Elementos de máquina – Classificação, características e processos de fabricação

Por definição, toda máquina tem como objetivo a realização de algum tipo de movimento ou transferência de energia. Esse princípio básico caracteriza qualquer tipo de máquina como veículos, bombas hidráulicas, esteiras transportadoras, máquinas-ferramentas e mais uma infinita gama de equipamentos desenvolvidos pelo homem.

Chamamos de elementos de máquinas os componentes ou unidades que, combinados com outros elementos, tem funções específicas e formam um conjunto que permitem que a máquina realize o trabalho ou a função para qual foi projetada.

Os elementos de máquina são a base do funcionamento dos equipamentos. A correta seleção, dimensionamento e a qualidade da fabricação são fundamentais para que as máquinas funcionem corretamente, atendam os requisitados de projeto e tenham a vida útil esperada.

Tipos de Elementos de Máquinas

Abaixo segue uma divisão dos elementos de máquina por função e exemplos de cada categoria:

• Elementos de fixação;

Parafusos, porcas, arruelas e anéis elásticos

• Elementos de Apoio;

Buchas, mancais, rolamentos e guias

• Elementos de Transmissão;

Engrenagens, polias, correias e acoplamentos

Esse artigo vai explicar quais são as características dos principais elementos de máquinas, suas classificações e os processos utilizados para fabricação.

Elementos de fixação

A união de peças feita pelos elementos de fixação pode ser de dois tipos: móvel ou permanente.

Em sistemas com união móvel, os elementos de fixação podem ser montados e desmontados do conjunto sem causar danos às peças. É o caso, por exemplo, de uniões feitas com parafusos, porcas e arruelas.

Para sistemas com união permanente, os elementos de fixação são instalados de forma definitiva e sua extração os torna inutilizável e pode causar avarias nas peças fixadas. É o caso, por exemplo, de uniões feitas com rebites e soldas.

Nesse artigo iremos nos aprofundar nos parafusos e porcas, que são os elementos de fixação móvel mais utilizados em diversos tipos de aplicação.

• Parafusos

Os parafusos são os elementos de fixação mais aplicados. São constituídos de um corpo cilíndrico ou cônico e tem comprimento variável. Os parafusos diferenciam-se por seu tipo de cabeça, corpo, rosca, diâmetro e comprimento da área roscada.

Sob o corpo do parafuso há filetes de roscas especificadas de acordo com normas de fabricação. As normas de rosca mais comuns são a Whitworth, métrica e a americana.

Diversos materiais são utilizados para fabricação de parafusos como aço com baixo teor de carbono, aço inoxidável, latão, bronze e aços com elementos de liga.

• Fabricação de parafusos

O processo de fabricação de parafusos mais utilizado para produção de grandes lotes é o forjamento a frio. Basicamente, a matéria prima chamada fio máquina é preparada para que seja realizado o forjamento da cabeça e das roscas. Abaixo segue fluxograma com etapas da fabricação dos parafusos.

Para parafusos especiais, utiliza-se a usinagem para fabricação devido a inviabilidade do custo do processo de forjamento a frio para lotes pequenos. Os processos mais comuns para fabricação de parafusos por usinagem são torneamento, fresamento e até retificação.

Alguns cuidados devem ser tomados na fabricação de parafusos como:

• O ajuste das medidas e tolerâncias devem seguir estritamente a norma de referência para permitir a intercambialidade das peças.
• O material e o processo a serem adotados devem atender a classe de resistência especificada para o parafuso. A classe ou grau de resistência referem-se às propriedades mecânicas dos elementos de fixação.
• O manuseio do parafuso durante seu processo de fabricação ou transporte deve ser feito com cuidado para evitar batidas ou deformação nos filetes de rosca.
• O tratamento superficial aplicado após a fabricação do parafuso é muito importante para evitar a oxidação e prolongar a vida útil do componente.

 

• Porcas

As porcas são elementos de fixação utilizados em conjunto com parafusos ou barras roscadas para união de peças. Existem diversos tipos e formatos para porcas para as mais diversas aplicações.

As porcas são fabricadas de diversos materiais: aço, bronze, latão, alumínio, plástico. Há casos especiais em que as porcas recebem banhos de galvanização, zincagem e bicromatização para protegê-las contra oxidação.

De forma similar aos parafusos, para lotes grandes, as porcas também são fabricadas por processo de forjamento e podem ser usinadas em casos de lotes pequenos ou peças com características especiais.

 

Elementos de Apoio

• Mancais

Mancais são elementos mecânicos de apoio projetados para dar sustentação a um eixo enquanto ele rotaciona. Os mancais atuam como suporte de apoio para os eixos e tem a função de reduzir o atrito e, por consequência, prolongar a vida útil das peças que compõem o sistema mecânico. Os mancais atuam também amortecendo choques e vibrações.

Normalmente são fabricados de ferro fundido ou aço, e bipartidos (base e tampa). Os principais tipos de mancais são: rotativo ou de rolamento e de deslizamento ou de bucha.

Mancal de deslizamento

Mancais de deslizamento são componentes de apoio para eixos e tem seu funcionamento baseado no deslizamento entre um eixo e uma bucha. Esse tipo de mancal, normalmente, é constituído de uma bucha fixada num suporte conforme imagem abaixo.

Esse modelo é muito utilizado em máquinas pesadas e de baixa rotação, e suas montagens são caracterizadas pela simplicidade e facilidade de manutenção.

O uso de buchas e lubrificantes permite reduzir esse atrito e melhorar a rotação do eixo. As buchas são, em geral, feitas de materiais macios, como o bronze e ligas de metais leves.

As principais vantagens de um mancal de deslizamento são:

• Maior amortecimento de choques e vibrações;
• Fácil fabricação e menor custo comparado ao mancal de rolamento;
• Mais silenciosos que mancais de rolamento;

As desvantagens do mancal de deslizamento são:

• Provocam desgastes em buchas e eixos devido às deficiências de lubrificação;
• Provocam perda de rendimento devido ao atrito e altas temperaturas de operação;
• Não permitem desalinhamentos;
• Exigem constantes lubrificações;
• Maior atrito na partida;

Mancal de rolamento

O mancal de rolamento é constituído por rolamento de esferas, de rolos ou de agulha que servem como apoio do eixo. Dessa forma, quando o eixo gira, as esferas ou rolos também giram. Em outras palavras, trata-se de um suporte fixo onde o rolamento é montado no furo do mancal para suportar o eixo.

O componente mais importante nesse tipo de mancal é o rolamento que tem a função de reduzir ao atrito entre um eixo e um elemento de apoio em que este gira. Sem os rolamentos haveria um desgaste muito grande entre as peças.

Um rolamento é composto por um anel interno, anel externo e elementos rolantes, que são a parte principal dele. Os rolamentos podem ser classificados conforme seus elementos rolantes:

• Rolamento de esfera

Os corpos rolantes são esferas e são apropriados para altas rotações.

• Rolamento de rolos

Os corpos rolantes são cilindros ou rolos cônicos. Esses rolamentos suportam cargas maiores, porém trabalham com menores rotações.

• Rolamentos de agulha

Os corpos rolantes tem diâmetro pequeno em relação ao comprimento. São recomendados para mecanismos onde a carga não é constante.

 

As principais vantagens de um mancal de rolamento são:

• Menor atrito e aquecimento
• Baixa exigência de lubrificação
• Intercambialidade internacional
• Não há desgaste do eixo
• Permitem esforços radiais e axiais

As desvantagens do mancal de rolamento são:

• Maior sensibilidade aos choques.
• Maiores custos de fabricação
• Tolerância pequena para carcaça e alojamento do eixo.
• Não suporta cargas tão elevadas como os mancais de deslizamento.

A especificação de um rolamento deve levar em consideração diversos fatores. Os principais são:

• direção e o tamanho da carga,
• velocidade de trabalho,
• temperatura,
• lubrificação,
• condições do ambiente de trabalho,

A figura abaixo é um desenho de usinagem de um mancal. Para fabricação desse tipo de peça é muito comum o uso de torneamento, fresamento e furação.

Elementos de Transmissão

• Engrenagem

A engrenagem é um elemento de transmissão mecânica usado ​​na transferência de movimento e potência entre componentes de uma máquina. As engrenagens também são muito usadas quando se deseja variar a velocidade de rotação e/ou o sentido de rotação de um eixo para outro. Elas também servem para transformar um movimento rotacional num movimento linear.

Elas trabalham em pares, encaixando seus dentes nos dentes de outra. Este engrenamento evita o deslizamento durante o processo de transmissão. Uma engrenagem deve estar conectada a um eixo. Pois é o giro do eixo motriz que possibilita seu movimento, e por sua vez, a engrenagem movida tem por finalidade girar o eixo de saída.

As engrenagens tem diversas aplicações desde relógios, com peças pequenas que exigem maior precisão, até em sistemas de transporte de materiais, onde se usam peças robustas com maior exigência em sua resistência mecânica. Os materiais mais usados na fabricação de engrenagens são: aço-liga-fundido, ferro fundido, alumínio e bronze fosforoso.

As vantagens das engrenagens sobre outros sistemas de transmissão são:

• Perda mínima de potência na transmissão devido ao engrenamento;
• Precisão em determinar as relações de redução de velocidades;
• Durabilidade das peças.

Tipos de engrenagens

Os principais tipos de engrenagens empregadas na indústria e em equipamentos são:

• Engrenagens cilíndricas de dentes retos ou frontais.

São engrenagens que apresentam os dentes paralelos ao centro do eixo, sendo empregadas para transmitir potências médias, com rotação variada. A engrenagem cilíndrica de dentes retos é considerada o tipo mais comum. É importante citar que a fabricação desse modelo é mais simples em comparação aos outros modelos.

Um modelo importante desse tipo de engrenagem é a cremalheira, que é uma barra provida de dentes, destinada a engrenar uma roda dentada e é usada para transformar movimento de rotação em movimento retilíneo.

• Engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais.

A característica construtiva desse tipo de engrenagem é a inclinação dos dentes em relação ao centro do eixo, tendo como vantagens a alta resistência e trabalho silencioso. São utilizadas quando há necessidade de grandes esforços como em caixa de redução e de câmbio. Além disso, permitem transmitir potências maiores com rotação variada.

 

 

• Engrenagens cônicas

As engrenagens cônicas apresentam a forma de tronco de cone, e podem ter dentes retos ou helicoidais, porém tem como característica principal a transmissão de movimento entre eixos ortogonais.

Fabricação de engrenagens

Nesse artigo serão abordados os processos de fabricação de engrenagens através de usinagem (com remoção de cavaco). Os processos de fresamento podem ser por forma (com fresa módulo) ou por geração (com fresa caracol).

• Fresamento por forma (fresa de módulo)

Utilizando-se de fresa de módulo, a ferramenta remove material da peça formando o vão entre dois dentes, deslocando-se axialmente ao longo da espessura do dente. Depois que todo o vão é cortado, a ferramenta é retirada e a peça rotacionada com o uso de um dispositivo, e a ferramenta de corte passa a usinar outro dente, repetindo esse processo até que todos os dentes estejam formados.

 

• Geração de engrenagens com ferramenta tipo hob

O fresamento com hob ou caracol é um processo de manufatura em que o dente da engrenagem é gerado através de uma série de cortes com uma ferramenta de corte helicoidal. Existem máquinas especificas para esse processo chamadas geradoras. O caracol (hob) e o blank de engrenagem giram continuamente até que todos os dentes sejam cortados.

• Roda dentada e correntes de transmissão

As rodas dentadas tem funcionamento similar às engrenagens, porém, funcionam com correntes ou correias sincronizadoras e tem como finalidade a transmissão de potência entre dois eixos.

As rodas dentadas são selecionadas de acordo com seus diâmetros, número de dentes e número de carreiras. Rodas dentadas com múltiplas carreiras são usadas para transmitir torques mais altos em um mesmo diâmetro.

Em geral, as rodas dentadas são construídas em aço ou ferro fundido, que apresentam elevada resistência mecânica. Elas também podem ser tratadas termicamente para suportar condições mais severas. Contudo, com o avanço da engenharia de materiais como o nylon, polietileno e alumínio podem ser usados.

A principal vantagem das rodas dentadas com correntes sobre as engrenagens é a possibilidade de transmissão de torque e movimento em distâncias maiores entre eixos. Um exemplo dessa vantagem é o funcionamento de uma bicicleta em que seria inviável a adoção de engrenagem para acionamento do eixo traseiro.

Segue quadro comparativo entre o uso de engrenagens e rodas dentadas.

CARACTERÍSTICA	ENGRENAGENS	RODAS DENTADAS PARA CORRENTE
Engrenamento	Engrenagem com engrenagem	Roda dentada com corrente
Posição dos eixos	Paralelos ou perpendiculares	Apenas paralelos
Sentido de giro do pinhão em relação à coroa	Sentidos opostos	Mesmo sentido
Montagem comum	Várias engrenagens, no interior das máquinas	Par de rodas dentadas, no exterior das máquinas
Distância dos eixos	Próximos, para manter o contato das engrenagens	Distantes, ligados pela correia ou corrente

 

 

 

• Polias e Correias

As polias e correias são componentes usados em sistemas de transmissão de potência, ou seja, força e movimento, em máquinas e motores de todos os tamanhos e funções.

Sendo assim, a principal função da polia ou correia é transferir o movimento de força, ou torque, entre componentes de uma máquina como, por exemplo: acoplamentos e eixos.

As polias podem ser fabricadas em diversos materiais, como aço, ferro fundido ou materiais sintéticos. Já as correias podem ser feitas, predominantemente, a partir de materiais vulcanizados revestidos por borrachas e lonas.

As transmissões por correias e polias apresentam as seguintes vantagens:

• Baixo custo inicial
• Alto coeficiente de atrito
• Elevada resistência ao desgaste
• Funcionamento silencioso
• Adequadas para grandes distâncias entre centros

 

De forma geral, as polias menores são fabricadas por processo de torneamento. Para polias maiores, as peças são fundidas e passam por processo de acabamento em tornos.

Uma dica importante é que alguns fabricantes de pastilhas de metal duro desenvolveram uma geometria destinada para a usinagem de canais de polias. Essas pastilhas melhoram o posicionamento da ferramenta e facilitam o trabalho. Essa geometria de inserto é conhecida como YNMG.