Tecnologia Mecânica - Aula 15 - Elementos elásticos: molas helicoidais e planas

Na mecânica, as molas estão presentes na maioria das máquinas e equipamentos industriais.  

As molas são elementos elásticos que têm a função de absorver vibrações ou choques mecânicos. Por possuírem grau de elasticidade elevado, podem ser deformadas pela aplicação de uma força e se recompor quando esta é retirada.

Geralmente, são fabricadas em aço ou outro material que apresente a propriedade elástica e resiliência. Apresentam formas geométricas distintas, podendo ser planas ou helicoidais, ou seja, em forma de hélice.

Molas helicoidais

As molas helicoidais podem ser fabricadas a partir de uma haste de aço de seção circular, quadrada ou retangular, passam por um processo de conformação, podendo ser a frio, ou a quente, como no caso da imagem mostrada a seguir, para se obter um corpo de forma enrolada em hélice, com geometria cilíndrica ou cônica.

Quanto aos esforços aplicados sobre as molas helicoidais podem ser de tração, de compressão e de torção.

Na mola de helicoidal de tração, as espiras se afastam quando são esticadas. São usadas em situações onde se requer uma ação contrária ao estiramento. Esta mola possui ganchos nas extremidades, além das espirais. Os ganchos são também chamados de olhais. Para  desempenharem sua função, deve ser esticada, aumentando seu comprimento. Em estado de repouso, ela volta ao seu comprimento.

A mola helicoidal de compressão é formada por espirais. Quando esta é pressionada por alguma força, o espaço entre as espiras diminui, tornando menor o comprimento da mola. 

As molas helicoidais de torção se deformam quando recebem esforço de torção nas suas extremidades. São usadas em sistemas de portas, botoeiras, alicates, tesouras e em outras situações onde sejam necessárias. Onde acorra movimento angular.

A mola helicoidal de torção tem dois braços de alavancas, além das espiras que se deformam quando um desses braços fica fixo e o outro recebe esforço de rotação ou giro no outro braço. 

As molas helicoidais de tração e de compressão, ainda, podem ter complementadas as suas classificações em função do formato geométrico com que o helicoidal foi feito, sendo classificadas como: Paralela, Cônica e Bicônica.

Nos relógios comparadores e apalpadores, as molas em espiral são utilizadas para eliminar a folga entre as engrenagens do mecanismo. Por serem de dimensões pequenas e finas, são também conhecidas como mola cabelo.

Molas planas

Agora que conheceu alguns tipos de molas helicoidais e suas aplicações, vamos ver alguns tipos de molas planas.

As molas planas são fabricadas partindo de um material de seção plana, por exemplo, chapa ou fita de aço, podendo ser encontradas nos seguintes tipos e formatos: feixe, prato e espiral.

A partir dos tipos de molas que vimos e suas formas, podem surgir outras formas de molas. 

A mola plana de feixe é constituída por peças planas de comprimentos diferentes. Alinhadas e empilhadas umas sobre as outras. É um tipo de mola usada para altas cargas.

Além das molas planas de feixe, prato e espiral, ainda existem molas planas menos conhecidas como as de: lâmina, onda de lâmina e anel.

Molas planas simples são confeccionadas de material plano ou em fita. Foram projetadas para receberem esforços em um só sentido. Em geral, essa mola é fixa numa extremidade e livre na outra e quando sofre a ação de uma força, a mola é flexionada em direção oposta.

Molas planas do tipo prato funcionam associadas entre si, empilhadas, formando colunas.

Molas planas do tipo feixe de molas sãos feitas de diversas peças planas de comprimento variável, moldadas de maneira que fiquem retas sob a ação de uma força. São empregadas em pequenos espaços (altura), especialmente em veículos pesados (caminhões).

Molas planas: espirais tem a forma de espiral ou caracol, em geral ela é feita de barra ou de lâmina com seção retangular. A mola espiral é enrolada de tal forma que todas as espiras ficam concêntricas e coplanares.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 29/02/2020

Tecnologia Mecânica - Aula 14 - Elementos de vedação: anéis, retentores e selos mecânicos

VEDAÇÃO

Vedação é o processo de evitar a passagem de um material sólido, líquido ou gasoso, de um compartimento para outro. Por exemplo: temos os refrigerantes que possuem uma tampa que evita que o líquido saia e não entre nenhum corpo estranho.

Existem dois tipos básicos de vedação: a estática e a dinâmica. 

VEDAÇÃO ESTÁTICA

Este tipo de vedação é usado nos casos em que as peças a serem isoladas não têm movimento relativo. Por exemplo, na cozinha da sua casa você sabe para que serve a borracha da panela de pressão?

 Em uma panela de pressão, a tampa possui uma vedação para impedir que o conteúdo pressurizado escape para o ambiente externo. Ou seja, ela impede que o vapor escape, proporcionando o aumento da pressão. Neste caso, aplica-se uma vedação estática.

VEDAÇÃO DINÂMICA

A vedação dinâmica é empregada quando as peças consideradas têm movimento relativo entre si. Por exemplo, um eixo de motor, ao girar, deve ser lubrificado, mas o óleo usado não deve sair do compartimento interno do motor. Neste caso, aplica-se uma vedação dinâmica.

Alguns tipos de vedação como a junta da panela de pressão, citada anteriormente, somente se aplicam a situações estáticas; enquanto outros como os anéis de vedação podem ser aplicados tanto em situações estáticas (vedações secundárias em selos mecânicos), quanto nas dinâmicas (no êmbolo de um cilindro hidráulico), conforme nos mostra a imagem a seguir:

ANÉIS

Os anéis de vedação são muito empregados na vedação de cilindros hidráulicos e pneumáticos que funcionam a baixas velocidades. São feitos, normalmente, de borracha natural, borracha nitrílica, silicone ou outros materiais elastômeros. Podem ser adquiridos em dimensões padronizadas conforme catálogo de fornecedores ou podem ser adquiridos em bobina, de forma a serem cortados no tamanho desejado. Neste caso, as pontas são coladas. 

Há um contato muito forte entre o anel e a superfície metálica. Então, para que haja vedação, é fundamental que as superfícies que entrarão em contato com o anel tenham baixa rugosidade. 

Alguns usos típicos desses anéis são: cilindros pneumáticos, cilindros hidráulicos, bombas de diversos tipos. A imagem a seguir ilustra um cilindro Pneumático dupla ação e os elementos que o compõem.

Além do tipo circular, há outros tipos de anéis com seções variadas, quadradas, octogonais, em X e várias outras. Essas seções não circulares são empregadas para pressões maiores, como podemos ver no item 9 da imagem anterior e sua escolha depende da geometria da região de montagem do anel.

RETENTORES

Os retentores são também chamados de vedadores de lábio, porque são compostos por uma membrana polimérica (elastômero) em forma de lábio montada em uma estrutura metálica. Esta estrutura é montada no mancal que suporta o eixo. A figura a seguir nos mostra uma montagem típica de um retentor.

Um retentor atua de forma dinâmica e tem a função de manter óleo, graxa ou outros fluidos dentro de um equipamento. A montagem de um retentor deve ser feita com cuidado, para que se obtenham os resultados de vedação esperados. Um dos maiores problemas que ocorre na montagem do retentor é o descuido que provoca danos aos lábios de vedação. Este descuido pode ser eliminado com a utilização de um chanfro na extremidade do eixo, lubrificação do eixo e a utilização de ferramentas adequadas durante o processo de montagem.

Verifique a seguir os principais componentes de um retentor.

O perfil dos retentores a ser utilizado deve ser escolhido de acordo com a aplicação e os materiais envolvidos. Veja, na tabela a seguir, alguns perfis entre os mais empregados.

A especificação correta do material do retentor é fundamental para minimizar o desgaste que ocorre normalmente nos lábios do retentor, devido ao contato existente entre ele e o eixo da peça que ele veda, assim como, também as características dos fluidos e as temperaturas do processo. A tabela a seguir mostra alguns tipos de elastômeros que podem ser usados em retentores e suas aplicações.

Os materiais usados como elementos de vedação são: juntas de borracha, papelão, velumóide, anéis de borracha ou metálicos, juntas metálicas, retentores, gaxetas, selos mecânicos, etc.

Tabela de perfis de retentores.

Uma vedação por retentor, para ser eficaz e tenha uma boa durabilidade, a superfície do eixo e o lábio do retentor deverão atender aos seguintes parâmetros:

• O acabamento da superfície do eixo deve ser obtido por retificação, seguindo os padrões de qualidade exigidos pelo projeto.
• A superfície de trabalho do lábio do retentor deverá ser isenta de sinais de batidas, sulcos, trincas, falhas de material, deformação e oxidação. 
• A dureza do eixo, no local de trabalho do lábio do retentor, deverá estar acima de 28 HRC.

Dessa forma, quando um retentor apresenta vazamento, é preciso verificar o que causou o problema e, provavelmente, o mesmo deverá ser substituído. As principais falhas que ocorrem com este tipo de vedação são no lábio do retentor e/ou no eixo onde o mesmo está montado.

A montagem do retentor no alojamento deverá ser efetuada com o auxílio de prensa mecânica, hidráulica e um dispositivo que garanta o perfeito esquadrejamento do retentor dentro do alojamento.

• A superfície de apoio do dispositivo e o retentor deverão Ter diâmetros próximos para que o retentor não venha a sofrer danos durante a prensagem.
• O dispositivo não poderá, de forma alguma, danificar o lábio de vedação do retentor.

Durante a substituição do retentor devemos tomar os seguintes cuidados:

• Sempre que houver desmontagem do conjunto que implique desmontagem do retentor ou do seu eixo de trabalho, recomenda-se substituir o retentor por um novo.
• Quando um retentor for trocado, mantendo-se o eixo, o lábio do novo retentor não deverá trabalhar no sulco deixado pelo retentor velho.
• Riscos, sulcos, rebarbas, oxidação e elementos estranhos devem ser evitados para não danificar o retentor ou acarretar vazamento.
• Muitas vezes, por imperfeições no alojamento, usam-se adesivos (colas) para garantir a estanqueidade entre o alojamento e o retentor. Nessa situação, deve-se cuidar para que o adesivo não atinja o lábio do retentor, pois isso comprometeria seu desempenho.

SELOS MECÂNICOS

O selo mecânico é um elemento de vedação considerado entre os melhores. Normalmente, este sistema é utilizado com produtos perigosos que não podem vazar para o meio ambiente. O selo mecânico trabalha em dois estágios: a vedação principal e a vedação secundária.

Na imagem a seguir vemos uma bomba com corte parcial mostrando a posição que fica o selo mecânico.

Vimos, no vídeo abaixo, um tipo de anel de selagem e uma sede de selagem específico, porém, existem outros. Observe, na figura a seguir, outros tipos de sedes e anéis de selagem.

A vedação secundária, que se aplica à sede e ao anel de selagem, impede também que o fluido passe para outro compartimento. Esse processo se faz por meio de anéis com perfis diferentes. No vídeo vimos o tipo anel “O”, mas também são usados anéis retos, foles de borracha e cunhas em teflon. Veja a seguir alguns exemplos.

As principais vantagens do selo mecânico são: Reduz o atrito entre o eixo da bomba e o elemento de vedação reduzindo, consequentemente, a perda de potência; Elimina o desgaste prematuro do eixo e da bucha; A vazão ou fuga do produto em operação é mínima ou imperceptível; Permite operar fluidos tóxicos, corrosivos ou inflamáveis com segurança e tem capacidade de absorver o jogo e a deflexão normais do eixo rotativo.

O processo de vedação por selo mecânico é bastante eficiente, podendo na sua montagem compensar automaticamente pequenos desvios axiais ou radiais na montagem do eixo, além do que, os vazamentos normais de um selo mecânico são muito baixos, chegando a ser 1% do que se observa em gaxetas, que é um outro tipo de vedação que permite pequenos vazamentos.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 29/02/2020

Tecnologia Mecânica - Aula 13 - Elementos de vedação: vedantes químicos, juntas e gaxetas

VEDAÇÃO QUÍMICA

A vedação química é estática e realizada por meio de resinas anaeróbicas, que são substâncias que endurecem na ausência de oxigênio. Em muitos casos, estes vedantes também funcionam como uma espécie de cola, para manter os componentes unidos. É a adesão por trava química. Podemos usar vedação química em parafusos e porcas para que os mesmos não afrouxem.

Uma rosca com folga pode causar sérios problemas ao equipamento. Pode haver escape de fluido, ou podem acontecer movimentos entre as partes, o que podem causar esforços de fadiga, que podem romper as peças. Para evitar isso, o procedimento mais comum é utilizar vedantes como fita veda rosca de teflon sisal ou massa veda rosca.

Em muitos casos, entretanto, esses materiais não preenchem totalmente as folgas, além de poder provocar um posicionamento impreciso entre as partes. Com frequência, isso requer torques de aperto mais elevados, que podem causar avarias nas peças. 

Quando não for possível preencher totalmente as folgas com fita teflon, uma solução pode ser o uso da vedação química.

VEDAÇÃO POR JUNTAS

Na vedação por juntas, que é estática, o material é colocado entre duas partes mecânicas que precisam ficar juntas, com o objetivo de impedir a passagem de fluidos ou pó de um lado para outro. 

As juntas podem ser de materiais, como: elastômeros, fibras de celulose, papelão, cortiça, teflon, amianto, metal e outros materiais.

Para escolher o melhor material para a junta, um dos critérios é empregar o fator de serviço, ou PXT. Este fator é calculado conforme figura. Com referência no cálculo de fator de serviço, observe a tabela que indica a junta mais adequada.

As indicações da tabela devem ser avaliadas juntamente com outros fatores, como tipo do fluido, existência de choques, etc.

Vejamos a seguir as características e aplicações da vedação por juntas:

Elastômeros - Os Elastômeros, vulcanizados sob pressão com as fibras, determinam a resistência química do papelão hidráulico, dando-lhe também as suas características de flexibilidade e elasticidade. Os Elastômeros mais usados são:

Borracha natural (NR): mproduto natural extraído de plantas tropicais, apresenta excelente elasticidade, flexibilidade, baixa resistência química e à temperatura

Borracha estireno-butadieno (SBR): também conhecida como “borracha sintética”, foi desenvolvida como alternativa à borracha natural, possuindo características similares.

Cloropreno (CR): mais conhecido pelo seu nome comercial, Neoprene, possui excelente resistência a óleos, gasolina, solventes de petróleo e ao ozônio.

Borracha nitrílica (NBR): superior às borrachas SBR e CR em relação a produtos químicos e temperatura. Tem excelente resistência a óleos, gasolina, solvente de petróleo, hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos, solventes clorados e óleos vegetais e animais.

Hypalon: possui excelente resistência química inclusive aos ácidos álcalis.

Papelão Hidráulico - São usados Papelões Hidráulicos seme amianto, para aplicações industriais, disponíveis no mercado. Por ser um produto em constante evolução, novas formulações são continuamente oferecidas aos usuários. São fabricadas a partir da vulcanização sob pressão de Elastômeros com fibras minerais ou sintética. Por serem bastante econômicos em relação ao seu desempenho, são os materiais mais usados na fabricação de juntas industriais, cobrindo ampla faixa de aplicação. 

Na fabricação do papelão hidráulico, fibras de amianto ou sintéticas, como aramida (Kevlar), são misturados com elastômeros e outros materiais, formando uma massa viscosa. Esta massa é calandrada a quente até a formação de uma folha com as características físicas e dimensões desejadas. A fibra, o elastômero ou a combinação de elastômeros, aditivos, a temperatura e ao tempo de processamento são combinados de forma a resultar em um papelão hidráulico com características específicas para cada aplicação.

Fibras - As fibras possuem a função estrutural, determinando, principalmente, as características de elevada resistência mecânica dos papelões hidráulicos. Nos papelões à base de amianto, o problema de riscos pessoais aos usuários, é bastante reduzido, por estarem as fibras totalmente impregnadas por borracha. Os papelões à base de fibras  sintéticas são totalmente “sem amianto”, dando bastante segurança aos usuários. Importante: recomenda-se o uso correto dos papelões à base de amianto, o lixamento, raspagem ou qualquer processo que provoque poeira, deve ser feito evitando-se sua inalação, usando-se máscaras com filtros descartáveis. As roupas de trabalho devem ser guardadas e lavadas em separadas das demais.

VEDAÇÃO POR GAXETAS

Gaxetas são elementos vedantes que têm a vantagem de permitir ajustes à medida que sofrem desgaste ou que a vedação perde sua eficácia. Podem ser de náilon, teflon, borracha, cobre, latão, alumínio, algodão, juta e amianto. A esses materiais podem ser adicionados outros para torná-los autolubrificados, tais como: óleo, sebo, graxa, silicone, grafite, mica, etc. Assim, definem-se as gaxetas secas e as impregnadas.

Gaxetas são fabricadas já em forma de anel, prontas para o uso, ou como cordas para que sejam cortadas no comprimento desejado.

As gaxetas normalmente trabalham para evitar o fluxo de fluidos entre os dois lados, mas em alguns casos podem trabalhar para apenas restringir – e não impedir – o fluxo. Isso ocorre quando o atrito entre a própria gaxeta e o eixo ao qual ela está conectada é muito elevado. Nesse caso, é desejável a passagem de uma pequena quantidade de óleo para a lubrificação desta região. 

Gaxetas operam em uma caixa; o tipo mais simples dessas caixas pode ser visto na figura a seguir, em que um conjunto de gaxetas é pressionado contra a caixa por uma peça chamada sobreposta. É esta peça que pode ser acionada para modificar a pressão sobre as gaxetas, quando necessário.

As gaxetas podem ser secas ou impregnadas. As gaxetas secas normalmente são usadas em vedações estáticas, como portas de fornos e estufas, isolamento de tubulações que conduzam fluidos aquecidos e outros. As impregnadas aplicam-se para hastes de válvulas e eixos de máquinas rotativas, como compressores e bombas.

Os perfis das gaxetas também podem variar dependendo da aplicação. Os fabricantes tendem a criar seus próprios modelos, mas de um modo geral temos as gaxetas tipo U, as tipo L e as tipo H, conforme pode ser visto na próxima figura.

Na tubulação da caldeira existem flanges que são ligados por meio de juntas. As juntas devem ser metálicas, devido à elevada pressão e temperatura. Para fazer a manutenção é necessário, após fechadas as válvulas que controlam o fluxo da água, desmontar um dos flanges, retirando os seus parafusos. Depois, deve-se substituir a junta com problema e recolocar o flange.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 29/02/2020

Tecnologia Mecânica - Aula 12 - Elementos de transmissão: engrenagens

As engrenagens são consideradas elementos de máquinas, pois podem transmitir potência e movimento de maneira sincronizada, uma vez que elas são interligadas por eixos onde há transmissão de torque e rotação entre eles, promovendo o funcionamento de diferentes tipos de mecanismos. 

As engrenagens podem ser fabricadas de diversos materiais: aços-liga, ferro fundido, bronze, ligas poliméricas, entre outros. 

Fresadora de engrenagem.

E esse processo de fabricação pode ser bem variado. As engrenagens podem ser produzidas por meio de fundição, usinadas a partir de uma peça fundida, forjada, de tarugos e de inúmeras outras formas.

Existem fresadoras específicas para a produção de engrenagens. Elas são chamadas de fresadoras geradoras de engrenagens, conforme exemplifica a figura 01. 

Hoje, dependendo do tipo de material, as engrenagens podem ser produzidas até mesmo por impressão 3D.

De acordo com os diâmetros das duas engrenagens (pinhão e coroa), é possível aumentar ou diminuir a rotação e o torque. Para isso, é necessário também alterar a relação de transmissão.

Perceba que, para especificar corretamente uma engrenagem, é necessário informar suas dimensões, material, tipo, dentre outras, de acordo com a aplicação. E, para isso, é fundamental conhecer muito bem suas características e funcionamento.  

TIPOS DE ENGRENAGENS

Existem diversos tipos de engrenagens, como as cilíndricas de dentes retos, as helicoidais, as cônicas, entre outros. Seus dentes, ao longo da largura das engrenagens, podem ser retos ou helicoidais. 

Engrenagens cilíndricas de dentes retos

Engrenagem cilíndrica de dentes retos.

As engrenagens cilíndricas são as mais comuns. A figura seguinte apresenta um exemplo de engrenagens cilíndricas de dentes retos de uma caixa de mudanças.

Elas são usadas em transmissão de potência de um modo geral, possuem características como dentes retos e, normalmente, são instaladas em eixos paralelos. 

Engrenagens cilíndricas com dentes helicoidais

Engrenagem cilíndrica com dentes helicoidais

Outro tipo de engrenagem são as cilíndricas com dentes helicoidais. A figura a seguir exemplifica esse tipo de engrenagem em um sistema de transmissão automotiva.

Elas são bem mais silenciosas e suportam cargas elevadas, uma vez que possuem uma superfície de contato maior entre os dentes.

Engrenagens cônicas

Engrenagem cônicas

Quanto às engrenagens cônicas, um pinhão e uma coroa empregados em transmissão de automóveis são bons exemplos. A figura seguinte evidencia um modelo.

Normalmente, são instaladas em eixos posicionadas a 90°, mas isso não exclui a possibilidade de sua utilização em outros ângulos.

Engrenagem parafuso sem fim

Engrenagem parafuso sem fim

A engrenagem chamada parafuso sem fim trabalha com uma coroa, transmitindo potência com uma grande redução de rotação e grande aumento de torque. Veja um exemplo na figura a seguir.

Estes pares de engrenagens, normalmente, funcionam com eixos montados a 90°. 

Agora que você já conhece os tipos de engrenagens, vamos entender um pouco melhor sobre a transmissão de movimentos entre eixos paralelos e eixos perpendiculares.

PERFIL DOS DENTES DE ENGRENAGENS

O perfil mais comum quanto aos dentes de engrenagens é o de evolvente de círculo. 

COMPARATIVO

Comparando as engrenagens com os sistemas de polias/correias e rodas dentadas/correntes, as engrenagens apresentam alguns pontos positivos e outros negativos: 

O objetivo das engrenagens é a transmissão de  movimento, com um determinado torque. Engrenagens cilíndricas de dentes retos e engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais possibilitam a transmissão de movimento entre eixos paralelos.

Quando é necessário que a transmissão de movimento seja entre eixos perpendiculares, podemos utilizar um par de engrenagens cônicas ou parafuso sem fim e coroa.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 29/02/2020