Engrenagens Gears Magazine_ABRIL 2021

www.sfeditora.com.br - Ano III - Edição 4

›› Artigos: ›› Cadeias Produtivas Integradas no Processamento de Engrenagens ›› Engrenagens de Anel (Girth Gears) e seus desafios (PARTE 1) ›› Engrenagens 4.0: As Super-engrenagens na Indústria Automotiva do Futuro ›› Mobilidade Elétrica e as Altas Reduções de Velocidade: Spiroid® e Helicon®

A força vital para as suas máquinas.

Deixe-nos lhe mostrar que produtividade, eficiência econômica e estabilidade do processo são fatores que dependem, criticamente, da escolha e da qualidade do seu fluido de usinagem. Nossos especialistas em usinagem ajudam você a capitalizar totalmente o potencial de suas máquinas e ferramentas e transformar seu fluido de usinagem em um fator chave de sucesso – uma Ferramenta Líquida.

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aquecimentoindustrial.com.br/publicacoes/

11

16

CONTEÚDO

33

ABRIL 2021 - NÚMERO 04

COLUNAS

06

Editorial

Entre Passado e Futuro não há Choque, há Conhecimento

Ligação com chapas tangenciais

Talvez nunca na história moderna o profissional de engrenagens

CAPA

e transmissões tenha sido tão questionado quanto ao seu futuro.

A mobilidade elétrica e a indústria 4.0 reestruturam a lógica de desenvolvimento do produto e de manufatura do nosso setor.

EVENTO

07

The Brazilian Gear Conference ITA-WZL 2021 (BGC21) A próxima edição do evento “The Brazilian Gear Conference ITA-WZL” (BGC21) foi recentemente anunciada para os dias 9 e 10 de novembro de 2021.

INFORMATIVO TÉCNICO

08

EQUIPE DE EDIÇÃO SF Editora é uma marca da Aprenda Eventos Técnicos Eireli (19) 3288-0437 Rua Ipauçu, 178 - Vila

O que é importante para o tratamento térmico do seu setor?

Marieta, Campinas (SP)

O tratamento térmico é um processo amplamente aplicado em

www.aquecimentoindustrial.com.br

muitos setores da indústria. Um deles é o setor automotivo que utiliza tratamento térmico para fabricar engrenagens, rolamentos, eixos, anéis ou luvas.

www.sfeditora.com.br

Udo Fiorini Publisher udo@sfeditora.com.br • (19) 99205-5789 Mariana Rodrigues Redação Diagramação marianar205@gmail.com • (19) 3288-0437 André Júnior Vendas andre@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437

As opiniões expressadas em artigos, colunas ou pelos entrevistados são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente a opinião dos editores.

4 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO

ABRIL 2021 - NÚMERO 04

ARTIGOS

11 16 33 37

Economia de Tempo, Qualidade Aprimorada, Maior Disponibilidade do Sistema por meio de Cadeias Produtivas Integradas Martin Witzsch - Kapp Niles; Coburgo, Alemanha A produção de alto volume exige qualidade superior com tempos de processamento cada vez mais curtos. As máquinas já são tecnicamente muito avançadas.

Engrenagens de Anel (Girth Gears) e seus desafios (PARTE 1) João Ignacio Ibañez O presente trabalho é focado em apreciações sobre transmissões por Engrenagens de Anel e seus respectivos pinhões. Serão enfatizadas possibilidades de seu dimensionamento o que inclui, apreciações sobre materiais , sua qualificação metalúrgica e tratamentos térmicos.

Engrenagens 4.0: As Super-engrenagens na Indústria Automotiva do Futuro Lucas Robatto - ITA; São Paulo, Brasil O contexto atual reúne uma tendência aceita, embora não efetivamente compreendida, de Indústria 4.0, e uma ampla incógnita ao redor da concepção do “novo normal”. Frente às mudanças, a capacidade de se adaptar é fundamental não só para as espécies, mas também para as organizações.

Mobilidade Elétrica e as Altas Reduções de Velocidade: Spiroid® e Helicon® Antonio Gallinucci - Engrecon.

A primeira vez que li sobre Spiroid foi em 1981, no curso de engenharia. Estudando o “Gear Handbook” do famoso Darle W. Dudley, deparei-me com essa preciosidade.

ÍNDICE DE ANUNCIANTES Página

Empresa

Contato

2ª capa

Blaser

www.blaser.com

4ª capa

Kapp Niles

www.kapp-niles.com

3ª capa

Metalurgia

www.metalurgia.com.br

página 7

The Brazilian Gear Conference ITA-WZL 2021

www.bgc21.ita.br

página 8

Seco Warwick

www.secowarwick.com

Portal Aquecimento Industrial

www.aquecimentoindustrial.com.br

2ª capa, 6, 36, 39

Revista Engrenagens

ABRIL/2021 5

EDITORIAL

ENTRE PASSADO E FUTURO NÃO HÁ CHOQUE, HÁ CONHECIMENTO

O

nobre convite do Udo Fiorini para a elaboração

integradas. O olhar nos anos 80 e 90 para os resultados

deste editorial carrega a essência deste texto.

da filosofia CIM (Computer Integrated Manufacturing) já

Profissional de carreira sólida e reconhecida,

nos mostrou que manufatura avançada deve ir além de

Udo sempre mostrou incansável obstinação em

soluções de tecnologia. É preciso uma mudança cultural

disseminar conhecimento. A mim, cujo futuro ainda

e baseada na descentralização de decisões, para a qual

se desenha como uma longa estrada norteada por

apenas o conhecimento dos efeitos dentro de uma cadeia

inspirações como a da carreira dele, a aceitação era óbvia.

integrada é possível.

Principalmente após ter acesso ao conteúdo dessa edição.

Nessa edição, o leitor irá desfrutar do melhor do

Talvez nunca na história moderna o profissional de

encontro entre desafios e lições aprendidas. Afinal, entre

engrenagens e transmissões tenha sido tão questionado

passado e futuro não há choque, há conhecimento.

quanto ao seu futuro. A mobilidade elétrica e a indústria

Tenha uma boa leitura!

4.0 reestruturam a lógica de desenvolvimento do produto e de manufatura do nosso setor. Estariam essas

Ronnie Rego atualmente é pesquisador do Centro de

tendências disruptivas realmente bombardeando nossas

Competência em Manufatura (CCM-ITA), onde lidera a criação

carreiras, ou seriam elas um impulso sem precedentes?

do Grupo de Inovação em Engrenagens (GIE) e a aliança de

O artigo de meu colega Lucas Robatto convida à

pesquisas Engrena ITA

reflexão. A mobilidade do futuro vai além da propulsão elétrica. Ela é compartilhada, servitizada e, quem sabe, autônoma. Engana-se aqui, como mostra o texto, aquele que conclui que engrenagens não terão papel relevante nesses veículos.

Certamente, a disrupção causa incerteza. Mas a etimologia da incerteza nos leva à incapacidade de decisão

Anuncie sua empresa no

e, portanto, a um desafio! Sair das soluções triviais e buscar as mais diversas alternativas, entre as quais, deixar o passado inspirar o futuro. Antonio Gallinucci, em seu artigo, vai de forma brilhante a 1954 resgatar o conceito das engrenagens Spiroid e Helicon. No texto de

aquecimentoindustrial.com.br

João Ignácio Ibañez, o leitor é remetido ao século XVII para o início de uma análise detalhada sobre engrenagens de anel. Ambas soluções convergem justamente em um dos maiores desafios desses veículos do futuro: a elevada densidade de potência.

Ao leitor já ávido para interromper esse editorial e mergulhar nos artigos, há ainda mais! A edição o trará para apreciação do futuro da manufatura de engrenagens. O texto de Martin Witzsch vai no cerne da concepção de Indústria 4.0 ao abordar cadeias produtivas 6 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

Para mais informações contate-nos! contato@aquecimentoindustrial.com.br contato@grupoaprenda.com.br grupoaprenda.com.br (19) 3288.0437

Novidades

EVENTO

THE BRAZILIAN GEAR CONFERENCE ITA-WZL 2021 (BGC21) A próxima edição do evento “The Brazilian Gear Confe-

confirmação da realização do evento no maior audi-

rence ITA-WZL” (BGC21) foi recentemente anunciada

tório do Parque Tecnológico de São José dos Campos.

para os dias 9 e 10 de novembro de 2021. O BGC21 é

Com capacidade para quase 1000 pessoas, o seu layout

uma das iniciativas de cooperação entre o ITA (Insti-

de assentos já foi cuidadosamente planejado para

tuto Tecnológico de Aeronáutica) e o WZL (Werkzeug-

respeitar as condições do Plano São Paulo. A área de

maschinenlabor – laboratório da Universidade RWTH

exposição tecnológica continuará como uma das gran-

Aachen, Alemanha).

des atrações do evento, agora organizada em ambiente

Ao longo de dois dias, o evento é planejado como

externo e ventilado, ainda assim coberto.

um espaço para o encontro e discussão ativa entre as

No mês de maio, a organização lançará o website

comunidades acadêmica e industrial atuantes no seg-

do evento (www.bgc21.ita.br), com informações mais

mento tecnológico de engrenagens. O público abrange

detalhadas sobre o evento, como inscrições e agenda

profissionais dos setores automotivo, aeronáutico,

de apresentações. A participação será disponibilizada

metalmecânico, eólico, de energia, entre outros. O

nos modos Ouvinte e Expositor. No caso de dúvidas,

objetivo do evento é o compartilhamento, entre meios

os interessados podem entrar em contato diretamen-

acadêmico e industrial, do conhecimento considerado

te com a organização, escrevendo para o endereço

como estado-da-arte em projeto, fabricação e testes

eletrônico bgc21@ccm-ita.org.br. As divulgações e

de engrenagens e sistemas de transmissão de potência.

atualizações, bem como uma prévia dos conteúdos

Nessa edição, especial atenção está sendo direciona-

que serão abordados podem ser acompanhados na

da às precauções necessárias para que o evento possa

página do Centro de Competência em Manufatura

ocorrer de forma presencial, mas segura. Destaca-se a

(CCM-ITA) no Linkedin.

Revista Engrenagens

ABRIL/2021 7

Novidades

INFORMATIVO TÉCNICO

Figura 1. Forno Seco Warwick CaseMaster Evolution

O QUE É IMPORTANTE PARA O TRATAMENTO TÉRMICO DO SEU SETOR?

O tratamento térmico é um processo amplamente

para endurecimento direto. A seleção desses fornos é

aplicado em muitos setores da indústria. Um deles é o

uma alternativa para fornos de têmpera com vedação

setor automotivo que utiliza tratamento térmico para

atmosférica, linhas contínuas e sistemas de múltiplas

fabricar engrenagens, rolamentos, eixos, anéis ou

câmaras. O tratamento térmico a vácuo totalmen-

luvas.

te automatizado atende aos requisitos da indústria

O mais importante para este setor é a confiabili-

automotiva moderna. O importante é o endurecimento

dade das soluções, sua eficiência e repetibilidade dos

uniforme e a redução da distorção, graças à regulagem

processos. Por isso, as soluções direcionadas a este

contínua do sistema de circulação de óleo, e a porta

segmento de mercado devem levar em consideração a

interna hermética garantem alta pureza do processo

necessidade de reduzir distorções, diminuir os custos

e dos elementos, enquanto baixas perdas de calor são

do processo, encurtar o tempo do processo, utilizar

obtidas graças ao isolamento térmico de amplo escopo.

uma cementação eficiente e eficaz e diminuir a emis-

Atenção especial deve ser dada a:

são de CO2.

As principais soluções para este setor da indústria

CaseMaster Evolution – T (CMe-T), produto de 2020.

Um forno a vácuo de três câmaras - garante o endure-

são os fornos a vácuo fabricados pelo líder em trata-

cimento econômico da camada externa com o uso da

mento térmico, SECO / WARWICK, fornos a vácuo da

tecnologia de cementação de baixa pressão e têmpera

linha CMe®, Pit-LPC® pit furnace e 4D® Quench® – um

com nitrogênio de alta pressão. O forno CMe-T pode

sistema inovador de tratamento térmico a vácuo pro-

substituir as linhas e geradores existentes usados para

jetado para têmpera de nitrogênio individual de peça

tratamento térmico em massa sob atmosfera protetora

única.

e têmpera a óleo, garantindo maior precisão e repeti-

CMe – é uma família de fornos a vácuo dedicada

bilidade do processo. A característica mais marcante

ao endurecimento semicontínuo por cementação

desta solução é a melhoria considerável da qualidade

a baixa pressão e têmpera a óleo ou gás, bem como

do processo, redução de custos graças à duplicação do

8 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

Novidades

INFORMATIVO TÉCNICO

Figura 2. Forno Seco Warwick Pit-LPC

desempenho e maior flexibilidade de produção. Além

balho com a eliminação do uso de atmosfera inflamá-

disso, a exploração segura do forno CMe-T e o baixo

vel e explosiva. Além disso, obtemos alta uniformidade

impacto ambiental tornam-se cada vez mais importan-

do processo, resultando em melhor qualidade de cada

tes para os líderes do setor. Esta é uma das principais

detalhe da peça processada. Pit-LPC é uma solução ide-

razões pelas quais os fabricantes do setor automoti-

al para empresas que desejam aumentar sua capacida-

vo estão cada vez mais interessados no CMe-T como

de de produção sem a necessidade de adquirir equipa-

a solução preferida de tratamento térmico. No ano

mentos adicionais (um Pit-LPC garante a capacidade

passado, essa solução foi escolhida por um dos maiores

de até 3 fornos de atmosfera), ou economizar espaço

fabricantes de coolers.

de produção substituindo três máquinas por uma. En-

Pit-LPC (Forno Poço de Cementação a Baixa Pres-

quanto a tecnologia LPC em si é aplicada onde quer que

são) é um forno a vácuo para cementação em grandes

a cementação seja usada como um processo que melho-

profundidades de peças maciças ou longitudinais. Esta

ra as propriedades mecânicas de elementos e peças de

é uma alternativa à cementação a gás, que já atingiu o

máquinas, bem como sistemas de transmissão de força

máximo de suas possibilidades.

e movimento. Em suma, onde quer que os impulsiona-

O equipamento Pit-LPC garante a tríade de van-

dores incluam: redução de custos, eficiência, aumento

tagens, que atualmente é a mais importante para o

da qualidade e confiabilidade, flexibilidade de explora-

funcionamento das empresas manufatureiras: primei-

ção e ambientalismo. Esta tecnologia é especialmente

ro - redução de custos, segundo - aumento da produção

popular entre os fabricantes de elementos maciços ou

e por último zelo pela segurança e meio ambiente. E

longitudinais cementados como: engrenagens, rola-

tudo isso só é possível graças à execução do processo

mentos e outros elementos que requerem camadas de

no vácuo e em altas temperaturas. A solução de última

cementação espessas.

geração atende aos mais rigorosos padrões ecológicos, ao mesmo tempo em que aumenta a segurança do tra-

4DQ – resolve os problemas do dia a dia com o tratamento térmico presente no setor automotivo. Ele Revista Engrenagens

ABRIL/2021 9

Novidades

INFORMATIVO TÉCNICO

Figura 3. 4D Quench

melhora significativamente a precisão e a repetibili-

preparar a atmosfera do processo

dade dos resultados do tratamento térmico, ao mes-

- Segurança = sem atmosfera inflamável e explosiva

mo tempo que reduz os custos de produção. Assim, o

- Baixa emissão de calor e nenhuma poluição (CO e

sistema constitui uma alternativa moderna e atraente

CO2)

ao endurecimento por prensagem, eliminando todas

- Processo rápido de alta temperatura no vácuo

as falhas desse processo. 4D Quench é uma solução de

- Controle e redução da distorção de endurecimento

sistema de tratamento térmico a vácuo projetado para

- Automação total, integração com a linha de pro-

têmpera individual com nitrogênio de elementos de

dução

uma única peça de caixas de engrenagens mecânicas,

- Eliminação de acessórios para tratamento térmico

como engrenagens, eixos, anéis, luvas, etc. com cama-

e logística de materiais

da padrão e personalizada e através de aços endure-

- Eliminação de lavadoras e produtos químicos

cidos. Ele melhora significativamente a precisão e a repetibilidade dos resultados do tratamento térmico,

Com as soluções de vácuo SECO / WARWICK, todo

ao mesmo tempo que reduz os custos de produção. Ele

o setor automotivo está em condições de economizar

fornece aquecimento a vácuo seguido de têmpera de

bilhões de Euros anualmente. De acordo com análise

nitrogênio poderosa e uniforme, resultando em con-

efetuada sobre este assunto pelo Bremen Institut für

trole de distorção e redução com alta repetibilidade do

Werkstofftechnik, já em 1995, os custos dos ajusta-

resultado final.

mentos ascenderam a ca. 850 milhões de Euros anuais

A escolha das tecnologias mencionadas acima traz uma série de vantagens: - Sem efeito de oxidação intergranular (IGO – inter-

apenas na indústria automotiva e de transmissões e bilhões de Euros anuais no setor de rolamentos na Alemanha.

granular oxidation) - Redução da mídia necessária ao mínimo = economia

Revisão da tradução gentilmente efetuada por Combustol

- Economia de tempo, pois não há necessidade de 10 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

Fornos, parceiro local da Seco Warwick no Brasil.

CONTEÚDO TÉCNICO

ECONOMIA DE TEMPO, QUALIDADE APRIMORADA, MAIOR DISPONIBILIDADE DO SISTEMA POR MEIO DE CADEIAS PRODUTIVAS INTEGRADAS

Por Martin Witzsch

A produção de alto volume exige qualidade superior com tempos de processamento cada vez mais curtos. As máquinas já são tecnicamente muito avançadas. Grandes potenciais de economia não são mais encontrados entre as técnicas de processamento, mas sim nos estágios precedentes e posteriores do processo, como set-up, medição e comunicação entre a máquina e o equipamento de medição. Portanto, Kapp Niles desenvolveu uma plataforma para unir e automatizar esses processos. Graças a padrões abertos como umati (interface universal de máquina-ferramenta) e GDE (Gear Data Exchange), ele funciona até mesmo em uma base de vários fornecedores.

E

xistem diferentes abordagens para aumentar

imaginar cadeias de produção integradas com o

ainda mais a eficiência dos processos de

mínimo de manuseio manual entre os elos da cadeia

produção, por exemplo, integrando o maior

quanto possível”, avalia Konstantin Schäfer, Chefe de

número possível de etapas do processo em uma

Gerenciamento de Produto. “Continuamos a evoluir de

máquina. No entanto, do ponto de vista técnico, isso é

um fabricante de máquinas puro para um fornecedor

muito complexo e inflexível e, portanto, não confiável.

de soluções.” Isso se torna evidente no crescente setor

É por isso que Kapp Niles opta por um caminho

de tecnologia de medição, Kapp Niles Metrology. Além

diferente: “Em vez de máquinas integradas, preferimos

disso, o portfólio existente está sendo otimizado para Revista Engrenagens

ABRIL/2021 11

CONTEÚDO TÉCNICO

Imagem 1. O processo de configuração virtual facilita a criação de um novo projeto

sistemas de produção que se comunicam entre si. Em

de processamento dentro de um projeto (Imagem

particular, através da nova plataforma de assistência

2). Essas sequências geradas podem ser usadas

KN, apoiando o usuário com o software do sistema de

para processamento automatizado, bem como para

controle, KN grind, desde a fase de planejamento do

sequências de configuração.

projeto até a produção.

A necessidade de teclas de função é substituída por um painel de controle com tela de toque. Todas as novas

KN grind, um Sistema de Controle Prático

gerações de máquinas apresentam este sistema de

Como parte da configuração relacionada ao projeto,

controle.

todas as opções de processamento necessárias são combinadas em um projeto de peça de trabalho. Com

Sem Compromissos de Segurança de Dados

a interface de usuário intuitiva passo a passo, dados

Em comparação com centros de produção altamente

concretos do projeto são coletados. Em um processo

automatizados, parece uma relíquia dos primórdios da

de configuração virtual, o usuário seleciona o tipo

industrialização se o pessoal de operação tem que andar

de engrenagem e as ferramentas adequadas de um

da sala de medição para a máquina para transportar

conjunto de componentes. Cada etapa é exibida em

relatórios de medição a fim de digitar manualmente

uma máquina convencionalizada (Imagem 1). A pedido,

os valores corrigidos. O fato de isso ainda ser praticado

a KN grind também oferece sugestões tecnológicas.

em um ambiente de alta tecnologia se deve aos padrões

Volker Zenker, gerente de desenvolvimento de software,

de segurança extremamente elevados de usuários,

explica: “Ao contrário das versões anteriores, os valores

como o ramo automotivo, que até agora contornaram

críticos ou incorretos são exibidos para o usuário. Um

a integração simples de dados. Além disso, o uso de

controle sequencial permite uma compilação direta

dispositivos USB é estritamente proibido. Outro fator

de fluxos de trabalho por meio de arrastar e soltar.

tem sido a falta de padrões de transmissão de dados

Isso é muito útil para processamento complexo, por

consistentes para permitir a integração segura de

exemplo, de peças de trabalho com várias posições

dados. É por isso que Kapp Niles desenvolveu soluções

12 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO que não requerem mais a instalação de software

máquina com muito pouco esforço. Como uma visão

invasivo e, portanto, permitem que os usuários

geral do conjunto geral do sistema, o KN assist usa o

mantenham o controle sobre seus dados o tempo todo.

formato de troca de dados aberto, como GDE (Gear Data

Konstantin Schäfer: “Este conceito não inclui nenhum

Exchange) e umati (interface universal de máquina-

serviço em nuvem.” Os aplicativos que vão além do

ferramenta), desenvolvido pela VDW em cooperação

controle direto da máquina são programados em

com parceiros do projeto. Isso permite a troca de

HTML5. Isso permite que o usuário os aplique tanto em

dados básicos de engrenagens / dentes, modificações,

computadores clássicos quanto em dispositivos móveis.

avaliações, etc. entre os fabricantes. Além disso, são exibidos os estados operacionais de todas as máquinas

KN assist: A foto maior – que também

da planta. Isso dá a cada usuário de cada local uma

se aplica a todos os fabricantes

visão geral da produção.

O resultado das considerações acima é a plataforma

Uma aplicação ainda mais complexa é o

de assistência KN. Graças à programação HTML5

gerenciamento de dados de todas as peças específicas

mencionada acima, o KN assist funciona sem

dos componentes, como ferramentas de fixação,

quaisquer requisitos de software adicionais em um

dressagem e retificação. Até agora, os dados dos

PC e dispositivos móveis finais semelhantes. Basta

componentes de configuração tinham que ser inseridos

o usuário acessar um único endereço na Intranet e,

manualmente na máquina para evitar a possibilidade

assim, ter acesso ao sistema por meio de seu navegador

de portadores de dados do fornecedor acessarem as

ou aplicativo.

áreas de produção. No futuro, códigos RFID ou 2D

A troca de dados ocorre por meio da interface padrão

serão anexados a rolos de dressagem, sem-fins ou

OPC UA (Open Platform Communications Unified

ferramentas de fixação que podem ser lidos pelas

Architecture), facilitando a comunicação máquina a

máquinas. Isso reduz consideravelmente o tempo de

Imagem 2. O controle sequencial permite uma compilação direta de fluxos de trabalho.

Revista Engrenagens

ABRIL/2021 13

CONTEÚDO TÉCNICO configuração e permite que os componentes sejam claramente identificados. Locais de armazenamento, vida útil, ciclos de fixação ou atribuições a um projeto no planejamento podem ser convenientemente documentados dessa forma. Ao fazer isso, o tempo de resposta às solicitações de serviço e processos internos é reduzido.

Tempos de Resposta Mais Rápidos para Solicitações de Serviço O cliente espera atendimento imediato em caso de solicitação de serviço ou mau funcionamento do sistema. No entanto, a cadeia clássica de mensagens é comparativamente lenta. Os operadores da máquina detectam um erro, notificam o Departamento de Serviço e descrevem o problema. O Departamento de Serviço então contata o fabricante; o último consulta dados adicionais - melhor cenário - por meio de um modem a ser ativado, no entanto, mais provavelmente por telefone. Ao fazer isso, as informações podem se

Imagem 3. Dispositivo de medição Kapp Niles KNM 2X para aplicações relacionadas à produção

perder ou as telas podem ser lidas incorretamente.

com um tempo de resposta de duas a quatro horas.

É assim que a primeira hora é gasta: convertida em

Isso pode ser feito, pois todas as informações, como

tempo ocioso, isso cria uma situação custosa. Além

números de comissão, padrões de erro, relatórios de

disso, o fabricante da máquina terá que primeiro

medição, etc., já são fornecidas junto com a solicitação

coletar, atualizar e analisar os dados. Uma transmissão

de serviço.”

convencional de dados via internet seria viável, porém, não é considerada segura pela maioria dos usuários.

Turbo para a Tecnologia de Medição

Kapp Niles tomou medidas corretivas para este

Conforme indicado anteriormente, o portfólio agora

processo: o cliente agora pode iniciar o contato no KN

também inclui máquinas para medições relacionadas

grind. Christian Füger, Gerente de Serviço de Vendas,

à produção, uma vez que uma economia significativa

descreve a opção: “A solicitação de serviço pode ser

de tempo também pode ser alcançada para o trabalho

iniciada por meio de um botão no visor da máquina ou

de acompanhamento dos processos de retificação.

por meio da interface web de qualquer dispositivo móvel

Durante o processo clássico, amostras aleatórias de

final. Isso permite que o gerente de serviço, operador

peças de trabalho teriam que ser retiradas da produção

ou planejador responda sem demora.” A solicitação de

para serem transportadas para a máquina de medição

serviço é enviada à Kapp Niles diretamente por meio

normalmente localizada em um salão diferente.

de uma conexão VPN certificada pela TÜV-IT. Dados

Dependendo da carga de trabalho, os resultados

de diagnóstico, arquivos de log, etc. da máquina em

geralmente estariam disponíveis cerca de 15-20

questão serão fornecidos ao cliente mediante liberação

minutos depois. Posteriormente, o relatório de medição

explícita, sem perda de royalties sobre o processo e os

teria que ser levado de volta à máquina para digitação

dados.

manual das correções. Para reduzir esses tempos,

Atualmente, o tempo de resposta gira em torno de

Kapp Niles recorre a vários fatores. As máquinas

12 horas. Em outros fusos horários sem representação

de medição também são projetadas para aplicações

local, 24 horas na pior das hipóteses. Christian Füger:

relacionadas ao produto. Eles podem prescindir de uma

“Nós nos esforçamos para um serviço de ponta a ponta

câmara climática (Imagem 3). Os eixos individuais

14 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO

Imagem 4. Medições em processo via “malha fechada”. Com a área verde escura, os valores de setpoint de deriva podem ser detectados e corrigidos, mesmo durante processos em andamento.

e a peça de trabalho são monitorados por meio de

de aumento de temperatura ou desgaste da ferramenta.

sensores para fins de compensação de temperatura.

Em comparação com a entrada manual, esses dados

As molas pneumáticas absorvem as vibrações. Ao

podem ser importados e analisados muito mais rápido e

fazer isso, a precisão da medição atende aos mais altos

com menos erros via OPC UA na retífica KN. Se um novo

padrões, mesmo em grandes volumes de produção.

resultado de medição for fornecido, o operador será

Gerhard Mohr, diretor administrativo da Kapp Niles

notificado e receberá sugestões de correção. Christian

Metrology, expõe os benefícios: “As máquinas podem

Graf, da Software Development, explica: “O que

ser acessadas livremente pelo operador por três lados

acontece aqui não é uma comparação pura entre ALVO

e, portanto, também são adequadas para carregamento

/ REAL. Pelo contrário, o operador recebe os valores

automatizado. Contra-suportes posicionáveis flexíveis

medidos preparados, o que lhe permite - com base na

são fornecidos para a medição de peças em forma de

sua experiência - decidir se e como irá intervir. Com

onda. Além disso, as máquinas podem ser convertidas

base no projeto, o rastreamento automatizado é outra

para uma nova peça em segundos com um sistema de

opção” (Imagem 4).

fixação de troca rápida.

No geral, as medidas descritas irão acelerar e

A automação também contribui pelo menos da

simplificar significativamente o fluxo de trabalho. O

mesma forma para a economia de tempo. A conexão

usuário obtém uma visão geral melhor do processo de

direta entre as máquinas de retificação e medição é

produção enquanto aproveita os vários benefícios da

conhecida como “circuito fechado” dentro do setor.

nova plataforma de software, mesmo em uma base de

A máquina de medição fornece dados não apenas na

vários fornecedores.

forma de relatórios, mas também como conjunto de dados GDE. Na primeira versão, essas são as variáveis de correção típicas (fHα, fHß, correção de comprimento

Por Martin Witzsch, jornalista, KAPP NILES,

de tangente / correção de passo) que mudam em caso

info@kapp-niles.com Revista Engrenagens

ABRIL/2021 15

CONTEÚDO TÉCNICO

ENGRENAGENS DE ANEL (GIRTH GEARS) E SEUS DESAFIOS (PARTE 1) Por João Ignacio Ibañez

1. Obejtivo: O presente trabalho é focado em apreciações sobre transmissões por Engrenagens de Anel e seus respectivos pinhões. Serão enfatizadas possibilidades de seu dimensionamento o que inclui, apreciações sobre materiais , sua qualificação metalúrgica e tratamentos térmicos. Como apoio ao tema capacidade de carga serão feitas considerações relativas à lubrificação destas engrenagens, ver Parte 2 na próxima edição.

2. Introdução/Generalidades

P

ossivelmente as atuais Engrenagens de Anel (EA)s tenham tido sua origem nas Rodas d’água medievais e nos Moinhos de trigo, típicos do

século XVII, usuais na Europa Central. A Figura 1, documenta uma dessas lembranças.

Os séculos passaram, as engrenagens de madeira e respectivos dentes insertados foram substituídos por engrenagens metálicas e, os moinhos de trigo de então, substituídos por indústrias produtoras de cimento, mineradoras e tantas outras. Como exemplo a Figura 2 é o detalhe do acionamento de digestor de uma antiga instalação da indústria açucareira, na França.

O movimento de rotação destes processadores é obtido por meio de dois tipos de transmissões. A primeira delas, inclui a denominada transmissão de comando central na qual, eixo de saida, de baixa velocidade, é conectado ao eixo do processador. A Figura 3 mostra o acionamento de um forno rotativo por meio de redutores planetários. Esta solução é geralmente usada em sistemas com mais de 6.000 kw de potência instalada.

A segunda modalidade é a conhecida transmissão lateral, pois o eixo pinhão acionante é paralelo ao eixo do processador. Ou seja, é ainda a velha solução dos

Figura 1. Engrenagem de Anel em moinho do século XVII

moinhos de trigo da Europa Central. Na dependência das potências envolvidas utilizam-se transmissõs por

Como comentado anteriormente, o objetivo deste

corrente ou de contato, desde que a potência instalalada

trabalho é aprofundar o tema Engrenagens de Anel

não ultrapasse a 55kw. A Figura 4 esquematiza três

(AE), e respectivos Pinhões (P). O tema , transmissões

sistemas de transmissão.

terá coniderações em item específico

16 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO

Figura 2. Girth Gear istalada num difusor da indústria açucareira

As Figuras 1 e 2 tornam, evidente duas caraterísticas básicas destas (EA), mantidas apesar do decorrer

geradora de dentes deste tipo de engrenagem.

Por outro lado, por serem do tipo aberto, não são

dos séculos. A primeira, são engrenagens de grandes

confinadas no interior de uma estrutura fechada que as

dimensões , a segunda, são engrenagens do tipo

protege de um ambiente mais agressivo; o que não deixa

abertas . Além, talvez, do interesse histórico, a Figura

deser um inconveniente no tocante a sua lubrificação e

2 demonstra uma grande engrenagem exposta e,

pricipalmente sua instalação.

por ser um projeto, possivelmente, dos anos 1960, a toda sorte de acidentes por falta de dispositivos de proteção; naquelas épocas segurança do do trabalho

3. Desenho Estrutural/Montagens

ainda era algo difuso e não rigidamnte regulamentado

Geralmente por seu tamanho avantajado, (EA) são

e fiscalizado. Na atualidade, as (EA ) são confinadas

estruturas compostas de dois ou mais segmentos;

no interior de carenagens que a protegem em relação ambiente, além proporcionarem segurnça em relação a acidentes. É interessante comparar as Figuras 2 e

Redutor planetário

3 no tocante aos graus de proteção, tanto do sistema

Redutor planetário

mecânico como, e, principalmente, em relação aos trabalhos executados nas proximidades.

Quanto ao tamanho, ele é relativo, pois para o

Motor elétrico

fabricante de relógios , as engrenagens automotivas são

Forno rotativo

grandes. O tamanho é mais propriamento relacionado com as dificuldades que se apresentam durante sua usinagem, tratamentos térmicos, transporte, instalação e espaços necessários para sua fabricação.

No caso de (EA)s, elas exigem instalções indústriais amplas e, acima de tudo, uma expertise única no seu desenvolvimento. A Figura 5 mostra o tamanho de uma

Figura 3. Acionamento central de forno rotativo Revista Engrenagens

ABRIL/2021 17

CONTEÚDO TÉCNICO

Figura 4. Sistemas de transmissão

tamanhos entre 12 e 14, ou mesmo, 16m de diâmetro

carregamento. Estimativas das deformações, ver Figura

não são raridades; poucas são as constituídas de uma

22 exigem análises mais sofisticadas, como processos

única peça , fundida ou forjada. Em realidade, (EA)s

de MFA.

segmentadas somente existem na sua forma integral

O tipo de montagem mais largamente empregado

em duas situações, a primeira durante sua usinagem,

corresponde ao acoplamento da (EA) a um flange

em especial, durante seu dentamento e a segunda, após

solidamente solidarizado ao moinho. Esta ligação por

sua montagem ou acoplamento na estrutura tubular do

flange é normalmente empregados em moinhos de

moinho ou forno.

operação sem aquecimento , como os semi autógenos ou

Tipicamente engrenagens com até 7m de diâmetro

de bolas. A Figura 8, salienta o detalhe da conexão com

são compostas por dois segmentos. Acima deste

flange.

limite, na dependência das instalações fabris dos seus

Em certos projetos, não raros, como nos

fornecedores, são usados de até 6 segmentos Alguns

acionamentos de fornos e secadores é necessário

outros fabricantes empregam até 16 segmentos. A

prever um isolamento térmico entre a ( EA) e a

Figura 6 é exemplo do transporte dos segmentos

estrutura tubular. Nestes casos são usadas chapas

constituintes de uma destas engrenagens.

tangenciais à superfície externa do forno e articuladas

Tradicionalmente, (EA) são desenhadas segundo,

na estrutura da engrenagem. Com esta técnica de

duas seções transversais: Seção Y e seção T. A Figura 7

acoplamento gera-se um espaço entre o forno e a

compara estas duas possibilidades. Segundo a ANSI/

engrenagem. A Figura 9 mostra o detalhe da ligação

AGMA 6114_B15, deformações estruturais ocorrentes

das chapas tangenciais e a Figura 10 documenta

nas seções transversais das engrenagens não são

o transporte de um segmento dotado com chapas

consideradas na determinação das suas capacidades de

tangenciais.

Figura 5. Geradora de dentes 18 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO 4. Tolerâncias Geométricas

desalinhamentos. No entanto, estes dispositivos têm

Como alertado anteriormente, (EA) segmentadas, se

capacidade limitada e não são pensados para atuar

tornam estruturas rígidas, somente quando ancoradas

como corretores de usinagens defeituosas ou incorretas.

firmemente nos processadores por elas acionadas.

Resumidamente, no projeto e fabricação de

Um dos desafios propostos por estas (EA)s está no

(EA)s identificam-se três sistemas de tolerâncias

fato desta infraestrutura não estar presente, na sua

geométricas. O primeiro deles aplica-se aos vários

integralidade, durante a fabricação da engrenagem;

processos de fabricação que definem a precisão e

assim, efeitos da gravidade ( as engrenagens são

as relações, entre as superfícies de referência e as

fabricadas na horizontal , mas a montagem final é

superfícies de montagem, bem como, a precisão

na vertical ) e forças desenvolvidas durante o seu

resultante no cilindro de referência da engrenagem. A

set-up em máquinas operatrizes, podem produzir

Figura 11 mostra o controle de centragem de uma (EA)

deformações elásticas apreciáveis capazes de

em função de superfície de centragem.

prejudicar, no mínimo, a facilidade de montagem e,

O segundo sistema de tolerâncias, de igual

no máximo, produzir batimentos radiais ou axiais,

importância, é o que especifica a precisão de instalação

não admissíveis. Tal desafio, evoca a necessidade de

da engrenagem quanto a excentricidades em relação ao

técnicas de fabricação e montagem regidos por sistemas

eixo da estrutura tubular.

específicos de tolerâncias geométricas. Seu objetivo

Exemplificando, os sistemas de tolerâncias acima

final é proporcionar uma precisão de montagem

comentados devem possibilitar que a engrenagem

capaz de justificar os fatores de serviço adotados no

segmentada seja ajustada e centrada em relação à

dimensionamento e projeto da transmissão. Uma

estrutura tubular de forma que seu eixo de rotação

decorrência desta última assertiva é a exigência das

coincida com eixo de rotação do equipamento.

superfícies de montagem das (EA)s serem fabricadas

Estes conjuntos de tolerâncias , são os normalmente

dentro de precisões maiores que as admitidas pelas

especificados pelos projetistas, uma vez que, ambos têm

tolerâncias tipicamente observadas, ou obtidas, durante

efeito direto sobre os fatores de serviço empregados,

a instalação. Em decorrência dos desvios observados

expectativas de vida e confiabilidade.

durante a montagem são previstos dispositivos

O terceiro sistema de tolerâncias é mais implícito

auxiliares de modo a compensar excentricidades e

e, por consequência, menos conhecido, no entanto, é o

Figura 6. Transporte de um segmento Revista Engrenagens

ABRIL/2021 19

CONTEÚDO TÉCNICO que viabiliza a utilização e emprego dos dois primeiros.

e as respectivas superfícies de junção , após sua

As tolerâncias afetas a este terceiro conjunto é o que

usinagem.

se poderia definir como o de rotina de fabricação ou

Após a ajustagem das diversas superfícies de junção,

tolerâncias internas. Elas são as relativas a precisão

os diversos segmentos são montados, constituindo-se

das máquinas operatrizes, set-up de máquinas e

assim, uma engrenagem que será, a seguir , usinada

ferramentas, controles intermediários e rotinas de

para a definição de superfícies de referência e

fabricação. Estas tolerâncias, quando formalmente

dentamento. A Figura 14 mostra o detalhe da ligação

definidas, passam a fazer parte de documentação, a

entre dois segmentos.

partir da qual se estabelece a rastreabilidade qualitativa do processo fabril . Infelizmente, mesmo dentro dos atuais sistemas de estandardização, frequentemente,

6. Materiais

estas informação acabam ficando na cabeça de alguns

6.1 Generalidades

poucos.

No tocante aos materiais empregados, (EA)s se enquadram em dois grandes grupos: fundidas em aço e/ou ferro fundido, (EAF), e em construções soldadas,

5. Ligação entre Segmentos/Juntas

empregando-se como matéria prima, aços forjados

A região mais solicitada da estrutura das (EA)s é

e/ ou laminados, ligados entre si por processos de

localizada nas imediações dos locais onde ocorre a

soldagem (EAS). Naturalmente, cada um destes grupos,

conexão entre os diversos segmentos. Ver Figura 12.

apresentam suas vantagens e desvantagens; pinhões

O desenho da junta deve proporcionar alinhamento

para o acionamento das (EA)s, majoritariamente, são

preciso e repetível entre os diversos segmentos,

fabricados em forjados.

especialmente, quanto o sequencial de dentes na região

Comparativamente aos grupos, anteriormente

da junta e garantia de não afrouxamento da ligação

referidos, não são raros os comentários sobre a

durante o processo.

menor confiabilidade ou resistência das engrenagens

Como elementos de ligação empregam-se, hastes

fundidas, em relação às forjadas. Tecnicamente,

roscadas em ambas as extremidades , pinos de

trata-se de um comentário com algum preconceito,

centragem e posicionamento, porcas e arruelas de

talvez discriminatório, mas muito conveniente,

pressão. A Figura 13 mostra segmentos da engrenagem

comercialmente, a quem se dedica à fabricação

Y

T Figura 7. Caraterísticas de seções Y e T 20 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

Predominantemente empregada em engrenagens fundidas em aço ou ferro fundido. Proporciona grande rigidez torciona aos segmentos constituintes da engrenagem, bem como, excelente rigidez ao longo da largura do dente e bom apoio à região dentada. Extensivamente usada no acionamento de fornos rotativos

A seção T, menos rígida nas extremidades e mais resiliente em relação a desalinhamentos dos pinhões de acionamento; normalmente são adicionados reforços laterais ( mão francesa ) de modo a compensar deformações nas extremidades é dotada de reforços laterais para compensar as deformações nas extremidades.

• Seção muito adaptável a construções soldadas

CONTEÚDO TÉCNICO de engrenagens forjadas. Engrenagens fundidas,

• As construções soldadas excluem a necessidade de

quando bem dimensionadas, desenhadas, fundidas,

modelos e permitem projetos mais customizados.

tratadas termicamente e usinadas com esmero, são

No entanto, o processo que envolve a qualificação de

tão resistentes e confiáveis como as demais forjadas.

ligações soldadas, quando se busca sua excelência,

O que pode variar é o tamanho e peso, em decorrência

é algo bastante demorado e dispendioso. Alguns

dos materiais e tratamentos térmicos empregados. Esta

fabricantes admitem que sua engrenagens soldadas

última decorrência não seria causa de preocupação

sejam mais caras que as correspondentes fundidas.

dado o tamanho avantajado caraterístico das (EA)s.

• A presença de inclusões não metálicas é um fato

Quanto a vantagens e desvantagens de um dos

sobejamente conhecido tanto em componentes

grupos em relação ao outro, apenas, pontuam-se fatos,

fundidos como em forjados. O fato é que estas inclusões,

possivelmente, úteis numa tomada de decisão.

quando do trabalho a quente do produto, se alinham

• Forjados e laminados, praticamente, não apresentam

segundo a direção em que o processo é executado o que

macro defeitos superficiais como bolhas fissuras a

confere aos materiais forjados e laminados um certo

quente, rechupes e inclusões de areia, mas podem

grau de anisotropia. A prática tem demonstrado que a

apresentar falhas internas somente dectetadas por

resistência de um aço é maior no sentido da laminação

ensaios com partículas magnéticas ou ultrasom .

que no sentido normal ao de laminação.

Adicionalmente, forjados têm estrutura metalúrgica

• Os fundidores preconizam que o processo de

de granulação mais fina o que lhes confere melhores

fundição é mais vantajoso em peças de geometria mais

propriedades mecânicas e maior resistência ao impacto.

complexa. Neste particular, o processo de fundição se

Guarda fixa de proteção

Engrenagem de anel

Flange de Ligação com Moinho

Figura 8. Montagem por flange Revista Engrenagens

ABRIL/2021 21

CONTEÚDO TÉCNICO 6.2 Engrenagens Fundidas Desde longa data, o ferro fundido, nas suas diversas especificações e, dadas, suas excelentes propriedades de fundição, foi empregado, com sucesso, na fabricação das (EAF)s. Modernamente ,ferros fundidos com grafita lamelar, são preteridos em favor dos ferros fundidos com grafita nodular. Mais recentemente são empregados os ferros fundidos nodulares austemperados ; os denominados ADI. Como aços fundidos buscam-se materiais de alta

Figura 9. Ligação com chapas tangenciais

confiabilidade na resistência à fadiga , capacidade de desenvolver estruturas metalúrgicas homogêneas durante os tratamentos térmicos, seguintes a desmoldagem, boa resistência ao desgaste, usinabilidade garantida e carbono equivalente suficientemente baixo para viabilizar eventuais soldagens de caráter corretivo. Ou seja, procura-se obter um verdadeiro aço para engrenagens que , para a aplicação específica, está bastante distante dos aços fundidos preferidos pelos fundidores. A Tabela 1 relaciona alguns aços fundidos ligados de emprego usual.

Quanto aos ferros fundidos, são de emprego

Figura 10. Transporte de segmento e placas tangenciais

frequente os nodulares GGG70 ou GGG80 (especificação DIN), tratados para durezas superficiais, nos flancos tradicionalizou em engrenagens de seção Y. A Figura 15,

dos dentes, de até 320 BHN. Mais recentemente são

exemplifica uma comparação entre soluções fundidas e

especificados os denominados ADI (Ausferritic Dúctil

conformadas através ligações soldadas

Iron) ,ou Nodular austenetizado.

• Na prática, o que realmente importa é a existência fornecedores especialista na construção fundida

6.3 Construções soldadas

e outros nas construções soldadas, e ambos, de

Conformadas a partir de anéis forjados ou placas de aço

experiência e renomada reputação internacional.

laminado e conformado por calandragem. Usualmente

Tabela 1. Aços fundidos baixa liga

ESPECIFICAÇÕES

PROPRIEDADES MECÂNICASS

G34CrNiMo6 G34CrNiMo4 GS35CrMo4 GS34CrMo4 SC 4140 ASTM A915/A 915M-13 SC 4340 ASTM A915/A 915M-13 22 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

Valores mínimos de Resistência à Tração e Dureza, ver item relativo a qualificação metalúrgicana

CONTEÚDO TÉCNICO são empregados como placas de baixo carbono as de especificação europeia S235 JR (St 37-2 ou 10037 segundo DIN , AFNOR E24-2). Como aço ligado 42CrMo4.

6.4 Pinhões Normalmente em aço forjado com tratamentos térmicos de, beneficiamento ( têmpera e revenimento), têmpera superficial por indução ou cementação com têmpera e revenimento. Na dependência da microestrutura a Tabela 2 sugere valores de dureza esperada par alguns materiais de emprego usual.

6.5 Qualificação Metalúrgica A publicação ANSI/AGMA 6114-B15, no item 13,

Figura 11. Emprego de superfície de referência para centragem da (EA)

define valores de tensões admissíveis dependentes de requisitos específicos no concernente a estrutura metalúrgica. Estes, abrangem itens como: Tipo de

A publicação acima especificada, qualifica dois graus

matéria prima , Tamanho de grão austenítico,

de resistência, M1 e M2 e os níveis de resistência são

Temperabilidade, Limitações ao percentual de

definidos em função da dureza, conforme como segue:

elementos de transformação superior, Limitações

• Aços normalizados e/ou beneficiados: 160 a 375 HB.

quanto a inclusões não metálicas; nos Ferros Fundidos,

• Ferro fundido nodular: 150 a 340 HB

nodularidade, percentual de nódulos e, para todos

• Ferro fundido ADI: 280 a 350 HB

materiais ensaios de dureza. No tocante a ensaios não

A qualificação metalúrgica passa principalmente

destrutivos são especificados: ensaios com partículas

pela apreciação e especificação da microestrutura de

magnéticas, ultrassom e líquido penetrante.

aços e ferros fundidos. Neste particular são importantes

Os requisitos metalúrgicos elencados nesta

as seguintes considerações.

publicação presumem composição homogênea; porém

• Nos aços normalizados a microestrutura é constituída

na prática, sempre existe a possibilidade de algum tipo

por ferrita e perlita finamente distribuída e granulação

de micro segregação na estrutura do aço, que poderá

refinada. O tratamento térmico, não tem efeito

provocar alterações na microestrutura final.

marcante no endurecimento e, seu emprego, é limitado

Tabela 2. Aços para Pinhões

AÇÕES

TRATAMENTO TÉRMICOS PROPRIEDADES MECÂNICAS

SAE 4340 / 34CrNiMo6 Beneficiamento (Têmpera e revenimento)

Valores mínimos de Resistência à Tração e Dureza , ver item relativo a qualificação metalúrgicana

EN 26 EN30B

Têmpera por Indução

52 HRc

18CrNiMo7

Cementação/têmpera e revenimento

58 a 62 HRc

40NiMocr10 EN 30B SAE 4340 / 34CrNiMo6 /EN 24

Revista Engrenagens

ABRIL/2021 23

CONTEÚDO TÉCNICO aos aços não ligados ou fracamente ligados de baixa

apresenta estrutura metalográfica constituída por

temperabilidade. Destas condições resultam, resistência

nódulos de carbono numa matriz de ferrita , ferrita

à tração entre 600 a 850 N/mm² (140 a 240 HB). Ao

perlita ou puramente perlítica.

mesmo tempo, Devido a estrutura relativamente

• Os ADIs são ferros fundidos nodulares tratados por

heterogênea são caraterísticas a baixa ductilidade e

austêmpera do que resulta uma estrutura

tenacidade em relação a resistência a tração.

de austenita estabilizada e ferrita. A matriz austenítica

• Beneficiados, são aços temperados e revenidos em

sofre transformações por tensões

toda seção transversal. Nestes, a resistência à tração

produzindo endurecimento e aumento de resistência.

desejada após o tratamento térmico, determina a

Além da qualificação metalúrgica de micro

mínima dureza a ser obtida na têmpera , de forma

estruturas são importantes a especificação de controles

assegurar boa tenacidade em relação à resistência a

por LP, ultrassom e partículas magnéticas.

tração, após o revenimento. Quanto maior à resistência

As Tabelas 5, 6, 7, 8 e 9 da ANSI/AGMA 6114_B15

atração necessária mais completa a formação de

detalham os diversos controles. Tecnicamente,todas

martensita e maior a dureza resultante.

as condições deveriam ser satisfeitas para qualificar um

• Pinhões temperados superficialmente por indução ou,

determinado grau de resistência da

cementados temperados e revenidos, requerem que a

engrenagem. A não ser que, especificamente definido, o

espessura de camada endurecida seja suficientemente

controle apropriado do processo produtivo

dimensionada de modo a resistir as tensões de

da engrenagem, com verificações periódicas é um

cisalhamento subsuperficiais, quer no flanco dos

método adequado para satisfazer os critérios

dentes quer nos filetes de concordância. Em pinhões

estabelecidos nesta qualificação.

cementados a espessura efetiva de camada é definida como aquela correspondente a dureza de 50HRc. Nos pinhões com têmpera superficial, a espessura efetiva

7. Transmissões

corresponde aquela onde a dureza diminui de 10 HRc

O objetivo deste item é ampliar o tema, suscintamente

em relação a superfície. A tabela a seguir define valores

abordado na introdução deste trabalho, dando ênfase

de espessura de camada endurecida.

às transmissões paralelas e, mais particularmente

Tratamento Térmico

as que empregam as (EA)s, A Figura 16

(He)min Espessura mínima efetiva no flanco do dente

Cementação Têmpera superficial

0,1583 · mN

0,86105

0,2303 · mN 0,86105

esquematiza estas possibilidades.

hemax

Elas são as mais difundidas, sobretudo,

Menor valor de 0,4 · mN ou 0,56 · San

Nestas equações: mN é módulo normal da engrenagem e San é a espessura normal na crista do dente

aquelas de duplo acionamento, por questões de custo e retorno de capital. A Figura 16 define limites aproximados de aplicação em função de potência instalada . Possivelmente

o inconveniente, não intransponível, desta modalidade, especialmente no duplo acionamento, é a dificuldade

É importante assegurar-se que a espessura de camada seja suficiente no filete de concordância e na raiz do dente e que, a crista do dente não seja super aquecida e fragilizada.

• Neste tipo de aplicação é admitido apenas o processo de têmpera por indução dente a dente, ou espaço a espaço, como mostra a figura ao lado que é um esquema do processo. Ela ilustra que a forma do indutor se adapta ao vão entre dentes.

• O ferro fundido nodular, dependendo do processo, 24 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

em distribuir equitativamente as potências entre os dois Flanco Flanco previamente previamentetemperado temperado Bloco de resfriamento

Indutor Indutor

CONTEÚDO TÉCNICO

Figura 12

ramos do acionamento duplo. A Figura 17 detalha uma

•

solução paro o acionamento de um moinho suportado por mancais e a construção de uma carenagem de proteção a (EA).

7.1 Transmissão Compacta ou Combinada Nas transmissões anteriormente comentadas, Figuras 16 e 17, são explicitas em demonstrar a existência de um motor principal mais um redutor, de tipo convencional, por sua vez, acoplado ao pinhão motor da (EA). O redutor principal tem o eixo de alta velocidade com dupla extensão, a segunda, acoplada a uma transmissão auxiliar. Na transmissão combinada a carcaça do

Figura 13. Superfícies de junção

redutor principal é desenhada de modo permitir a instalação de suas engrenagens, rolamentos, vedações, bem como, a do pinhão motor da (EA). A Figura 18 resume o sistema. Nas dotadas de múltiplos pinhões são incorporados sistemas de distribuição de torque, como também, dispositivos de auto alinhamento dos pinhões, ver detalhe da Figura 19.

Estes tipos de transmissões necessitam considerações especiais quanto a carcaça do redutor e a carenagem da (EA); na realidade, a carenagem é uma extensão da carcaça do redutor. Os itens seguintes são particularmente importantes.

• Movimentos dos componentes devido variações de

Figura 14. Detalhe da conexão entre segmentos

temperatura Revista Engrenagens

ABRIL/2021 25

CONTEÚDO TÉCNICO

Figura 15. Segmentos, fundido e conformados em preparação para futuras usinagens

Possibilidades de confirmar o alinhamento inicial da Acionamento Principal Redutor & Motor

carcaça do redutor com demais componentes.

• Prevenção de entrada de água e poeiras abrasivas na transmissão combinada

Pinhões de Acionamento

Engrenagem de anel

2.000 kW

• Prevenção de vazamentos da transmissão no ambiente

Duplo Acionamento Principal

Geralmente nas transmissões combinadas, o mesmo óleo lubrifica engrenagens e mancais de rolamento do redutor de alta velocidade e pinhões de acionamento da

4.000 kW Figura 16

(EA). A Figura 19 ilustra um sistema baste integrado.

Outras construções usam dois sistema independente; um para o redutor, zona de alta velocidade e, um segundo, para os pinhões e (EA). A Figura 19, também ilustra esta versão.

7.2 Pinhão e Coroa São de construção robusta, naturalmente devido aos

Mancal de apoio do moinho

tamanhos de pinhões e coroas que, por sua vez, são decorrência do tamanho dos equipamentos que por eles são acionados. A Figura 20 ilustra a montagem

Redutor principal do acionamento do pinhão

de um pinhão na estrutura de suporte. Pinhões desta natureza têm um sistema de compensação de alinhamento como detalhado na mesma figura.

Acionamento auxiliar

Estas transmissões se caracterizam por: • Altos torques na engrenagem. São usuais valores compreendidos entre 800 e 5.000 kNm • Velocidades de rotação da engrenagem compreendidas entre 0,5 a 20rpm.

• Por suas dimensões avantajadas resultam grandes

Figura 17. Detalhe de um acionamento paralelo e da respectiva carenagem 26 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

distâncias entre centros, as vezes ,variáveis.

CONTEÚDO TÉCNICO

Detalhe da Instalação

Figura 18. Acionamento de moinho tubular por transmissão compacta e respectivo detalhe de instalação

• Normalmento são empregados dentamento reto ou helicoidal. Engrenagens bi-helicoidais são de rara

K = Fator de carregamento por contato

mm2

aplicação, dado o custo. São conhecidas engrenagens bi helicoidais com até 5m de diâmetro.

• Engrenagens de módulos entre 18 a 36 em moinhos e 25 a 60 em acionamentos de fornos rotativos.

• Largura das engrenagens de até 1200mm

8. Dimensionamento Os critérios de dimensionamento propostos pela ISO e pela AGMA são de difícil aplicação, uma vez que, são mais destinados a um trabalho de análise do que de

Ft = Força tangencial ao cilindro de operação do pinhão [N] dw1 = Diâmetro de operação do pinhão [mm] b = Largura do dente da (EA) [mm] Cg = Fator dependente da relação de engrenamento da transmissão = Z2/(Z1 + Z2) Considerando as relações que existem entre torque e força tangencial, definindo como δ a relação entre largura da engrenagem e distância entre centros, e após algumas transformações algébricas, chega-se a:

síntese. Ambos tomam como referência, na definição da deterioração da engrenagem, à Resistência à Fadiga Superficial (Pitting Resistence) e Resistência a Flexão

[ ] N

——

dw13 =

4000 · T · Z1 δ · K · Z2

{em que T é expresso em [Nm]} (02)

do Dente ( Bending Strength). Derivados destes critérios existem procedimentos de natureza mais prática, que

A equação (02) é muito conveniente no

proporcionam melhores possibilidades de ante projetos.

estabelecimento de uma primeira aproximação desde

Para tanto são usados dois fatores.

que, naturalmente, possam ser definidos valores para δ

Fator K, um índice de carregamento do dente sob o

e K. δ é uma simples relação geométrica compreendida

ponto de vista da resistência a fadiga superficial sendo

entre 0,150 até 0,230. Dentro dos critérios de cálculo

definido pela seguinte relação:

adotado pela AGMA nas suas publicações, K exprime

Ft K = —————— (01) dw1 · b · Cg

uma condição de resistência. Aprofundando esta análise o fator K é uma decorrência do parâmetro Kaz, que, por sua vez, é calculado pelas seguintes relações Revista Engrenagens

ABRIL/2021 27

CONTEÚDO TÉCNICO

Circuito para redutor de velocidade Sistema para pinhões e (EA) Sistema de lubrificação fechado

Sistema de lubrificação aberto

Sistema duplo de lubrificação Sistema único de lubrificação Figura 19. Sistemas de lubrificação em transmissões combinadas

Nestas equações os fatores estão agrupados em dois conjuntos: Grupo de fatores relativos à resistência dos materiais empregados e à vida prevista, antes da ocorrência do fenômeno da fadiga superficial. σHP1 e σHP2 são resistências à fadiga superficial de pinhão e coroa considerando-se 107 ciclos de carregamento, Zn1 e Zn2 são fatores de ciclos que corrigem os valores de σHP1 e σHP2 para outros números de ciclos de carregamento, Ze o denominado fator de elasticidade que depende do par de matérias de pinhão e engrenagem e Zw fator de relação de durezas.

Grupo de fatores relativos a geometria das engrenagens em que, Zi é fator geométrico que expressa a influência da geometria das engrenagens

Figura 20

sobre sua resistência a fadiga superficial, Kh um fator

que leva em conta a desuniformidade na distribuição

de carregamento segundo a largura do dente, Kv

Kaz1 =

Zi Kv · Kh · Cg

·

(

σ HP1 · Zn1 Ze

denominado fator dinâmico e Cg foi previamente

)

2

definido.

(03)

Semelhantemente, no tocante a resistência à fadiga de flexão no pé do dente, define-se um fator de carga unitário pela seguinte relação

(

)

2

σHP2 · Zn2 · Zw Zi

(04) Kaz2 = · Ze Kv · Kh · Cg

Ua =

Ft b · mN

[

N mm

]

(05)

Nesta equação , com exceção de mM, módulo normal do dentamento, os demais fatores foram previamente 28 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO

Contato por falta de paralelismo

Contato por discordância de planos

Plano paralelo Contato Correto

Figura 21. Zonas de contato entre flancos

definidos. Fazendo-se considerações semelhantes,

as resistências á fadiga dos materiais empregados,

deduz-se

para 107 ciclos de carregamento e Yn os fatores de

ciclo para a solicitação de flexão. Quanto ao grupo de

dw13 =

fatores geométricos , Yj1 e Yj2 definem a influencia

4000 · T · Z12

da geometria das engrenagens em relação a sua

δ · Ua · (Z1 + Z2) · cosβ

{em que T é expresso em [Nm]}

resistência à flexão, β é o ângulo de inclinação de (06)

hélice e Kb o fator de espessura de aro.

O fator Kb exige uma consideração adicional; ele leva em conta a fragilidade da estrutura que suporta

Por sua vez, Ul exprime uma condição de resistência à

os dentes da (EA). Se a relação mb=tr/ht em que, tr é a

flexão do dente. Aprofundando esta análise o fator Ua

espessura do aro abaixo dos dentes e ht, a altura total

é uma decorrência dos parâmetros Ul1 e Ul2, calculado

do dente, for menor que 1, calcula-se Kb = − 1,788 · mb

pelas seguintes relações:

+ 2,7636, caso contrário, mb>1, Kb=1.

(EA)s têm particularidades típicas dificilmente

Uay1 =

Yj1 cosβ · Kv · Kh

traduzíveis em parâmetros usualmente empregados · σFP1 · Yn1

(07)

nos processos tradicionais de dimensionamento. Por esta razão prefere-se, num pré dimensionamento, adotar critérios como os acima comentados . Para proporcionar algo mais quantitativo, foi executado

Uay2 =

Yj2 cosβ · Kv · Kh · Kb

· σFP2 · Yn2

(08)

um cálculo inverso nos quatro exemplos contidos na publicação ANSI/AGMA 6114-B15 Os resultados estão resumidos na Tabela 3. É importante salientar que a ANSI/AGMA 6114-B15

O grupo de fatores relativos a resistência dos

não considera nas suas análises o tipo de aplicação.

materiais compreende σFP1 e σFP2 da correspondentes

Esta ambiguidade é contornada pela utilização dos Revista Engrenagens

ABRIL/2021 29

CONTEÚDO TÉCNICO Região de máxima deformação

Região de máxima deformação

Figura 22. Deformações típicas nas seções transversais

Fatores de Serviço ( FS ) de tradicional emprego, desde

• Quanto a resistência à flexão , os valores de Uay2 são

longa data. A Tabela 4, da mesma publicação sugere

mais dispersos, razão pela qual, é mais seguro adotar

valores de CSF , considerando a fadiga superficial e

valores Uay2 com base na dureza do mateial da (EA) e

KSF para flexão do dente.

dai, dividi-lo (FS) adequado a processo.

Por sua vez, Dudley sugere para : grandes acionamentos de fornos e moinhos os valores contidos na Tabela 5.

9. Motores de acionamento

Função deste estudo são pertinentes as seguintes

O tipo de motor principal de todo sistema pode

orientações

impactar severamente o valor do fator de serviço

• Os valores de Kaz1, Kaz2, Uay1 e Uay2

selecionado , bem como, todo desempenho do sistema

correspondentes a condição de 29.000 horas de

de transmissão. Cargas resultantes na partida e

trabalho, não serão considerados no que segue,

conexões, entre os diversos componentes do sistema

justamente devido a diferença marcante no número de

de transmissão, devem ser revistos adequadamente.

horas de trabalho.

Motores com alto torque de partida (>250% do nominal

• Quanto maior os valores de K e U selecionados

)e aplicações que, envolvam partidas e paradas

menores as dimensões resultante das engrenagens e

frequentes, podem exigir um dimensionamento

também maior o risco de deterioração superficial dos

específico para estas condições extremas. O emprego

flancos e fadiga de flexão na raiz do dente.

de transmissões paralelas de duplo acionamento,

• Considerando-se as solicitações nos flancos dos

podem ser a causa de sobrecargas quando não bem

dentes, o fator mandatório é a resistência à fadiga

balanceadas em termos de repartição de torques.

superficial dos flancos dos dentes da (EA). Uma análise os valores de Kaz sugere que se possa adotar um valor médio de Kaz2=1,6 que, dividido pelo (FS), fornece o

10. Fatores adicionais

valor de K de projeto.

Apesar de serem disponíveis orientações, bem

30 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO Tabela 3. Valores de Kaz1, Kaz2 , Ul1 e Ul2

K[N/mm2] Lh [horas]

219.000

29.000

Relação de durezas

[rpm] pinhão

55HRc/245HB

UI[N/mm2]

Kaz1

Kaz2

Uay1

Uay2

200

4,66

2,22

90,65

79,66

55HRc/325HB

180

2,74

1,78

37,36

36,62

55HRc/265 HB

126,5

2,61

1,19

49,63

40,63

350HB/285HB

153,6

1,78

1,52

34,80

29,80

300HB/180HB

15,2

1,59

1,11

68,57

55,30

350HB/335HB

11,9

3,95

5,09

56,60

78,54

Tabela 4. Fatores de serviço Aplicação

Aplicação

CSF ( Fadiga Superficial)

1,75 ξ 1), ξ 3)

Fornos 1,00 ξ 1), ξ 2)

1,50 ξ 1), ξ 3)

1,5 ou 1,75 ξ 4)

2,50

1,65 ou 1,75 ξ 4)

2,65

Resfriadores Secadores Moinhos de bolas Moinhos Autógenos Moinho de barras

KSF (Flexão do dente)

Notas: ξ 1) Quando a velocidade da engrenagem for maior ou igual a 1,5 rpm, multiplicar este fator de ser serviço por (0,07 · n2+0,090) onde n2 é avelocidade da engrenagem em rpm ξ 2) Máximo valor é 1,40 ξ 3) Máximo valor é 2,25 ξ 4) Em aplicações de alta potência >3.000 kW, ou processos de um único ciclo usar CSF=1,75

fundamentadas, quanto ao dimensionamentos e

• A prática tem demonstrado que mesmo dentro da

análise dos resultados , elas podem ser de pequeno

melhor técnica, dificilmente obtém-se uma área de

significado, caso não se atente, cuidadosamente, a

contato entre flancos maior que 50 a 60%. Contato

fatores como os que a seguir são nominados.

maior, somente após ajustagem e alinhamento do

• O tamanho avantajado da (EA)s promove

pinhão na montagem final. O fator Kh sugerido pela

inconsistências nos tratamentos térmicos com

AGMA nem sempre é suficiente para absorver estas

consequentes alterações na estrutura metalúrgica

variações . Em outras palavras a confiabilidade do

inicialmente prevista. Menor confiabilidade nos

dimensionamento vai depender da expertise da

valores de tensões admissíveis.

montagem. A Figura 21 é uma demonstração de

• Inconsistência em durezas superficiais com reflexos

situações possíveis.

na usinagem e na textura superficial .

• Deformações estruturais na seção transversal das Revista Engrenagens

ABRIL/2021 31

CONTEÚDO TÉCNICO Tabela 5. Valores de K e Ul segundo Dudley

Durezas Pinhão

Engrenagens

225 HB

210 HB

335 HB

300 HB

58 HRc

58 HRc

Ciclos de carregamento do pinhão

K[N/mm2]

UI[N/mm2]

0,83

24

1,24

31

3,45

41

108

(EA)s, como as indicadas na Figura 22, são causas de

Referências

sobrecarga em regiões dos dentes.

[1] ANSI/AGMA 6114-B15- Gear Power Rating for

• O subdimensionamento da espessura do aro suporte

Cylindrical Shell and Trunion Suported Equipment.

dos dentes pode transferir a solicitação crítica de

[2] W. T. Chester – “The Design and Metallurgy of Heavy

flexão do pé do dente para a estrutura da engrenagem,

Gears” . Source Book on Gear design, Technology and

dai a importância do fator Kb.

Performance. ASM Engineering Bookshef.

• Pinhões e coroas não são instalados numa estrutura

[3] Steve Lovell-“ Girth Gears- More than just Metal

única. Fato que pode exigir realinhamentos

and Teeth” . Gear Technology/ May 2017.

frequêntes. O controle de folgas de engrenamento são

[4] Darle W. Dudley – Handbook of Practical Gear

de fundamental importância.

Design . Technomic Publishing Co. Inc.

• A precisão da montagem pode dar origem a

[5] George Henriot – Engrnages , Conception

batimentos radiais e flutuações de carregamento.

·Fabrication ·Mise en Oeuvre . Dunod

• A Publicação AGMA acima referida não considera

[6] Tim Zwirlein- “ A Comparison of Steel Castings

como condições de resistência fenômenos de

vs Forging for Large Structural Components . Falk

micropitting desgaste e scuffing bastante comuns

Corporation.

nestas aplicações. Na grande maioria dos casos

[7] FLSmidth/ Maag Gears -Girth Gears, Theory and

estas danificações são limitadas por processos de

technology.

lubrificação de rígido controle.

[8] David Brown – Mill and Kiln Gears- Installation and Maintenance Manual [9] Die Kugellager-Zeitschrift 159 – Kontinuierliche

11. Conclusões

Diffusiosanlagern in Französischen Zuckerfabriken.

Foram comentadas, sem esgotar o tema , às

[10] MAAG GEAR - LGDX Lateral Gear Unit / designed

caraterísticas básicas das Engrenagens

for longevity

de Anel , Girth Gears. Também foram comentados as

[11] DMG2 Flender Gear Units

dificuldades na utilização de critérios de cálculo,

[12] Feeco- Indirect Rotary Coolers

propostos por ISSO e AGMA, para o dimensionamento de pinhões e engrenagens de anel. Foi

Por João Ignacio Ibañez, graduado em Engenharia em 1959

enfatizado a utilização de índices de carregamento, K

pela Escola de Engenharia da UFRGS. Professor Fundador da

e Ul , bem como, propostos valores capazes de permitir

Cadeira de Elementos de Máquinas da Escola de Engenharia

pré dimensionamentos básicos. Foram comentados

da UFSC. Vice Presidente Técnico da Copé Cia Ltda,

aspectos que dificultam análises formais relativas as

Equipamentos para a indústria de composto de borracha e

capacidades de carga destas engrenagens

termo plásticos até 2020. Atualmente, Consultoria Técnica , na área de Acionamentos Mecânicos.

32 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO

ENGRENAGENS 4.0: AS SUPER-ENGRENAGENS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA DO FUTURO

O

Por Lucas Robatto e Ronnie Rego

contexto atual reúne uma tendência aceita,

Noruega, o marketshare de veículos elétricos hoje já

embora não efetivamente compreendida,

ultrapassa 50%[5].

de Indústria 4.0, e uma ampla incógnita

O comportamento do consumidor também aponta

ao redor da concepção do “novo normal”. Frente às

para a mudança, e 10% dos veículos vendidos em 2030

mudanças, a capacidade de se adaptar é fundamental

poderão ser um veículo compartilhado[1]. A propriedade

não só para as espécies, mas também para as

de veículos deve dar lugar a transporte baseado em

organizações. Nas indústrias e nos negócios, respostas

serviço, um conceito que tem sido conhecido como

rápidas às transformações no ecossistema irão

“Mobility-as-a-Service”. De modo a manter a sua fatia

demandar disrupção tecnológica e principalmente

do mercado automotivo, a proposição de valor de

um comportamento organizacional ágil e quebra

montadoras de veículos pode evoluir de fornecimento

de resistências a mudanças. Quanto à Indústria de

de hardware para fornecimento de serviços de

Engrenagens, grandes transformações caminham de

mobilidade[1].

mãos dadas com a Indústria Automotiva.

Embora sejam apenas previsões, elas explicitam

Mobilidade elétrica, veículos compartilhados,

um caminho irreversível na indústria, e as suas

autônomos, conectados e sustentáveis são as tendências

consequências devem impactar todo o ecossistema,

que estão se concretizando. Previsões indicam que,

incluindo a Indústria de Engrenagens. A Figura 1

até 2030, em torno de 30% dos novos veículos serão

ilustra o veículo nesse cenário da indústria automotiva

elétricos

[1, 2, 3]

e que em 2050 os veículos elétricos devem

corresponder de 80% a 90% de toda a frota global[4]. Na

futura.

Como ficam as engrenagens nesse novo contexto?

O mercado e pesquisas técnicocientíficas indicam que o mito de que veículos elétricos não irão precisar de transmissões e engrenagens foi quebrado.

Do contrário, as exigências e evoluções dos requisitos de desempenho apontam para a necessidade de SuperEngrenagens.

O motor elétrico é capaz de

operar em uma faixa muito mais ampla de velocidades enquanto fornece torque apropriado à máxima potência, em comparação Figura 1. Previsão para a Indústria Automotiva em 2030[1, 3]

com motores à combustão, como Revista Engrenagens

ABRIL/2021 33

CONTEÚDO TÉCNICO

Figura 2. Características de desempenho de motores a combustão interna e motores elétricos[6, 7]

mostrado na Figura 2. O efeito dessa característica

elétricos através de elevadas velocidades de operação

é que uma transmissão de uma única velocidade

entre 30.000 e 50.000 rpm, permitindo a redução de

pode ser suficiente para o veículo elétrico atender a

massa de motores em torno de 30%[11, 12].

requisitos de desempenho dinâmico. Transmissões de

Como veículos elétricos têm menos engrenagens

uma velocidade ou de engrenamento fixo atualmente

e operam com velocidades consideravelmente mais

dominam o mercado elétrico. Sistemas de propulsão

elevadas, as engrenagens devem então resistir a ciclos

elétricos de motor duplo nas rodas têm sido utilizados

de vida muito mais severos quando comparados com

em pequena escala ou em demonstrações .

aqueles de transmissões automotivas tradicionais. A

Em conflito com esse cenário paira outra tendência

combinação de veículos elétricos com a mobilidade

amplamente disseminada, a necessidade por sistemas

compartilhada e autônoma faria esse cenário ainda

de propulsão de alta eficiência energética[9, 10]. Nessa

mais rigoroso, já que que os veículos teriam uma maior

direção, um sistema de transmissão de duas ou mais

taxa de utilização. Alta resistência à fadiga seria então

velocidades permite a exploração da região de maior

um requisito ainda mais crítico para as engrenagens.

eficiência de um motor elétrico. Como resultado,

A taxa de manutenção e de reposição de engrenagens

menores motores e baterias são viabilizados enquanto

pode, dessa forma, talvez contrabalancear uma menor

operam com a mesma potência e com elevada

demanda inicial do componente por transmissão.

eficiência.

Cabe ressaltar que a elevada faixa de velocidades de

Uma transmissão de duas velocidades para veículos

motores elétricos deverá implicar em um aumento da

elétricos pode fornecer os benefícios de redução do

geração de calor na transmissão, devido às elevadas

máximo torque fornecido pelo motor e aumento da

frequências de forças friccionais e também demandar

velocidade máxima, o que permite downsizing do

diferentes requisitos de adesão de lubrificantes[13].

sistema elétrico e ampliação da faixa operacional.

Os requisitos de ruído, vibração e aspereza (NVH

Transmissões de três ou mais velocidades podem

– noise, vibration and harshness) serão também

permitir benefícios adicionais de eficiência para esses

determinantes para as engrenagens no contexto da

veículos, mas o aumento de custos e a complexidade

eletromobilidade, por duas razões. Primeiramente, o

de manufatura e controle tende a torná-las menos

motor à combustão, o mais crítico sistema aos requisitos

atrativas que a opção de duas velocidades.

de NVH, será substituído pelo motor elétrico, que é

Enquanto a velocidade operacional máxima de

consideravelmente mais silencioso[14]. A ausência de

motores a combustão normalmente encontra-se na

ruídos mascarantes dos motores à combustão deverá

faixa de 6.000 a 8.000 rpm, veículos elétricos modernos

então tornar os ruídos e vibrações das transmissões

alcançam valores próximos a 16.000 rpm. Pesquisas

sensivelmente mais evidentes, ao provável ponto de

recentes têm ainda mostrado o potencial de aumentar

alavancar o sistema ao topo das preocupações com esse

a densidade de potência e a eficiência de motores

requisito.

[8]

34 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO

Figura 3. Engrenagens 4.0

Como segunda razão, as velocidades mais elevadas

naturalmente o desenvolvimento de materiais

de motores elétricos irão alterar definitivamente

avançados e um integrado arranjo de controle entre

o comportamento excitacional das engrenagens e

os processos de fabricação da cadeia produtiva de

componentes de interface, particularmente ruídos de

engrenagens.

Whine de alta frequência, causados pela frequência

Não somente do âmbito técnico, questões no sentido

de engrenamento e suas harmônicas. Esses ruídos são

da produção e do aftermarket surgirão também.

concentrados em um estreito espectro de frequência

Em um cenário de veículos elétricos, autônomos,

por conta da periodicidade do engrenamento e são

compartilhados e conectados, uma infinidade de

percebidos como ruídos tonais, que podem causar

dados poderá estar disponível, demandando soluções

mais desconforto do que ruídos espalhados sobre uma

de Big Data. De posse de dados da frota, a manutenção

ampla faixa de frequências

[14]

.

das engrenagens poderá ocorrer just-in-time e dados

Na esteira da discussão do ruído de Whine,

de transmissões de veículos de diferentes localidades

a principal fonte de ruído de engrenagem é o

e que passam por diferentes trajetos permitirão então

erro de transmissão, que consiste no desvio do

customizar as engrenagens conforme o seu histórico

posicionamento angular entre os eixos de entrada

de carregamentos.

e saída do par de engrenagem, causado por

Esse cenário futurístico pode parecer ficção, mas

erros geométricos, sejam a partir de deflexões

é o sentido para o qual as tendências têm apontado.

ou desvio e modificações da microgeometria do

Mudanças radicais de requisitos irão demandar

dentado

[15]

. A excitação do erro de transmissão

soluções inovadoras, disruptivas e Engrenagens

leva a ruídos transmitidos pela estrutura, que são

4.0 (Figura 3). Não se pode esperar que os métodos

transferidos através do corpo da engrenagem e

tradicionais continuarão sendo a solução. Novos

outros componentes estruturais até terminar em

materiais, novos processos de fabricação e soluções

ruído transmitido pelo ar. Portanto, uma elevada

antes não viáveis ou imagináveis serão necessários.

qualidade dimensional e propriedades de isolamento

As próximas décadas mostrarão os próximos

e amortecimento de ruído devem ser demandas para

capítulos dessa história. E cabe a nossa Indústria se

essas Super-Engrenagens. Tal objetivo engendra

adaptar e ajudar a escrevê-la.

Revista Engrenagens

ABRIL/2021 35

CONTEÚDO TÉCNICO Referências [1] MCKINSEY & COMPANY. Automotive revolution perspective towards 2030, p. 20. 2016.

[2] PWC. Five trends transforming the Automotive Industry, p. 48. 2017.

[3] BCG. Who will drive electric cars to the tipping point, p.

23. 2020.

[4] KAH, M. Electric vehicle penetration and its impact on global oil demand: a survey of 2019 forecast trends. Center of Global Energy Policy, Columbia University. New York, p. 29.

2019.

[5] BLOOMBERGNEF. Electric Vehicle Outlook 2019. 2019.

[6] RIND, S. J. et al. Configurations and control of traction motors for electric vehicles: a review. Chinese Journal of Electric Engineering, v. 3, p. 1-17, December 2017.

[7] EHSANI, M. et al. Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles. 3rd Edition. ed. Boca Raton: Taylor & Francis Group, LCC, 2018.

[8] PARK, G. et al. Integrated modeling and analysis of dynamics for electric vehicle powertrains. Expert Systems with Applications, v. 41, p. 2595-2607, 2014.

[9] SCHULHOUSER, R. Drive technology – gears. Capital Mind - Sector Report, 2016.

[10] GOLDSTEIN M. State of the gear industry. J Gear Technol 35-1, 2018.

[11] REICHERT, U. et al. High speed electric drive with a threespeed gear box. CTI Mag: The automotive TM, HEV and EV drives magazine by CTI, p. 25-27. 2016.

[12] NITSCH, C.; HÖHN, B.-R.; STAHL, K. Prospects of Compound-Gears for e-Mobility Applications. Conference on Future Automotive Technology: Focus Electromobility.

Munich: Lienkamp, M. 2013.

[13] BRAUER, S. High Speed Electric Vehicle Transmission.

Master Thesis, Karlstad University. Södertälje, p. 72. 2017.

[14] KÜPPERS, T. Results of a structured development process for electric vehicle target sounds. Aachener Akustik Kolloquium, p 63-71. 2012.

[15] ÅKERBLOM, M. Gear Noise and Vibration: A literature survey. KTW - Royal Institute of Technology. Stockholm.

2001.

Por Lucas Robatto e Ronnie Rego; Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, Centro de Competência em Manufatura – CCM robatto@ita.br, ronnie@ita.br.

36 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

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CONTEÚDO TÉCNICO

MOBILIDADE ELÉTRICA E AS ALTAS REDUÇÕES DE VELOCIDADE: SPIROID® E HELICON® Resgatando um tremendo potencial Por Antonio Gallinucci

A

primeira vez que li sobre

tais como telescópios, veículos

da concepção desses conceitos,

Spiroid foi em 1981, no

bélicos, divisores mecânicos, etc. O

vamos começar pela Spiroid, já

curso de engenharia.

considerável grau de recobrimento

que a Helicon é um caso particular

Estudando o “Gear Handbook” do

(contact ratio) associa-se à precisão,

quando o ângulo do cone primitivo

famoso Darle W. Dudley, deparei-

distribuindo a carga e os erros em

é zero. Imagine uma hélice

me com essa preciosidade.

vários dentes.

desenvolvida sobre uma superfície

Bem, isso ficou marcado naquele

Essas duas formas, Spiroid e

cônica, tal qual uma rosca cônica

cantinho da memória, coisa de

Helicon, foram patenteadas pela

mencionada acima. Uma linha que

engenheiro, brotando de vez em

Illininois Tool Works, em Chicago.

circula sobre a superfície de um

quando para aguçar a curiosidade

O inventor foi Oliver E. Saari, e

cone cujo ângulo da reta tangente a

Encontrei, junto com a Spiroid,

você pode consultar a patente aqui:

essa hélice seja, em algum ponto de

a Helicon. Dentre aquelas infinitas

1499089765883506368-02696125

referência escolhido, o mesmo para

fórmulas das engrenagens cônicas

(storage.googleapis.com).

ambos os membros (Figuras 2 e 3).

hipoidais, apareciam essas duas

Diferentes das hipoidais

Deve-se decidir por uma das duas

outras geometrias, com mais

desenhadas pelo sistema Gleason

opções de modelo matemático:

fórmulas e outro conceito. Chamou-

ou Örlikon, cujo número de dentes

a) pressupor um ângulo de hélice

me a atenção o grande offset do

do pinhão não é menor do que 6

constante,

pinhão em ambos os casos (Figura

(pelo menos nunca vi menos que

ou, exclusivamente,

1), responsável por permitir

isso), as Spiroids permitem projetos

b) conceber uma hélice com passo

transmissões com altas reduções e,

com pinhões de um dente apenas,

constante

consequentemente, altos torques.

caracterizando uma rosca cônica de

A opção assumida pela Illinois

As aplicações são as mais

uma entrada. Ora, com um número

Tool Works foi a de um passo

diversas. Via de regra, são utilizadas

reduzido de dentes no pinhão

constante. Isso significa que o

para movimentos de precisão

cresce muito a possibilidade de

ângulo de espiral muda conforme os

aumentar a relação de transmissão,

dentes vão avançando do começo ao

o que torna essa concepção ótima

fim do engrenamento.

para aplicações em elevações

A princípio, pode parecer um

significativas de torque com a

tanto estranho, mas a vantagem

correspondente densidade de

esconde-se atrás de um conceito

potência. Essa propriedade é

singelo: a praticidade do método de

extremamente atraente para

manufatura. Eu explico.

veículos elétricos. Entretanto, caso

Nos artigos anteriores dessa

a redução seja muito grande, pode

revista eu expliquei o princípio de

ser que surja a auto frenagem na

geração através da cremalheira

inversão do torque.

de referência, seja plana como no

Para dar uma ideia bem simples

caso das engrenagens geradas, seja

Figura 1. Motion Control Tips (by Lisa Eitel)

Revista Engrenagens

ABRIL/2021 37

CONTEÚDO TÉCNICO cinemática de corte da coroa. O pinhão é torneado como uma rosca cônica e retificado como um semfim.Isto pode ser visto em What is Spiroid? - Advanced Gear Solution - Bing video (time 1’31”). A Figura 4, infelizmente de qualidade reduzida, Figura 2. Gear Handbook (4-47)

dá uma ideia do posicionamento em uma fresadora por caracol.

Figura 4. Corte de dentes da coroa Spiroid

Como consequência do offset

Figura 3. Gear Handbook (4-47)

do pinhão, ocorre o desequilíbrio

o crowning de perfil e o crowning

do ângulo de pressão entre os

de hélice. Nas Spiroids ou Helicons

flancos de tração ou de marcha-à-

originalmente desenvolvidas não

ré, fruto do plano de trabalho do

há crowning de perfil. O contato

par. A ITW padronizou os designs

é, portanto, caracterizado por

para 10° no drive e 30° no coast,

uma linha reta do fundo ao topo

ou 15° e 35° respectivamente (fig.

do dente de contato. Essa linha

5), dependendo da relação de

vai progredindo de heel para toe

transmissão.

na coroa conforme o pinhão vai

Em complementação, podemos

girando. Já o crowning de hélice

cônica no caso das engrenagens

dizer que estas não são as únicas

pode ser gerado com avanço e

tipo “formate”. Pois bem, aqui

formas de altas reduções com

retração no eixo da ferramenta

nas Spiroids temos a referência

grande offset do pinhão. Por

durante o corte da coroa, e/ou

de geração partindo do pinhão

exemplo, é possível realizar

movimento similar do pinhão

cônico. Ele é a base da geração

cálculos no sistema Gleason

durante o processo de acabamento,

da coroa conjugada. Imagine-

para Superhypoids. Em uma

que pode ser lapidação também,

se, portanto, uma rosca cônica

experimentação que realizei com

como no caso das hipoidais.

com passo constante – é como se

um pinhão de 6 dentes e uma coroa

Um modelo com crowning de

fosse um caracol com uma ligeira

de 60 dentes, pude notar uma forte

perfil e de hélice foi desenvolvido

conicidade cuja geratriz tivesse a

sensibilidade na relação (diâmetro

por (De Donno & Litvin, 1999).

rosca cônica com o perfil da rosca

da coroa)/(diâmetro do cortador)/

Nesse formidável trabalho do

constante deslocando-se sobre

(offset do pinhão).

professor Litvin, o contato dos

essa geratriz. Nas engrenagens

Não se deve esquecer que

dentes pode ser posicionado sem

cilíndricas normais, o cortador

transmissões com grande

tanta sensibilidade às variações

caracol avança radialmente de

escorregamento entre flancos

e desalinhamentos decorrentes

encontro à peça a ser cortada e vai

dos dentes são propícias a uma

da usinagem dos componentes.

gerando os dentes conforme avança

considerável dissipação de calor,

Da mesma maneira, uma função

axialmente na lateral do blank.

de maneira que o acabamento

parabólica pré-definida para os

Pois bem, aqui a coisa é diferente:

superficial dos dentes, a precisão

erros de transmissão permite

o cortador desce em cima da face

da microgeometria, o lubrificante,

agregar suavidade ao movimento

da coroa e avança na profundidade

a área de dissipação da carcaça

com a deformação proposital

final do dente. Todavia, fica difícil

dentre outras características

do flanco dos dentes. Além do

explicar apenas escrevendo. No site

merecem uma atenção especial.

modelo, nesse mesmo trabalho

This is ITW Heartland - YouTube

Por falar em microgeometrias,

são estudadas as condições de

(time 1’56”) o leitor poderá ver a

duas delas provocam curiosidade:

interferência (undercut) e o controle

38 ABRIL/2021

Revista Engrenagens

CONTEÚDO TÉCNICO

PORTAL AQUECIMENTO INDUSTRIAL Confira as mais recentes notícias do Portal Aquecimento Industrial e tenha informações sobre a indústria metalmecânica no brasil e do mundo.

Figura 5. Desequilíbrio do ângulo de pressão

da largura de topo dos dentes. Nesta última, a correlação entre o ângulo de pressão e a largura do topo do dente da coroa é desenvolvida, de maneira a impedir que o projeto deixe o dente “pontudo”, ou com espessura “zero” na cabeça.

As referências bibliográficas aqui mencionadas são de grande utilidade para quem desejar se aprofundar um pouco mais nessas transmissões. São artigos e livros de valor prático e teórico. Não

%5$6,/

The International Journal Of Thermal Processing

Benefícios da Sinterização a Vácuo

principais bibliografias.

ESTAMPAGEM &

42

CONFORMAÇÃO

BRASIL

Stamping & Forming Magazine Brazil

Como Cortar Custos com Datalogger 34 Tratamento Criogênico Profundo 38 Oxidação Intergranular: Castigo ou Vantagem?

mencionei o Gear Handbook por ser já muito conhecido, mas é uma das

Jan a Mar 2019

16

Revista de Corte, Estampagem e Conformação de Chapas, Arames e Tubos

46

17 Vendido o Maior Forno a Vácuo da América do Sul Seminário de Processos de TT em Abril na Delphi, em Piracicaba (SP) 16 Seminário de Manutenção e Segurança de Fornos em Junho na Combustol Fornos, em Jundiaí (SP)

REVISTAS TÉCNICAS

Maio 2019

Estudo Virtual de Processos de Conformação

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Referências DE DONNO, M., & LITVIN, F. L. (1999).

Computerized design, generation and simulation of Meshing of a spiroid worm-gear drive with a ground double- crowned worm. Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME, 121(2), 264–273. https://doi. org/10.1115/1.2829453

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Por Antonio Gallinucci; da Engrecon S.A., é engenheiro mecânico pela Mauá, com pós-graduações pela USP e Unicamp, e está completando o

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