacidade de alta relação em um único estágio é a verdadeira vantagem da engrenagem por parafuso sem-fim, juntamente com o arranjo em ângulo reto e o funcionamento silencioso decorrente do contato deslizante. Esses são os motivos para escolhê-la. O travamento automático não deve constar nessa lista.
Para um ângulo normal de pressão padrão de 20 graus, o ângulo de avanço deve permanecer abaixo de 25 graus .
As rodas dentadas de parafuso sem-fim operam em bronze contra um parafuso sem-fim de aço temperado. A razão é o contato deslizante: a engrenagem por parafuso sem-fim desliza, em vez de rolar; portanto, o par exige materiais diferentes com boas características de deslizamento e conformação. O bronze combinado com o aço é a associação que funciona.
A engrenagem sem-fim é endurecida e retificada; a roda é o componente sacrificável. Isso é intencional. Quando o acionamento se desgasta, você substitui a peça mais barata e mais fácil de trocar.
A velocidade na linha de passo pode atingir 30 m/s em condições ideais, mas a maioria das engrenagens sem-fim industriais opera muito abaixo desse valor.
Posso usar uma caixa de engrenagens sem-fim para sustentar uma carga sem freio?
Não onde uma carga em queda possa causar danos. As orientações publicadas pela AGMA e as referências técnicas consolidadas afirmam explicitamente que conjuntos sem-fim não devem ser considerados auto-bloqueantes e alertam especificamente contra seu uso como dispositivos de frenagem em guinchos.
Minha caixa de engrenagens sem-fim tem sustentado uma carga por anos sem escorregar. Ela não é, então, auto-bloqueante?
Ela é, no momento, estaticamente auto-bloqueante nas condições atuais. Troque o lubrificante, deixe a engrenagem desgastar, adicione vibração proveniente de novos equipamentos ou aumente a carga, e essa condição pode mudar. O auto-bloqueio é uma condição, não uma propriedade.
Por que minha caixa de engrenagens sem-fim está operando tão quente?
Porque as engrenagens de rosca sem-fim são ineficientes e a potência perdida se transforma em calor. Verifique se você está dentro da classificação térmica, e não da classificação mecânica; são valores diferentes e, normalmente, a classificação térmica é o fator limitante.
Uma rosca sem-fim de dupla entrada resolveria meu problema de eficiência?
Ela elevaria a eficiência da faixa de 40 a 50% para a faixa de 70 a 78%. Também elimina qualquer comportamento de autobloqueio. Certifique-se de que nenhum componente da máquina dependa desse recurso.
Qual eficiência devo usar no dimensionamento do motor?
Utilize o valor correspondente à sua relação de transmissão e ao número de entradas específicos, conforme indicado nos dados do fabricante do redutor — não use um valor genérico. A variação entre projetos de engrenagens de rosca sem-fim é ampla o suficiente para que uma suposição genérica resulte em dimensionamento incorreto do motor.
O bronze é a única opção para a roda dentada da rosca sem-fim?
É o padrão por um bom motivo, mas o tipo específico de bronze varia conforme a aplicação. Especifique a classe junto ao seu fornecedor de redutores, com base na carga, velocidade e ciclo de operação.
A Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. fabrica conjuntos de parafuso sem-fim e roda dentada, com roda em bronze acoplada a um parafuso sem-fim em aço temperado retificado, em configurações de uma ou múltiplas entradas. Informe-nos a relação de transmissão, o ciclo de trabalho e se o acionamento deve resistir à movimentação reversa; assim, informaremos honestamente se a transmissão por parafuso sem-fim é a escolha adequada para sua carga.