Transmissões por CORREIAS

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1 Instituto Superior de Transportes e Comunicações Transmissões por CORREIAS Órgãos de Máquinas Cápitulo 6 A 3⁰ Ano Eng⁰ Eulices Mabasso

2 Tópicos Conceitos gerais Transmissões por correias Características geométricas das Transmissões por correia Esforços actuantes nas transmissões por correia Resistência das transmissões por correia Sequência de cálculo das transmissões Exercícios prácticos 2

3 As transmissões por correia pertencem ao grupo de transmissões por meio do atrito. Nas transmissões por correia o movimento do elemento motor é transmitido ao elemento movido por intermédio de um elemento flexível chamado "correia". As transmissões por correia podem ser utilizadas quando os eixos dos elementos motor e movido estão a uma distância tal que o contacto directo entre estes é impossível. Estes elementos são abraçados pela correia, possibilitando a obtenção de uma transmissão com grandes distâncias interaxiais. Os elementos motor e movido abraçados pela correia designam-se "polias". 3

4 As porções da correias que se localizam entre as polias designamse "ramais". A polia motriz, ao girar, arrasta consigo a correia, graças ao atrito. Esta, por sua vez, arrasta a polia movida, girando-a. As forças de atrito entre a correia e as polias são proporcionadas pelo aperto da correia sobre as superfícies de trabalho das polias. 4

5 Este aperto é commumente conseguido tensionando a correia por vários métodos, a abordar adiante. Este tensionamento é feito antes da aplicação da carga e por isso, às vezes, o esforço aplicado se designa "esforço prévio" ou "esforço inicial". Contudo, não é forçoso que este esforço se mantenha constante durante a operação. O ramal da correia que "puxa" a polia movida e sai dela está sujeito a uma maior tensão que o outro. O ramal que entra para a polia movida é mais frouxo, i.e., está sujeito a uma menor tensão. 5

6 As transmissões por correia podem desempenhar um papel importante na redução dos custos das máquinas pois permitem a redução das exigências de complexidade e precisão da construção, graças à elasticidade da correia. Para diferenciar estes diferentes estados o primeiro ramal designa se "ramal tenso" e o que está sujeito a uma menor tensão designa-se "ramal frouxo". 6

7 Devido a esta mesma elasticidade, as transmissões por correia também conferem um aumento da longevidade dos órgãos das máquinas, pois a absorção dos choques resulta num funcionamento suave. As transmissões por correias são muito utilizadas para transmitir potências desde os motores eléctricos de baixa e média potência aos mais diversos tipos de dispositivos accionados. Também são muito comuns nas máquinas agrícolas, nos motores de combustão interna, em geradores, em aparelhos laboratoriais, aparelhos de entretenimento e outras aplicações. 7

8 O grande sucesso na utilização das correias é devido, principalmente, às seguintes razões: a boa economia proporcionada por esta transmissão, sua grande versatilidade e a segurança. Razões económicas o Padronização, Facilidade de montagem e manutenção (a disposição é simples e acoplamento e o desacoplamento são de fácil execução), Ausência de lubrificantes e Durabilidade, quando adequadamente projetadas e instaladas. 8

9 Razões de segurança Reduzem significativamente choques e vibrações devido à sua flexibilidade e ao material que proporciona uma melhor absorção de choques e amortecimento, evitando a sua propagação, Limitam sobrecargas pela ação do deslizamento (podem funcionar como fusível mecânico ), Funcionamento silencioso, Razões de versatilidade permitem grandes variações de velocidade (i recomendado 6) 9

10 Razões de versatilidade possibilitam rotações no mesmo sentido (correia fechada) Figura 1.6. facilidade de variação de velocidade: - - contínuo (figura 1.2.a) descontínuo (polias escalonadas - figura 1.2.b) (correia aberta) ou em sentidos opostos 10

11 Tomando como referência as transmissões por engrenagens (e exceptuando as correias dentadas), as transmissões por correias denotam as seguintes vantagens e desvantagens comuns: Vantagens simplicidade e baixo custo de construção e exploração; possibilidade de transmitir energia mecânica a longas distâncias (até 15 metros, para correias planas); suavidade e ausências de ruídos durante o funcionamento; capacidade de amortecer choques e vibrações, o que aumenta a vida útil dos outros órgãos da máquina); 11

12 - capacidade de proteger os elementos da máquina contra se supera a força de atrito entre as polias e a correia; sobrecarga, quando Desvantagens - dimensões grandes, tipicamente o quíntuplo das dimensões de elementos de transmissões por engrenagens para potências equivalentes - inconstância da relação de transmissão - esta varia em função da carga por causa do deslizamento da correia - baixo tempo de vida da correia ( horas) que deteriora acentuadamente tanto com o aumento da velocidade como com o aumento da força inicial F0 ou das cargas/tensões de serviço; 12

13 1.1. Tipos de Correias Existem várias formas de secções transversais das correias. Em função destas formas podem ser distinguidos os seguintes tipos de transmissões por correias: transmissões por correias planas transmissões por correias redondas transmissões por correias trapezoidais múltiplas (ou multi-v) - transmissões por correias dentadas 13

14 1.1. Tipos de Correias As correias mais populares são as trapezoidais e as planas. As transmissões por correias planas são simples, versáteis e têm rendimento comparativamente alto. Este pode atingir 98%. As correias planas são muito convenientes para grandes distâncias interaxiais e têm certa popularidade. As correias trapezoidais têm relativamente menor rendimento que as planas. Usam-se para distâncias interaxiais relativamente menores, especialmente quando se pretendem transmissões compactas. Dentre as transmissões por correias, as transmissões por correias trapezoidais são as mais populares, na actualidade. 14

15 1.1. Tipos de Correias As transmissões por correias podem ter diversas configurações e disposições mútuas dos eixos. Assim, podem ser distinguidos os seguintes tipos de transmissões: o o o o o o transmissões simples ou abertas, com eixos paralelos transmissões cruzadas transmissões semi-cruzadas ou angulares transmissões com eixos cruzados transmissões com polias múltiplas transmissões com polias tensoras ou desviadoras Nas transmissões abertas os eixos das polias são paralelos e a rotação das polias motriz e movidas ocorre no mesmo sentido. Nas transmissões cruzadas o sentido de rotação das polias é invertido. Para as transmissões cruzadas e semi-cruzadas são usadas correias planas e redondas. 15

16 1.1. Tipos de Correias 16

17 1.1. Tipos de Correias As correias mais antigas eram fabricadas em couro. Atualmente este material está em desuso e se utilizado o é apenas para correias planas. A composição das correias modernas é de material compósito. É uma mistura de polímeros (borracha) com fibras vegetais (algodão ou cânhamo) ou materiais metálicos (arames ou cabos de aço). A composição mínima das correias trapezoidais e planas está mostrada na figura ao lado. 17

18 1.1. Tipos de Correias As correias são elementos flexíveis feitos de diversos materiais. Para além da capacidade para transmitir os esforços que se verificam durante o funcionamento, as exigências principais para os materiais das correias são: elevado coeficiente de atrito entre a correia e a polia (geralmente 0,4... 0,8); reduzido módulo de elasticidade, para evitar grandes tensões de flexão; baixo custo. Usam-se correias de couro (para velocidades até 40 m/s), telas de algodão (para velocidades até 25 m/s), tecidos de lã (para velocidades até 30 m/s) e várias substâncias sintéticas ou naturais 18

19 Correias Planas As correias planas têm secção transversal rectangular. Estas correias facultam alto rendimento (próximo de 98%, quase tanto quanto as transmissões por engrenagens). As correias planas podem ser feitas de uma ou mais (até 9) camadas de material flexível como couro, tecido impregnado e intercalado com camadas de borracha, apenas tecido ou apenas borracha ou ainda outras telas. A largura de trabalho das correias planas varia de 20 a 500 milímetros. 19

20 Correias Planas Algumas correias planas têm um revestimento numa das faces ou em ambas as faces, para aumentar o coeficiente de atrito. Na montagem de transmissões por correias planas o ramal frouxo deve ser o ramal superior. Assim, garante-se um melhor abraçamento da correia na polia. Nas transmissões por correias planas com grandes distâncias interaxiais podem formar-se flechas notórias no ramal frouxo. 20

21 Correias Trapezoidais A secção transversal de uma correia trapezoidal tem a forma de trapézio. A cunha formada pelos lados inclinados do trapézio é utilizada para aumentar grandemente a força de atrito e, consequentemente, a capacidade de transmitir energia, sem aumento correspondente das forças para esticar a correia. As correias trapezoidais têm relativamente grande altura e por isso são mais propensas a criar tensões de flexão. Esta desvantagem é compensada pelo uso de materiais com baixo módulo de elasticidade (borracha) e associado ao uso de camadas de carga com pequena espessura ou reentrâncias cavadas na superfície inferior da correia, na forma de dentes que não engrenam com nenhuma superfície. 21

22 Correias Trapezoidais Em muitas circunstâncias, montam-se várias correias trapezoidais de pequena espessura numa polia, lado-a-lado, de modo a reduzir os inconvenientes do uso de uma só correia com grande secção transversal de grande altura. O rendimento das transmissões por correias trapezoidais é relativamente menor que o rendimento das transmissões por correias planas. Porém, depois das transmissões por engrenagens, as transmissões por correias trapezoidais são as mais divulgadas. 22

23 Correias Dentadas Este tipo de correias tem secção transversal de pequena altura, com fios de aço (ou outros fios de grande resistência à rotura) no seu interior para suportar as forças que surgem no seu funcionamento. Uma das faces da correia tem saliências perpendiculares à linha do comprimento da correia, que se encaixam nas reentrâncias equivalentes das polias. Estas saliências formam os "dentes" de onde deriva o nome da correia. As correias dentadas têm altíssima resistência à fadiga e podem funcionar com segurança durante longo tempo, mesmo condições de alta temperatura, humidade e presença de óleos, como acontece nos motores de combustão interna de automóveis. redondas 23

24 Correias Dentadas Devido à ausência de deslizamento entre a correia e as polias é possível obter uma relação de transmissão constante. Devido aos fios de aço que servem de reforço, as correias dentadas quase não sofrem nenhum alongamento durante funcionamento, isto é, elas não são elásticas sentido do seu comprimento. o no Assim, é possível usá-las em instalações nas quais a distância interaxial é fixa. Assim, não é preciso ter uma distância interaxial regulável e não é preciso regular a tensão da correia periodicamente. Não é necessário ter um grande aperto prévio para transmitir as cargas de trabalho pois não há necessidade de criar forças de atrito. 24

25 1.2.Polias A constituição típica de uma polia comporta uma coroa (onde assenta a correia), o cubo (onde se instala o veio) e o disco ou braços, que se situam entre o cubo e a coroa. Devido às altas velocidades das correias, as polias não só devem ter um elevado coeficiente de atrito como também outras características. As polias são fabricadas de diversos materiais, destacando-se o aço, o ferro-fundido, ligas leves e plásticos. As ligas leves e os plásticos usam-se quando se pretendem construções com peso reduzido. 25

26 1.2.Polias As polias de plástico são fáceis de produzir e são leves mas, em contrapartida, têm baixa condutibilidade térmica, o que piora a dissipação do calor produzido na zona de trabalho, podendo provocar o aquecimento exagerado da correia e consequente redução da sua vida útil. As polias para correias planas têm coroas planas ou ligeiramente abauladas. O abaulamento das polias facilita a auto-centragem das correias. As coroas das transmissões por correia plana com velocidades altas podem ser perfuradas, de forma a permitir a passagem de ar para o interior da coroa. 26

27 1.2.Polias Assim, reduz-se o efeito da compressão do ar na zona de entrada da correia para a polia. Quando o ar é comprimido tende a reduzir a aderência da correia sobre a polia e também tende a reduzir o ângulo de abraçamento, o que resulta numa ligeira redução da capacidade de carga. As coroas das polias para correias trapezoidais, redondas ou trapezoidais múltiplas têm ranhuras ao longo da superfície curva. As linhas dos centros geométricos das secções transversais das ranhuras localiza-se em planos radiais. É nestas ranhuras que se encaixa a correia. 27

28 1.3. Métodos para garantir a tensão inicial das correias A capacidade de carga e o tempo de vida (longevidade) das transmissões por correia dependem dos dispositivos para garantir a tensão inicial da correia σ0. Esta provém do esforço prévio, F0. Quando as transmissões que têm regime de carga variável funcionam com baixa carga, a tensão inicial é demasiada. Isto diminui o tempo de vida e o rendimento da transmissão. Por este motivo, é aconselhável utilizar dispositivos tensores que regulam o esforço F0 em função da carga. 28

29 1.3. Métodos para garantir a tensão inicial das correias Para garantir tensão suficiente e/ou aumentar o arco de contato, pode-se recorrer a: o dispositivos de estiramento o polias tensoras, estiradores, fixas ou oscilantes o Etc. 29

30 2. Características Geométricas 2.1. Parâmetros cinemáticos das transmissões por correia O cálculo principal da transmissão por correia baseia-se na capacidade de transmitir a potência desejada. A longevidade (ou durabilidade) da correia é verificada como cálculo testador e tem carácter condicional. Os parâmetros cinemáticos das transmissões por correia são similares aos das transmissões por rodas de atrito. as velocidades periféricas das polias são respectivamente: 30

31 2. Características Geométricas 2.1. Parâmetros cinemáticos das transmissões por correia Considerando o deslizamento da correia sobre as polias pode-se concluir que a velocidade na polia movida é menor que a velocidade na polia motriz, o que pode ser escrito como v2 < v1 ou na forma: ε - é o coeficiente de deslizamento, abordado adiante A relação de transmissão real é descrita por uma expressão que tem em conta a existência de deslizamento: 31

32 2. Características Geométricas 2.2. Parâmetros geométricos de uma transmissão por correia O valor do coeficiente de deslizamento ε depende da carga. Por isso, a relação de transmissão nas transmissões por correia não é estritamente constante. Durante o funcionamento normal, os valores do coeficiente de deslizamento são ε 0,01...0,03. Como os valores de ε são pequenos, é permissível a seguinte aproximação: 32

33 2. Características Geométricas 2.2. Parâmetros geométricos de uma transmissão por correia Os parâmetros geométricos de uma transmissão por correia são: a distância interaxial, o ângulo entre os ramais da correia e o ângulo de abraçamento da correia sobre a polia menor transmissão aberta 33

34 2. Características Geométricas 2.2. Parâmetros geométricos de uma transmissão por correia Os parâmetros geométricos de uma transmissão por correia são: a distância interaxial, o ângulo entre os ramais da correia e o ângulo de abraçamento da correia sobre a polia menor transmissão aberta 33

35 2. Características Geométricas 2.2. Parâmetros geométricos de uma transmissão por correia Os parâmetros geométricos de uma transmissão por correia são: a distância interaxial, o ângulo entre os ramais da correia e o ângulo de abraçamento da correia sobre a polia menor transmissão cruzada 34

36 3. Esforços actuantes nas transmissões As correias estão submetidas basicamente a dois tipos de tensões: tensão devido ao tracionamento e tensão devido à flexão da correia em torno da polia. A figura 1.10 mostra a configuração da força normal (N) resultante do tracionamento inicial, que origina a força de atrito (μ.n) necessária à transmissão, tanto para correias planas (a) como para trapezoidais (b). 35

37 3. Esforços actuantes nas transmissões Algumas definições, análises baseadas e na figura, serão agora feitas. Fi = carga inicial ou précarga F1 = força no ramo tenso F2 = força no ramo frouxo R = resultante na correia - carga útil, carga transmitida 36

38 3. Esforços actuantes nas transmissões 3.1. Carga Inicial - Fi 37

39 3. Esforços actuantes nas transmissões 3.2. Análise da Relação Entre as Cargas nos Ramos da Correia (F1 e F2) 38

40 3. Esforços actuantes nas transmissões 3.2. Análise da Relação Entre as Cargas nos Ramos da Correia (F1 e F2) 39

41 3. Esforços actuantes nas transmissões 3.2. Análise da Relação Entre as Cargas nos Ramos da Correia (F1 e F2) A equação [4] é denominada equação fundamental das correias. Essa equação representa, considerando os demais parâmetros constantes, a relação máxima entre as forças F1 e F2 que a correia pode operar sem deslizamento. Para correias trapezoidais a equação [4] torna-se: 40

42 3. Esforços actuantes nas transmissões 3.3. Análise da Força Centrífuga - Fc 41

43 3. Esforços actuantes nas transmissões 3.4. Carga Devido à Flexão da Correia 42

44 3. Esforços actuantes nas transmissões 3.4. Carga Devido à Flexão da Correia 42

45 4. Exemplo 1 Determine o comprimento das correias dos sistemas de transmissao ao lado. 43

46 4. Exemplo 1 Determine a força que actua no veio e o comprimento da correia plana necessário para o sistema representado na figura ao lado. Considere os seguintes dados: N1=1450 rpm N2=500 rpm P=7cv C=500 mm V=12m/s Coeficiente de atrito igual a 0,7 43