O guia definitivo para acionamento por correia: Maximizando a eficiência e o desempenho

O que é acionamento por correia?

Um acionamento por correia é um sistema de transmissão de energia mecânica que transfere movimento rotacional e torque de um eixo de acionamento para um ou mais eixos acionados usando uma correia contínua e flexível. Esse sistema é particularmente eficaz quando os componentes acionados e de acionamento estão separados espacialmente, permitindo a transferência eficiente de potência por distâncias consideráveis.

Os acionamentos por correia consistem em vários componentes principais:

1. Polia de acionamento (conectada à fonte de alimentação)
2. Polia(s) acionada(s) (presa(s) à carga)
3. Correia de transmissão (o elemento flexível)
4. Dispositivos de tensionamento (para manter a tensão adequada da correia)

Em comparação com outras transmissões mecânicas, os acionamentos por correia oferecem várias vantagens:

1. Projeto simplificado e custo inicial mais baixo
2. Operação silenciosa devido à redução do contato metal-metal
3. Recursos de absorção de choques e amortecimento de vibrações
4. Proteção contra sobrecarga (o deslizamento da correia evita danos ao maquinário)
5. Facilidade de manutenção e substituição da correia
6. Capacidade de acionar vários eixos a partir de uma única fonte de energia

Entretanto, os acionamentos por correia também têm limitações:

1. Potencial de deslizamento sob cargas elevadas ou em condições de umidade
2. Manutenção regular necessária para garantir a tensão adequada
3. Adequação limitada para ambientes de alta temperatura

Princípio de funcionamento do acionamento por correia

O sistema de acionamento por correia é um mecanismo fundamental de transmissão de energia que compreende vários componentes principais: uma polia de acionamento, uma polia acionada, uma correia de transmissão firmemente ajustada em ambas as polias e uma estrutura de suporte da máquina, conforme ilustrado na figura 8-1. Esse arranjo facilita a transferência de energia mecânica de um eixo rotativo para outro por meio de forças de atrito.

A polia de acionamento, normalmente conectada a uma fonte de energia, como um motor elétrico ou um motor, inicia o movimento do sistema. Ao girar, o atrito da superfície da polia engata na correia de transmissão, fazendo com que ela se mova. Esse movimento é então transferido para a polia acionada, que é montada no eixo da máquina ou do dispositivo que requer energia.

A eficiência e o desempenho de um sistema de acionamento por correia dependem de vários fatores:

1. Tensão da correia: O tensionamento adequado é fundamental para otimizar a transmissão de potência e minimizar o deslizamento.
2. Alinhamento da polia: O alinhamento preciso garante um desgaste uniforme da correia e reduz a vibração.
3. Material e design da correia: Diferentes materiais e perfis (por exemplo, correia em V, correia plana, correia dentada) oferecem características variadas adequadas a aplicações específicas.
4. Relação de tamanho da polia: Determina a relação de velocidade e torque entre os eixos de acionamento e acionado.

Os acionamentos por correia oferecem vantagens como a absorção de choques, a redução de ruídos e a capacidade de transmitir energia por distâncias consideráveis. No entanto, eles podem exigir manutenção e substituição periódicas devido ao desgaste e ao estiramento ao longo do tempo.

1- Polia de acionamento
2- Polia acionada
3- Correia de acionamento

Tipos de acionamentos por correia

Os acionamentos por correia podem ser classificados em tipos friccionais e de malha, de acordo com seus princípios de acionamento. Este artigo discute principalmente questões relacionadas a acionamentos por correia de fricção.

2.1. Os acionamentos por correia de atrito operam transmitindo movimento e potência por meio da força de atrito gerada entre a correia de acionamento, que se encaixa firmemente na polia, e a superfície de contato da polia. Com base na forma da seção transversal da correia de acionamento, elas podem ser divididas em correias planas, correias em V, correias com várias bordas e correias redondas.

2.1.1 A seção transversal de uma correia plana é retangular, e sua superfície interna que entra em contato com a polia é a face de trabalho. Ela é usada principalmente para transmissão de longa distância entre dois eixos paralelos que giram na mesma direção.

2.1.2 A seção transversal de uma correia em V é trapezoidal, com os dois lados em contato com a ranhura da polia servindo como superfícies de trabalho. A ranhura da polia também é trapezoidal. A análise da força na superfície da cunha revela que, sob condições iguais de tensão e coeficiente de atrito, a força de atrito gerada pela correia em V é maior do que a da correia plana.

Portanto, a correia em V tem uma capacidade de transmissão mais forte e uma estrutura mais compacta, o que a torna amplamente utilizada na transmissão mecânica. Dependendo de sua largura e altura relativas, as correias em V podem ser divididas em tipos como correias em V regulares, correias em V estreitas, correias em V largas, correias em V para automóveis, correias em V dentadas e correias em V de ângulo alto. Atualmente, as correias em V regulares são as mais usadas.

2.1.3 A correia de múltiplas bordas, um híbrido da correia plana e das correias em V múltiplas, combina as vantagens de ambas e é frequentemente usada em grandes sistemas de transmissão de potência em que é necessária uma estrutura compacta.

2.1.4 A seção transversal de uma correia redonda é circular e é usada apenas em transmissões de baixa velocidade e baixa potência, como máquinas de costura e instrumentos.

2.2 O acionamento por correia com engrenagem transmite movimento e potência ao engrenar os dentes da correia com os da polia. O correia sincronizada conforme mostrado na Figura 8-3, é um exemplo típico.

Além de manter as vantagens da transmissão por correia de fricção, as correias síncronas também oferecem alta transmissão de potência, relações de transmissão precisas e são frequentemente usadas em situações que exigem transmissão suave e alta precisão, como em gravadores, misturadores de alimentos, máquinas-ferramentas CNC e máquinas têxteis. A seção transversal de uma correia síncrona é retangular, com a superfície interna da correia dentada.

Diferentemente da estrutura de uma correia no acionamento por atrito, a camada de resistência de uma correia síncrona é composta principalmente de cabos de aço, o que resulta em menos deformação sob carga. A borda da polia síncrona também é fabricada com um formato de dente involuto correspondente à superfície interna da correia, produzida por meio de um processo de geração por engrenagem involuta ferramentas de corte. Portanto, as dimensões dos dentes da polia dependem do tamanho das ferramentas de corte utilizadas.

Características da transmissão por correia

Os acionamentos por correia apresentam excelente elasticidade, o que lhes permite amortecer e absorver efetivamente as vibrações, garantindo uma transmissão de potência suave com o mínimo de geração de ruído. Durante condições de sobrecarga, o deslizamento controlado entre a correia e a polia funciona como um mecanismo de proteção, evitando possíveis danos a outros componentes do trem de força. A simplicidade dos sistemas de transmissão por correia facilita a fabricação, a instalação e a manutenção, resultando em soluções econômicas de transferência de energia.

Em operação, as correias de transmissão podem sofrer deslizamento elástico, o que pode levar a pequenas variações na relação de transmissão. Esse fenômeno, embora geralmente controlável, impede a manutenção de uma relação de velocidade estritamente constante. Os acionamentos por correia geralmente apresentam dimensões gerais maiores em comparação com outros métodos de transmissão de energia, o que pode resultar em eficiências de transmissão ligeiramente menores. Consequentemente, os sistemas de transmissão por correia são mais comumente empregados para aplicações de transferência de potência ≤ 50 kW, com velocidades ideais da correia variando de 5 a 25 m/s. A relação de transmissão recomendada para uma operação eficiente não deve exceder 5:1. Sob condições adequadas de projeto e manutenção, os sistemas de transmissão por correia podem atingir eficiências entre 92% e 97%.

Deslizamento elástico e modos de falha no acionamento por correia

Os acionamentos por correia operam em condições dinâmicas em que a deformação elástica desempenha um papel fundamental na transmissão de energia e na confiabilidade do sistema. A correia de transmissão, composta de materiais elastoméricos e fibras de reforço, apresenta comportamento viscoelástico sob carga. À medida que a tensão é aplicada, a correia sofre um alongamento elástico, com a magnitude da deformação diretamente proporcional à força de tensão aplicada.

Durante a operação, existe um diferencial de tensão entre o lado apertado (F1) e o lado frouxo (F2) da correia, com F1 > F2. Esse desequilíbrio de tensão resulta em um alongamento elástico não uniforme ao longo do comprimento da correia. O lado apertado sofre maior alongamento devido à maior tensão de tração, enquanto o lado frouxo apresenta comparativamente menos alongamento. Esse alongamento diferencial é fundamental para a capacidade da correia de transmitir energia com eficiência.

A natureza elástica da correia também contribui para dois fenômenos críticos:

1. Fluência: à medida que a correia se move em torno das polias, ela passa por ciclos contínuos de alongamento e relaxamento. Essa carga cíclica pode levar a uma deformação gradual e permanente ao longo do tempo, afetando a tensão da correia e reduzindo potencialmente a eficiência da transmissão.
2. Deslizamento elástico: No ponto em que a correia entra na polia (o arco de aproximação), a velocidade da correia diminui momentaneamente à medida que ela se estica para acomodar a tensão mais alta. Por outro lado, no ponto de saída (arco de recesso), a correia se contrai e acelera ligeiramente. Esse sutil diferencial de velocidade é conhecido como deslizamento elástico e é diferente do deslizamento bruto devido à tensão insuficiente.

1. Deslizamento elástico em sistemas de acionamento por correia

O deslizamento elástico é um fenômeno intrínseco nas operações de acionamento por correia, ocorrendo inevitavelmente durante o ciclo de trabalho da correia de acionamento. Esse comportamento complexo decorre das propriedades elásticas do material da correia e das forças de tensão variáveis experimentadas ao longo do caminho da correia.

Quando o lado apertado da correia de transmissão engata na polia motriz no ponto A, a velocidade da correia (v) inicialmente corresponde à velocidade circunferencial (v1) da polia 1. Entretanto, à medida que a polia 1 gira do ponto A para o ponto B, a força de tensão na correia diminui gradualmente de F1 para F2, resultando em uma redução correspondente no alongamento elástico. Esse encurtamento progressivo da correia causa um pequeno deslizamento relativo para trás ao longo da face da polia, levando a uma velocidade da correia (v) que se torna ligeiramente menor do que a velocidade circunferencial (v1) da polia 1.

Por outro lado, como a correia faz interface com a polia acionada 2 do ponto de entrada C ao ponto de saída D, as forças induzidas por atrito fazem com que a tensão da correia aumente de F2 para F1. Esse aumento de tensão leva a um alongamento gradual da correia. Consequentemente, ocorre um pequeno deslizamento relativo para frente na superfície da polia 2, resultando em uma velocidade da correia (v) que excede marginalmente a velocidade angular (v2) da polia 2. Esse deslizamento diferencial devido à deformação elástica da correia de acionamento é chamado de deslizamento elástico.

As implicações da derrapagem elástica são significativas:

1. Desgaste da correia: O movimento relativo contínuo entre as superfícies da correia e da polia acelera o desgaste, reduzindo potencialmente a vida útil operacional da correia.
2. Eficiência da transmissão: O deslizamento elástico pode levar a uma diminuição na velocidade efetiva da polia acionada, afetando a relação de transmissão geral e a eficiência do sistema.
3. Perda de energia: a energia dissipada por meio da deformação elástica e do atrito durante o deslizamento contribui para as perdas de energia no sistema.
4. Geração de calor: O trabalho realizado para superar o atrito durante o deslizamento é convertido em calor, o que pode afetar as propriedades do material da correia e o gerenciamento térmico do sistema.
5. Aplicações de precisão: Em máquinas de alta precisão, os efeitos cumulativos do deslizamento elástico podem levar a erros de posicionamento ou discrepâncias de tempo.

Para atenuar os efeitos do deslizamento elástico, os engenheiros podem empregar estratégias como a otimização da tensão da correia, a seleção de materiais apropriados para a correia com elasticidade reduzida ou a implementação de sistemas de tensionamento ativo em aplicações críticas. Compreender e considerar o deslizamento elástico é fundamental para o projeto e a manutenção de sistemas de acionamento por correia eficientes e confiáveis em várias aplicações industriais.

2. Modos de falha do acionamento por correia

Os principais modos de falha durante a operação de um sistema de acionamento por correia são o deslizamento da correia na polia, o desgaste acelerado da correia e a falha induzida por fadiga. Cada um desses modos pode afetar significativamente o desempenho e a confiabilidade do sistema:

1. Deslizamento da correia: Ocorre quando o atrito entre a correia e a polia é insuficiente para transmitir o torque necessário. Isso pode ser resultado de tensão inadequada da correia, sobrecarga ou contaminação das superfícies de contato. O deslizamento leva à redução da eficiência da transmissão de energia, ao aumento do desgaste e à possível geração de calor.
2. Desgaste acelerado da correia: Caracterizado pela deterioração gradual do material da correia, que geralmente se manifesta como rachaduras, desgaste ou perda de material. Os fatores que contribuem para o desgaste acelerado incluem desalinhamento, tensão excessiva, condições ambientais (por exemplo, calor, exposição a produtos químicos) e contaminantes abrasivos. O desgaste reduz a área da seção transversal da correia, enfraquecendo sua capacidade de transporte de carga.
3. Falha induzida por fadiga: Resulta de ciclos repetitivos de estresse à medida que a correia se dobra continuamente em torno das polias. Esse modo de falha é influenciado por fatores como a construção da correia, o diâmetro da polia, a velocidade de operação e a tensão. A fadiga geralmente se manifesta como rachaduras transversais ou separação das camadas da correia, levando à ruptura repentina da correia.

Além disso, modos de falha menos comuns, mas igualmente críticos, incluem:

4. Danos na polia: Polias gastas ou danificadas podem acelerar o desgaste da correia e aumentar a probabilidade de deslizamento.
5. Falha no tensionador: Em sistemas com tensionadores automáticos, a falha desse componente pode levar a uma tensão incorreta da correia e a falhas subsequentes no sistema.

2.1 Deslizamento

Os acionamentos por correia operam com atrito. Quando a força de tensão inicial F₀ for constante, se a força circunferencial efetiva 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 fenômeno conhecido como deslizamento.

Quando a correia apresenta deslizamento, embora a polia motriz continue a girar, tanto a polia acionada quanto a correia sofrem uma perda substancial de velocidade ou até mesmo param completamente. O deslizamento é um fenômeno prejudicial, pois causa falha no acionamento e agrava o desgaste da correia. Durante a operação normal, o deslizamento deve ser evitado.

O deslizamento elástico e o deslizamento são dois conceitos distintos. Suas diferenças estão descritas na Tabela 8-1.

Tabela 8-1 Diferenças entre deslizamento elástico e deslizamento

2.2 Falha por fadiga do cinturão

A tensão na correia de transmissão varia conforme ela opera, formando uma tensão alternada. Quanto maior a velocidade de rotação e mais curta a correia, mais frequentemente a correia gira em torno da polia por unidade de tempo, levando a mudanças mais frequentes na tensão. Com o tempo, o efeito repetido da tensão alternada pode fazer com que a correia se delamine e rasgue, levando à falha por fadiga, o que resulta em falha da transmissão.

Dispositivos de tensionamento para acionamentos por correia

A correia de transmissão, quando instalada na polia, deve ter uma certa tensão para garantir a operação normal do acionamento por correia. No entanto, depois de operar por 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 garantir a capacidade operacional do acionamento por correia, é necessário usar um dispositivo de tensionamento adequado. Vários dispositivos de tensionamento comumente usados são mostrados na Figura 8-11.

1. Dispositivo de tensionamento periódico

Em acionamentos por correia dispostos horizontalmente ou moderadamente inclinados, pode ser usado um dispositivo de tensionamento como o mostrado na Figura 8-11(a). A posição do motor, equipado com uma polia, é ajustada por meio de um parafuso para aumentar a distância do centroe, assim, obter o tensionamento. O método de ajuste consiste em montar o motor em um trilho deslizante e, durante o tensionamento inicial da correia, o motor é empurrado para a posição desejada usando o parafuso de ajuste.

Em acionamentos de correia verticais ou quase verticais, pode ser usado um dispositivo de tensionamento como o mostrado na Figura 8-11(b). Ao ajustar a posição da estrutura oscilante (centro do eixo do motor), a distância central é aumentada para obter o tensionamento. O método de ajuste envolve o ajuste da porca no parafuso, fazendo com que a base da máquina gire em torno do eixo de suporte fixo para ajustar a tensão inicial. Depois que a posição é ajustada, a porca precisa ser travada.

2. Dispositivo de tensionamento automático

A Figura 8-11(c) mostra um dispositivo de tensionamento automático, no qual o motor, equipado com uma polia, é montado em uma estrutura oscilante flutuante. Utilizando o peso do motor e da estrutura oscilante, a polia e o motor oscilam em torno do eixo de suporte fixo, ajustando automaticamente a distância central para obter o tensionamento. Esse método é comumente usado para acionamentos por correia com transmissão de baixa potência e disposição quase vertical.

A Figura 8-11(e) mostra uma roda de tensionamento pressionando automaticamente a correia devido a um peso, obtendo assim o tensionamento. Esse método é frequentemente usado em acionamentos de correia plana com uma grande relação de transmissão e uma pequena distância central, e tem um impacto significativo na vida útil da correia.

3. Utilização do dispositivo de tensionamento da polia de tensão

Quando a distância central do acionamento por correia não pode ser ajustada, uma polia de tensão pode ser usada para tensionar a correia, conforme mostrado na Figura 8-11(d). A polia tensora geralmente é instalada na parte interna do lado frouxo para permitir que a correia sofra 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.

Requisitos específicos para acionamento por correia

1. A velocidade linear da correia em V 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, ela pode ser reduzida. A velocidade linear da correia pode ser calculada com a seguinte fórmula:

V = πDn / 60 x 1000 (metros/segundo)

Onde

• V - Velocidade linear da correia, (metros/segundo)
• D - Diâmetro da polia da correia, (mm)
• n- Velocidade de rotação da polia da correia, (r/min)

2. O número de vezes que a polia da correia pequena é passada pela correia plana por segundo, C, não deve exceder 3 a 5 vezes, e para a correia em V, não deve exceder 20 vezes.

C = V / L (vezes / segundo)

Onde L- Comprimento da correia (m)

3. O ângulo de enrolamento da polia pequena da correia em V 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 central deve ser aumentada ou uma polia de pressão deve ser instalada.

4. O diâmetro da polia da correia pequena não deve ser muito pequeno para evitar a flexão excessiva da correia, o que reduz sua vida útil.

Para acionamentos por correia plana, o diâmetro da polia da correia pequena deve ser, em geral, 25 a 30 vezes maior que a espessura da fita de tecido.

O diâmetro mínimo da polia da correia plana pequena, D_min, pode ser calculado usando a fórmula:

D_min = C³√N / n1 (mm)

Onde

• C- Coeficiente de cálculo, C = 1150-1400
• N- Potência de transmissão (kw)
• n1- Velocidade de rotação da polia da correia (r/min)

Para acionamentos por correia em V, o diâmetro da polia pequena da correia em V não deve ser menor do que os valores a seguir. Caso contrário, o ângulo de enrolamento não será suficiente e a correia estará sujeita a deslizamento e danos.

5. A distância central das polias de correia plana deve ser maior que o dobro da soma dos diâmetros das duas rodas; a distância central das polias de correia em V deve ser maior que 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 grande e pequena da correia (mm), respectivamente.

7. A tensão inicial da correia deve ser apertada com uma força de cerca de 16 a 18 kg por centímetro quadrado de área de seção transversal da correia.

Seleção do tipo de correia e do número de raízes

1. Para a transmissão por correia plana, a área da seção transversal da correia pode ser calculada com base na potência usada para a transmissão e na velocidade linear da correia.

F=P/K (cm²)

Nessa fórmula,

• F - a área da seção transversal da correia (cm²)
• P - a tensão de trabalho da correia (kg)
• P=102×N/V.
  • Aqui, N denota a potência do motor (kw) e V é a velocidade linear da correia (m/s).

K representa a tensão efetiva real, kg/cm². Para correias de borracha, K pode ser escolhido dentro da faixa de 10 a 25 kg/cm². Quando a velocidade linear é alta, o impacto da carga é grande, a carga inicial é grande, o tempo de trabalho contínuo é longo e o ângulo de enrolamento é pequeno, pode-se escolher um valor menor; caso contrário, pode-se escolher um valor maior.

Com base na área da seção transversal calculada, a largura e a espessura da correia podem ser determinadas. Com cada camada da correia com aproximadamente 1,2 mm de espessura, o número de camadas em uma correia plana pode ser aproximado.

2. Para transmissão por correia em V, consulte a tabela a seguir para determinar o tipo de correia em V com base na potência transmitida.

A faixa de potência aplicável a vários tipos de correias em V.

O número de correias em V, Z, pode ser calculado com a seguinte fórmula:

Z = N / (Z0 * C1 * C2) ^ 0,5

Onde:

• N é a potência transmitida (kW);
• Z0 é a potência transmitida por uma única correia em V, que pode ser determinada na tabela abaixo;
• C1 é o coeficiente do ângulo de enrolamento, determinado pelo ângulo de enrolamento da correia.

C2 - Coeficiente de condição de trabalho; 0,6-0,7.

Dimensões da ranhura da polia da correia em V.

As dimensões da ranhura da polia da correia em V (veja a figura) podem ser encontradas na tabela abaixo.

Potência (em kW) transmitida por uma única correia em V.

Diagrama dimensional das ranhuras da polia da correia em V

Ao calcular a relação de transmissão, o diâmetro da polia refere-se à posição D no diagrama, e não à borda externa da roda. Além disso, considere que a correia tem um deslizamento de 1%.

Dimensões da ranhura da polia da correia em V: