Já se interrogou sobre a forma como a energia é transmitida entre máquinas? As transmissões por correia são uma solução simples, mas engenhosa, que revolucionou a engenharia mecânica. Nesta publicação do blogue, vamos explorar o fascinante mundo das transmissões por correia, desde os seus princípios básicos até às suas diversas aplicações. Junte-se a nós enquanto desvendamos os mistérios por detrás deste componente essencial da maquinaria moderna e descubra como continua a moldar o nosso mundo atual.
Uma transmissão por correia é um sistema de transmissão de energia mecânica que transfere o movimento de rotação e o binário de um eixo de acionamento para um ou mais eixos acionados utilizando uma correia contínua e flexível. Este sistema é particularmente eficaz quando os componentes de acionamento e de tração estão separados espacialmente, permitindo uma transferência de potência eficiente ao longo de distâncias consideráveis.
As transmissões por correia são constituídas por vários componentes-chave:
Em comparação com outras transmissões mecânicas, as transmissões por correia oferecem várias vantagens:
No entanto, as transmissões por correia também têm limitações:
O sistema de acionamento por correia é um mecanismo fundamental de transmissão de energia que inclui vários componentes-chave: uma polia motriz, uma polia movida, uma correia de transmissão firmemente colocada sobre ambas as polias e uma estrutura de suporte da máquina, conforme ilustrado na figura 8-1. Esta disposição facilita a transferência de energia mecânica de um eixo rotativo para outro através de forças de fricção.
A polia de acionamento, normalmente ligada a uma fonte de energia, como um motor elétrico ou um motor, inicia o movimento do sistema. À medida que roda, a fricção da superfície da polia engata na correia de transmissão, fazendo-a mover-se. Este movimento é então transferido para a polia acionada, que está montada no eixo da máquina ou dispositivo que necessita de energia.
A eficiência e o desempenho de um sistema de transmissão por correia dependem de vários factores:
Os accionamentos por correia oferecem vantagens como a absorção de choques, a redução do ruído e a capacidade de transmitir energia a distâncias consideráveis. No entanto, podem necessitar de manutenção e substituição periódicas devido ao desgaste e ao estiramento ao longo do tempo.
1- Polia de acionamento
2- Polia de acionamento
3- Correia de acionamento
As transmissões por correia podem ser classificadas em tipos de fricção e de engrenagem, de acordo com os seus princípios de acionamento. Este artigo aborda principalmente questões relacionadas com accionamentos por correia de fricção.
2.1. Os accionamentos por correia de atrito funcionam transmitindo movimento e potência através da força de atrito gerada entre a correia de acionamento, que se encaixa firmemente na polia, e a superfície de contacto da polia. Com base na forma da secção transversal da correia de transmissão, estas podem ainda ser divididas em correias planas, correias em V, correias com várias arestas e correias redondas.
2.1.1 A secção transversal de uma correia plana é retangular e a sua superfície interior que entra em contacto com a polia é a face de trabalho. É utilizada principalmente para a transmissão a longa distância entre dois veios paralelos que rodam na mesma direção.
2.1.2 A secção transversal de uma correia trapezoidal é trapezoidal, com os dois lados em contacto com a ranhura da polia a servirem de superfícies de trabalho. A ranhura da polia também é trapezoidal. A análise da força na superfície da cunha revela que, em condições de tensão e de coeficiente de atrito iguais, a força de atrito gerada pela correia trapezoidal é superior à da correia plana.
Por conseguinte, a correia trapezoidal tem uma capacidade de transmissão mais forte e uma estrutura mais compacta, o que a torna muito utilizada na transmissão mecânica. Em função da sua largura e altura relativas, as correias trapezoidais podem ser divididas em tipos como as correias trapezoidais normais, as correias trapezoidais estreitas, as correias trapezoidais largas, as correias trapezoidais para automóveis, as correias trapezoidais dentadas e as correias trapezoidais de ângulo elevado. Atualmente, as correias trapezoidais normais são as mais utilizadas.
2.1.3 A correia multiarticulada, um híbrido da correia plana e das correias trapezoidais múltiplas, combina as vantagens de ambas e é frequentemente utilizada em grandes sistemas de transmissão de potência em que é necessária uma estrutura compacta.
2.1.4 A secção transversal de uma correia redonda é circular e é utilizada apenas em transmissões de baixa velocidade e baixa potência, como máquinas de costura e instrumentos.
2.2 A transmissão por correia com engrenagem transmite movimento e potência através do engrenamento dos dentes da correia com os da polia. O correia sincronizada como mostrado na Figura 8-3, é um exemplo típico.
Para além de manterem as vantagens da transmissão por correia de fricção, as correias síncronas também oferecem uma elevada transmissão de potência, relações de transmissão precisas e são frequentemente utilizadas em situações que requerem uma transmissão suave e uma elevada precisão, como em gravadores, misturadores de alimentos, máquinas-ferramentas CNC e máquinas têxteis. A secção transversal de uma correia síncrona é retangular, com a superfície interior da correia dentada.
Ao contrário da estrutura de uma correia de transmissão por fricção, a camada de resistência de uma correia síncrona é maioritariamente composta por cabos de aço, o que resulta numa menor deformação sob carga. O bordo da polia síncrona é também fabricado com uma forma de dente involuta correspondente à superfície interior da correia, produzida através de um processo de geração por engrenagem involuta ferramentas de corte. Por conseguinte, as dimensões dos dentes da polia dependem do tamanho das ferramentas de corte utilizadas.
As transmissões por correia apresentam uma excelente elasticidade, o que lhes permite amortecer e absorver eficazmente as vibrações, assegurando uma transmissão de potência suave com uma produção mínima de ruído. Durante condições de sobrecarga, o deslizamento controlado entre a correia e a polia funciona como um mecanismo de proteção, evitando potenciais danos noutros componentes do sistema de transmissão. A simplicidade dos sistemas de transmissão por correia facilita o fabrico, a instalação e a manutenção, resultando em soluções de transferência de energia económicas.
Em funcionamento, as correias de transmissão podem sofrer um deslizamento elástico, o que pode provocar ligeiras variações na relação de transmissão. Este fenómeno, embora geralmente controlável, impede a manutenção de uma relação de velocidade estritamente constante. Os sistemas de transmissão por correia apresentam normalmente dimensões gerais maiores do que outros métodos de transmissão de energia, o que pode resultar numa eficiência de transmissão ligeiramente inferior. Consequentemente, os sistemas de transmissão por correia são mais frequentemente utilizados para aplicações de transferência de potência ≤ 50kW, com velocidades óptimas da correia entre 5 e 25 m/s. O rácio de transmissão recomendado para um funcionamento eficiente não deve exceder 5:1. Em condições de conceção e manutenção adequadas, os sistemas de transmissão por correia podem atingir eficiências entre 92% e 97%.
Os accionamentos por correia funcionam em condições dinâmicas em que a deformação elástica desempenha um papel crucial na transmissão de energia e na fiabilidade do sistema. A correia de transmissão, composta por materiais elastoméricos e fibras de reforço, apresenta um comportamento viscoelástico sob carga. À medida que a tensão é aplicada, a correia sofre um estiramento elástico, com a magnitude da deformação diretamente proporcional à força de tensão aplicada.
Durante o funcionamento, existe um diferencial de tensão entre o lado apertado (F1) e o lado frouxo (F2) da correia, com F1 > F2. Este desequilíbrio de tensão resulta num alongamento elástico não uniforme ao longo do comprimento da correia. O lado apertado sofre um maior alongamento devido a uma maior tensão de tração, enquanto o lado frouxo apresenta comparativamente menos alongamento. Este alongamento diferencial é fundamental para a capacidade da correia de transmitir energia de forma eficiente.
A natureza elástica da correia contribui igualmente para dois fenómenos críticos:
O deslizamento elástico é um fenómeno intrínseco nas operações de acionamento por correia, ocorrendo inevitavelmente durante o ciclo de trabalho da correia de acionamento. Este comportamento complexo resulta das propriedades elásticas do material da correia e das forças de tensão variáveis experimentadas ao longo do trajeto da correia.
Quando o lado apertado da correia de transmissão engata na polia motriz no ponto A, a velocidade da correia (v) corresponde inicialmente à velocidade circunferencial (v1) da polia 1. No entanto, à medida que a polia 1 roda do ponto A para o ponto B, a força de tensão na correia diminui gradualmente de F1 para F2, resultando numa redução correspondente do alongamento elástico. Este encurtamento progressivo da correia provoca um pequeno deslizamento relativo para trás ao longo da face da polia, levando a uma velocidade da correia (v) que se torna ligeiramente inferior à velocidade circunferencial (v1) da polia 1.
Inversamente, como a correia interage com a polia motriz 2 do ponto de entrada C ao ponto de saída D, as forças induzidas pelo atrito fazem com que a tensão da correia aumente de F2 para F1. Este aumento de tensão leva a um alongamento gradual da correia. Consequentemente, ocorre um pequeno deslizamento relativo para a frente na superfície da polia 2, resultando numa velocidade da correia (v) que excede marginalmente a velocidade angular (v2) da polia 2. Este deslizamento diferencial devido à deformação elástica da correia de acionamento é designado por deslizamento elástico.
As implicações da derrapagem elástica são significativas:
Para atenuar os efeitos do deslizamento elástico, os engenheiros podem empregar estratégias como a otimização da tensão da correia, a seleção de materiais de correia adequados com elasticidade reduzida ou a implementação de sistemas de tensionamento ativo em aplicações críticas. Compreender e ter em conta o deslizamento elástico é crucial para a conceção e manutenção de sistemas de transmissão por correia eficientes e fiáveis em várias aplicações industriais.
Os principais modos de falha durante o funcionamento de um sistema de transmissão por correia são o deslizamento da correia na polia, o desgaste acelerado da correia e a falha induzida por fadiga. Cada um destes modos pode afetar significativamente o desempenho e a fiabilidade do sistema:
Além disso, os modos de falha menos comuns, mas igualmente críticos, incluem:
2.1 Deslizamento
Os accionamentos por correia funcionam por fricção. Quando a força de tensão inicial F₀ é constante, se a força circunferencial efectiva F exceder a força de atrito limite entre a correia e a superfície da roda, a correia sofrerá um deslizamento óbvio e em grande escala na superfície da roda, um fenómeno conhecido como deslizamento.
Quando a correia apresenta deslizamento, embora a polia motriz continue a rodar, tanto a polia movida como a correia sofrem uma perda substancial de velocidade, ou mesmo param completamente. O deslizamento é um fenómeno prejudicial, uma vez que provoca falhas na transmissão e agrava o desgaste da correia. Durante o funcionamento normal, o deslizamento deve ser evitado.
O deslizamento elástico e o deslizamento são dois conceitos distintos. As suas diferenças estão descritas na Tabela 8-1.
Tabela 8-1 Diferenças entre deslizamento elástico e deslizamento
| Item | Deslizamento elástico | Deslizamento |
| Fenómeno | O deslizamento da correia local sobre a superfície da roda local | O deslizamento relativo ocorre entre a correia e a superfície da roda em todo o arco de contacto |
| Causas de ocorrência | Diferença de tensão em ambos os lados da correia | A força de tração efectiva atinge ou excede a força de atrito final entre a correia e a superfície da roda |
| Conclusão | Inevitável | Pode evitar |
2.2 Falha por fadiga do Cinturão
A tensão na correia de transmissão varia à medida que esta funciona, formando uma tensão alternada. Quanto maior for a velocidade de rotação e quanto mais curta for a correia, mais frequentemente a correia gira em torno da polia por unidade de tempo, levando a alterações mais frequentes na tensão. Com o passar do tempo, o efeito repetido da tensão alternada pode provocar a delaminação e o rasgamento da correia, conduzindo, em última análise, a uma falha por fadiga, que resulta numa falha da transmissão.
A correia de transmissão, quando instalada na polia, deve ter uma certa tensão para garantir o funcionamento normal da transmissão por correia. No entanto, depois de funcionar durante um período de tempo, a deformação plástica da correia pode levar a uma folga, reduzindo gradualmente a tensão inicial e diminuindo a capacidade de carga da correia.
Para controlar a tensão inicial da correia de transmissão e assegurar a capacidade operacional da transmissão por correia, deve ser utilizado um dispositivo de tensionamento adequado. A Figura 8-11 mostra vários dispositivos de tensionamento normalmente utilizados.
Em accionamentos por correia dispostos horizontalmente ou moderadamente inclinados, pode ser utilizado um dispositivo de tensionamento como o mostrado na Figura 8-11(a). A posição do motor, equipado com uma polia, é ajustada com um parafuso para aumentar a distância do centro, obtendo-se assim a tensão. O método de ajuste consiste em montar o motor numa calha deslizante e, durante o tensionamento inicial da correia, o motor é empurrado para a posição desejada utilizando o parafuso de ajuste.
Em accionamentos de correia verticais ou quase verticais, pode ser utilizado um dispositivo de tensionamento como o mostrado na Figura 8-11(b). Ajustando a posição da estrutura oscilante (centro do eixo do motor), a distância entre os centros é aumentada para conseguir o tensionamento. O método de ajuste envolve o ajuste da porca no parafuso, fazendo com que a base da máquina balance em torno do eixo de suporte fixo para ajustar a tensão inicial. Uma vez ajustada a posição, a porca tem de ser bloqueada.
A Figura 8-11(c) mostra um dispositivo de tensionamento automático, em que o motor, equipado com uma roldana, está montado numa estrutura oscilante flutuante. Utilizando o peso do motor e da estrutura oscilante, a polia e o motor oscilam à volta do eixo de suporte fixo, ajustando automaticamente a distância entre centros para conseguir o tensionamento. Este método é normalmente utilizado para accionamentos por correia com transmissão de baixa potência e disposição quase vertical.
A Figura 8-11(e) mostra uma roda tensora que pressiona automaticamente a correia devido a um peso, conseguindo assim o tensionamento. Este método é frequentemente utilizado em accionamentos por correia plana com uma grande relação de transmissão e uma pequena distância entre centros, e tem um impacto significativo na vida útil da correia.
Quando a distância central do acionamento por correia não pode ser ajustada, pode ser utilizada uma polia tensora para tensionar a correia, como se mostra na Figura 8-11(d). A polia tensora é geralmente instalada no interior do lado da folga para permitir que a correia sofra uma flexão unidirecional. Para evitar que o ângulo de enrolamento da polia pequena diminua excessivamente, a polia tensora deve ser instalada o mais próximo possível da polia grande.
1. A velocidade linear da correia trapezoidal não deve exceder 25 metros por segundo, e a velocidade linear da correia plana é geralmente de 10 a 20 metros por segundo. Em casos especiais, pode ser reduzida. A velocidade linear da correia pode ser calculada com a seguinte fórmula:
V = πDn / 60 x 1000 (metros/segundo)
Onde
2. O número de vezes que a polia da correia pequena é passada pela correia plana por segundo, C, não deve exceder 3-5 vezes, e para a correia trapezoidal, não deve exceder 20 vezes.
C = V / L (vezes / segundo)
Onde L- Comprimento da correia (m)
3. O ângulo de enrolamento da polia da correia trapezoidal pequena não deve ser inferior a 120° (150° para a correia plana), caso contrário, a diferença de diâmetro entre as duas polias da correia deve ser reduzida, a distância entre centros deve ser aumentada ou deve ser instalada uma polia de pressão.
4. O diâmetro da polia da correia pequena não deve ser demasiado pequeno para evitar uma flexão excessiva da correia, o que reduz o seu tempo de vida útil.
Para accionamentos por correia plana, o diâmetro da polia da correia pequena deve ser geralmente superior a 25-30 vezes a espessura da fita de tecido.
O diâmetro mínimo da polia da correia plana pequena, D_min, pode ser calculado através da fórmula:
Dmin = C³√N / n1 (mm)
Onde
Para accionamentos por correia trapezoidal, o diâmetro da polia pequena da correia trapezoidal não deve ser inferior aos valores seguintes. Caso contrário, o ângulo de enrolamento não é suficiente e a correia é suscetível de deslizar e de se danificar.
| Modelo de correia trapezoidal | O | A | B | C | D | E | F |
| Diâmetro mínimo da polia pequena (mm) | 70 | 100 | 148 | 200 | 315 | 500 | 800 |
5. A distância entre centros das polias de correia plana deve ser superior ao dobro da soma dos diâmetros das duas rodas; a distância entre centros das polias de correia trapezoidal deve ser superior a metade da soma dos diâmetros das duas rodas, mas não deve exceder o dobro da soma.
6. O comprimento L da correia pode ser calculado pela seguinte fórmula:
L=2A + π/2(D1+D2) + (D2-D1)²/4A [mm (transmissão aberta)]
Na fórmula, A representa a distância central entre as duas polias da correia (mm), e D2 e D1 denotam os diâmetros das polias grandes e pequenas da correia (mm), respetivamente.
7. A tensão inicial da correia deve ser apertada com uma força de cerca de 16-18 kg por centímetro quadrado de área da secção transversal da correia.
1. Para a transmissão por correia plana, a área da secção transversal da correia pode ser calculada com base na potência utilizada para a transmissão e na velocidade linear da correia.
F=P/K (cm²)
Nesta fórmula,
K representa a tensão efectiva real, kg/cm². Para correias de borracha, K pode ser escolhido entre 10-25 kg/cm². Quando a velocidade linear é elevada, o impacto da carga é grande, a carga de arranque é grande, o tempo de trabalho contínuo é longo e o ângulo de enrolamento é pequeno, pode escolher-se um valor mais pequeno; caso contrário, pode escolher-se um valor maior.
Com base na área da secção transversal calculada, é possível determinar a largura e a espessura da correia. Com cada camada da correia com aproximadamente 1,2 mm de espessura, o número de camadas numa correia plana pode ser aproximado.
2. Para a transmissão por correia trapezoidal, consulte a tabela seguinte para determinar o tipo de correia trapezoidal com base na potência transmitida.
A gama de potência aplicável a vários tipos de correias trapezoidais.
| Transmissão de potência (kW) | 0.4-0.75 | 0.75-2.2 | 2.2-3.7 | 3.7-7.5 | 7.5-20 | 20-40 | 40-75 | 75-150 | acima de 150 |
| Modelo recomendado | O | O、A | O,A,B | A,B | B,C | C,D | D,E | E,F | F |
O número de correias trapezoidais, Z, pode ser calculado através da seguinte fórmula:
Z = N / (Z0 * C1 * C2) ^ 0,5
Onde:
| Ângulo de enrolamento da correia a° | 180 | 170 | 160 | 150 | 140 | 130 | 120 | 110 | 100 |
| C1 | 1.0 | 0.97 | 0.94 | 0.91 | 0.88 | 0.85 | 0.82 | 0.79 | 0.76 |
C2 - Coeficiente de condição de trabalho; 0,6-0,7.
As dimensões da ranhura da polia da correia trapezoidal (ver figura) podem ser consultadas no quadro seguinte.
Potência (em kW) transmitida por uma única correia trapezoidal.
| Modelo | Diâmetro da polia da correia pequena D1 (mm) | Velocidade da correia (m/s) | |||
| 5 | 10 | 15 | 20 | ||
| O | 50～63 | 0.31 | 0.59 | 0.88 | 1.07 |
| 80 | 0.38 | 0.74 | 1.04 | 1.29 | |
| ＞90 | 0.42 | 0.82 | 1.14 | 1.40 | |
| A | 80～90 | 0.59 | 1.04 | 1.32 | 1.33 |
| 100 | 0.66 | 1.18 | 1.51 | 1.64 | |
| ＞125 | 0.81 | 1.47 | 1.87 | 2.21 | |
| B | 125 | 1.02 | 1.84 | 2.43 | 2.58 |
| 140 | 1.12 | 2.06 | 2.80 | 3.10 | |
| ＞180 | 1.32 | 2.41 | 3.28 | 3.94 | |
| C | 2OO | 1.98 | 3.60 | 4.80 | 5.52 |
| 250 | 2.41 | 4.45 | 6.14 | 7.00 | |
| ＞280 | 2.67 | 4.95 | 6.77 | 7.72 | |
| D | 315 | 3.98 | 7.00 | 9.20 | 9.95 |
| 400 | 5.07 | 9.10 | 12.30 | 14.40 | |
| ＞450 | 5.45 | 9.95 | 13.30 | 15.40 | |
Diagrama dimensional das ranhuras da polia da correia trapezoidal
Ao calcular a relação de transmissão, o diâmetro da polia refere-se à posição D no diagrama, e não à extremidade exterior da roda. Além disso, considere que a correia tem um deslizamento de 1%.
Dimensões da ranhura da polia da correia trapezoidal:
| Dimensões da ranhura (mm) | Modelo | ||||||
| O | A | B | C | D | E | F | |
| a | 10 | 13 | 17 | 22 | 32 | 38 | 50 |
| ι | 10 | 13 | 17 | 22 | 30 | 36 | 48 |
| c | 3 | 4 | 5 | 7 | 9 | 12 | 16 |
| t | 12 | 16 | 21 | 27 | 38 | 44 | 58 |
| s | 9 | 12 | 15 | 18 | 23 | 26 | 32 |
| Ângulo de ranhura correspondente φ | Diâmetro mínimo da polia da correia trapezoidal (em milímetros) | ||||||
| 34° | 70 | 100 | 148 | 200 | 315 | 500 | 800 |
| 36° | 90 | 125 | 180 | 250 | 400 | 710 | 1000 |
| 38° | ≥112 | ≥160 | ≥225 | ≥315 | ≥500 | ≥800 | ≥1250 |
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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