Mecanismos: Engrenagens

Mesmo antes da Revolução Industrial, engrenagens de um tipo ou de outro foram colocadas para trabalhar a nosso favor e contra nós. Desde as antigas rodas d'água e moinhos de vento que moem grãos e trituram o linho, até os trens de força que acionam máquinas de guerra, de máquinas de cerco a tanques de batalha principais, as engrenagens têm sido partes essenciais de quase todos os dispositivos mecânicos já construídos. A próxima parte de nossa série sobre Mecanismos dará uma breve olhada nas engrenagens e suas aplicações.

Como costuma acontecer, a evolução é o melhor inventor, e um mecanismo de engrenagem que liga as patas traseiras de insetos juvenis da cigarrinha é anterior à invenção humana das engrenagens em alguns bilhões de anos. O uso humano de engrenagens remonta pelo menos à China do século III aC, e a tecnologia se espalhou rápida e amplamente. Dentro de algumas centenas de anos, engrenagens de metal usinadas com precisão permitiram que dispositivos complexos de engrenagens, como o mecanismo de Antikythera, fossem construídos na Grécia.

Em sua forma mais simples, uma engrenagem nada mais é do que uma roda com algum tipo de dente cortado em sua circunferência. Os dentes são dimensionados e moldados para se encaixar com dentes em outros elementos mecânicos para transmitir torque. Múltiplas engrenagens conectadas em série são chamadas de trem de engrenagens e, se os diâmetros das engrenagens no trem de engrenagens forem diferentes, o torque transmitido será proporcional à diferença. Portanto, se a engrenagem motriz tiver um diâmetro de 1 cm e a engrenagem movida tiver 10 cm de diâmetro, o trem de engrenagens aumentará o torque em 10 vezes, reduzindo a velocidade de rotação por um fator de 10.

Para combater isso, os dentes podem ser cortados em um ângulo em relação ao eixo de rotação. Inclinar os dentes dessa maneira ao redor da circunferência da engrenagem resulta em um padrão helicoidal, daí o nome engrenagem helicoidal. As engrenagens helicoidais não são apenas mais silenciosas, mas também podem ser cruzadas para transmitir potência em um ângulo reto. A desvantagem é que, devido aos dentes tortos, as engrenagens helicoidais transmitem impulso ao longo de seus eixos. O impulso pode ser tratado usando rolamentos axiais, como rolamentos de rolos cônicos, ou usando duas engrenagens helicoidais com direções de dentes opostas no mesmo eixo para anular o impulso axial. Isso resulta na bela engrenagem espinha de peixe vista em muitas aplicações de alta potência, como turbinas eólicas.

Durante muito tempo, a produção de engrenagens metálicas foi um processo complexo envolvendo várias etapas de usinagem para produzir dentes com a geometria desejada. Os dentes podem ser cortados por qualquer número de operações de usinagem, como brochagem, fresagem, modelagem ou retificação.

Mas o corte de engrenagens é demorado e caro, então a maioria das engrenagens hoje em dia são produzidas por algum tipo de operação de moldagem. Engrenagens de plástico do tipo que odiamos ver quando olhamos para dentro de uma ferramenta elétrica construída para um determinado preço são facilmente produzidas por moldagem por injeção e, apesar de sua má reputação, podem resultar em trens de engrenagens perfeitamente úteis, se não particularmente de longa duração. Mas as engrenagens de metal também podem ser moldadas, com as engrenagens de metal em pó agora ocupando uma grande fatia do mercado.

Engrenagens de metal em pó são produzidas preenchendo um molde com pó de liga de metal muito fino misturado com aglutinantes e lubrificantes. O pó no molde é comprimido por um aríete hidráulico com uma ferramenta correspondente ao formato do molde, e a tremenda pressão funde as partículas de metal em um sólido forte o suficiente para ser manuseado. As partes verdes são então aquecidas para fundir permanentemente as partículas na peça de metal final que, em muitos casos, está pronta para uso sem usinagem adicional.

Embora a metalurgia do pó esteja fora do alcance da maioria das lojas domésticas, as engrenagens de bricolage são muito viáveis ​​por qualquer pessoa com acesso a algumas máquinas-ferramentas básicas. Nunca nos cansamos de assistir [Chris] usinar as engrenagens e pinhões do relógio Clickspring e, embora essas engrenagens sejam altamente especializadas para o mundo da metrologia, muitos dos mesmos princípios se aplicam a engrenagens para outras aplicações. A impressão 3D também está possibilitando trens de engrenagens personalizados, e os resultados podem ser surpreendentemente robustos nas condições certas. E não se esqueça das fresadoras CNC, que estão transformando engrenagens grandes e pequenas em todos os tipos de materiais.