Ao contrário das engrenagens e eixos Lego mostrados abaixo, a maioria dos motores possui eixos perfeitamente redondos. Isso dificulta a fixação de engrenagens, polias e rodas dentadas.
Os principais métodos de fixação de engrenagens em eixos são adesivos, encaixe por pressão, furos cruzados, compressão, parafusos de fixação, rasgos de chaveta, estrias envolventes e buchas de trava cônica. A maioria das aplicações industriais usará rasgos de chaveta e/ou parafusos de fixação. Enquanto os adesivos e os encaixes por pressão geralmente são feitos em aplicações de baixo torque ou hobby.
Vamos investigar cada método pesando os prós e os contras. Também usarei os termos; engrenagens, polias, rodas dentadas e cames, de forma intercambiável, pois este artigo aborda como o dispositivo é montado, não o que ele faz.
Adesivos
Os adesivos são usados principalmente em aplicações de hobby com engrenagens de plástico. Não apenas porque as engrenagens de plástico não suportam muito torque, mas também porque os tamanhos dos eixos permanecem pequenos em diâmetro.
À medida que o diâmetro do eixo aumenta, a resistência relativa da junta de cola e a resistência do eixo são iguais a aproximadamente 3/16 ″ (5 mm) ao usar uma resistência de cola conservadora de 1000 psi (7 N/mm) e um eixo de aço C1018 ( 54 ksi, 370 MPa).
Conclusão: usar adesivos é uma boa opção para eixos pequenos
Conforme mencionado, a maioria dos fabricantes de adesivos anuncia uma resistência ao cisalhamento de pelo menos 1.000 psi e alguns até 3000+ psi. Um teste de cisalhamento é feito com duas barras longas e estreitas fixadas com a cola sobre uma área mensurável. As extremidades das barras são separadas até a falha. A força é dividida pela área e o resultado é a resistência ao cisalhamento.
Eu normalmente projeto em torno do baixo número de resistência ao cisalhamento anunciada aqui, pois há muitos fatores em jogo que podem diminuir a resistência real. Entre eles estão a preparação da superfície, a aplicação da superfície, a temperatura e a umidade.
Antes de aplicar o adesivo, você precisará desbastar as superfícies da polia e do eixo com uma lixa (grão ~ 200 - 300) ou uma lima fina. Isso dará à cola pequenos cortes para agarrar. Em seguida, você desejará limpar e desengordurar com um limpador e depois secar completamente. Geralmente gosto de usar limpador de freio porque o tenho por perto.
Para descobrir se sua aplicação suportará o torque aplicado. Use as seguintes fórmulas.
Onde Área é a área de superfície entre o eixo e a polia, d é o diâmetro do eixo, L é o comprimento de sobreposição do eixo e da polia, F é a força de cisalhamento interna entre o eixo e a polia, Ssé a resistência ao cisalhamento do adesivo e T é o torque aplicado (ou máximo).
Usando uma resistência média ao cisalhamento do adesivo de 1000 psi, um diâmetro de 0,19 pol. e um comprimento de sobreposição de 0,38 pol., podemos descobrir que nosso torque máximo é de 43,1 pol.-lb.
Existem três desvantagens principais no uso do método adesivo para unir uma polia a um eixo
O torque é limitado pelo diâmetro e pela resistência adesiva conforme já mencionado
Existe a possibilidade de o eixo e a polia ficarem fora do centro e/ou perpendiculares. Isso pode ser minimizado pela tolerância entre os dois, mas não tão apertado a ponto de limpar toda a cola.
Não há como ajustar ou substituir os componentes sem a possibilidade de danificar um ou ambos os componentes. Ter ajuste é importante e esse método não permite isso de jeito nenhum.
Press-Fitting
O encaixe por pressão é um método testado e comprovado de fixação de engrenagens em eixos. Ele tem sido usado na indústria ferroviária como um método para economizar dinheiro quando os conjuntos de rodas se desgastam ou ficam desalinhados.
A soldagem da roda principal tem um diâmetro usinado com precisão e, em seguida, uma fina faixa de aço endurecido é aplicada ao seu redor. A banda ou “pneu” é na verdade menor que a superfície usinada. Isso permite que a faixa barata seja substituída de tempos em tempos, em vez de todo o conjunto da roda.
O vídeo a seguir mostra como o pneu é removido da roda usando calor. A banda irá expandir em diâmetro à medida que a temperatura aumenta. A roda (diâmetro interno) permanecerá aproximadamente do mesmo tamanho porque tem muito mais massa e irradiará o calor mais rapidamente.
Neste ponto, a banda pode ser retirada e uma nova instalada pelo mesmo método.
Por não possuir trava mecânica, ele é 100% baseado no atrito e pode escorregar. Medir e determinar o ajuste à pressão é difícil e geralmente é necessário fazer suposições.
Onde Pr é a pressão entre as superfícies, δ é a quantidade de ajuste por pressão, d é o diâmetro do eixo, doé o diâmetro externo do cubo ou engrenagem, dié o diâmetro interno do eixo (se oco), μ é o coeficiente de atrito entre os materiais e E e ν são o Módulo de Young e a Razão de Poisson dos materiais.
Pressione as engrenagens em um eixo
O aquecimento do material aumentará o diâmetro; portanto, diminuindo a quantidade de ajuste à pressão, δ. Isso torna o equipamento mais fácil de colocar ou tirar, mas o resultado final é o mesmo quando esfria.
Se fizer isso em casa com engrenagens de plástico. Experimente aquecê-los no forno a cerca de 175 a 200 graus (79 a 93 graus) e depois deslizá-los na haste.
Este método é ajustável, mas não é fácil e pode ser necessário desmontar vários componentes para que o calor não os destrua.
Furos Cruzados
Fazer um furo no cubo da engrenagem e no eixo é uma ótima maneira de obter muito torque. Também evita que o eixo fique sobrecarregado porque o pino irá cisalhar (quebrar) se o torque for muito alto. Existem três tipos principais de pinos para usar nesta aplicação, listados abaixo, do mais fraco ao mais forte.
Furo cruzado com pino de rolo (mola)
Pinos de rolo (mola ou com fenda) - São barras planas que foram enroladas em um formato redondo. Eles tendem a se abrir (daí os pinos de mola), permitindo um ajuste de pressão suficiente para que o pino não escorregue. Eu recomendo estes em vez das outras duas opções.
Pinos de cisalhamento – Esses pinos são sólidos e possuem um entalhe no ponto médio onde o pino foi projetado para falhar com uma força específica. É importante obter um pino onde o entalhe fique no mesmo plano do diâmetro do eixo.
Pinos-guia – Estes são apenas pinos sólidos de alta resistência. Se o seu buraco for muito grande, você provavelmente terá que colá-los no lugar (alfinetes de cisalhamento também). Se a sua aplicação inverter a direção ou a carga, você poderá fazer com que a cola falhe prematuramente e o pino caia.
Cada um dos pinos terá uma resistência à ruptura anunciada e você pode selecionar o diâmetro e o tipo com base nas equações abaixo. Fsé a força de cisalhamento, T é o torque aplicado e d é o diâmetro do eixo.
Este método oferece muita capacidade para lidar com mais torque, mas ainda não oferece nenhum ajuste depois que o furo é perfurado. Se você errar muitas vezes, a haste ficará parecida com um queijo suíço.
O principal benefício é que quase qualquer pessoa pode fazer esse baseado. Tudo que você precisa é de uma furadeira, brocas e um martelo.Eu recomendo perfurar primeiro um diâmetro menor 1/16 – 3/32 e verificar o alinhamento com um palito.Se estiver bom, perfure no diâmetro desejado. Caso contrário, gire para outra parte do eixo e tente novamente.
Como anexar engrenagens, rodas dentadas e polias aos eixos
Escrito por Corey Rasmussen em Gears,Projeto mecânico atualizado pela última vez em 22 de agosto de 2024
Ao contrário das engrenagens e eixos Lego mostrados abaixo, a maioria dos motores possui eixos perfeitamente redondos. Isso dificulta a fixação de engrenagens, polias e rodas dentadas.
Os principais métodos de fixação de engrenagens em eixos são adesivos, encaixe por pressão, furos cruzados, compressão, parafusos de fixação, rasgos de chaveta, estrias envolventes e buchas de trava cônica. A maioria das aplicações industriais usará rasgos de chaveta e/ou parafusos de fixação. Enquanto os adesivos e os encaixes por pressão geralmente são feitos em aplicações de baixo torque ou hobby.
Vamos investigar cada método pesando os prós e os contras. Também usarei os termos; engrenagens, polias, rodas dentadas e cames, de forma intercambiável, pois este artigo aborda como o dispositivo é montado, não o que ele faz.
Adesivos
Os adesivos são usados principalmente em aplicações de hobby com engrenagens de plástico. Não apenas porque as engrenagens de plástico não suportam muito torque, mas também porque os tamanhos dos eixos permanecem pequenos em diâmetro.
Imagem cortesia de Creative Commons
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À medida que o diâmetro do eixo aumenta, a resistência relativa da junta de cola e a resistência do eixo são iguais a aproximadamente 3/16 ″ (5 mm) ao usar uma resistência de cola conservadora de 1000 psi (7 N/mm) e um eixo de aço C1018 ( 54 ksi, 370 MPa).
Conclusão: usar adesivos é uma boa opção para eixos pequenos
Conforme mencionado, a maioria dos fabricantes de adesivos anuncia uma resistência ao cisalhamento de pelo menos 1.000 psi e alguns até 3000+ psi. Um teste de cisalhamento é feito com duas barras longas e estreitas fixadas com a cola sobre uma área mensurável. As extremidades das barras são separadas até a falha. A força é dividida pela área e o resultado é a resistência ao cisalhamento.
Eu normalmente projeto em torno do baixo número de resistência ao cisalhamento anunciada aqui, pois há muitos fatores em jogo que podem diminuir a resistência real. Entre eles estão a preparação da superfície, a aplicação da superfície, a temperatura e a umidade.
Antes de aplicar o adesivo, você precisará desbastar as superfícies da polia e do eixo com uma lixa (grão ~ 200 - 300) ou uma lima fina. Isso dará à cola pequenos cortes para agarrar. Em seguida, você desejará limpar e desengordurar com um limpador e depois secar completamente. Geralmente gosto de usar limpador de freio porque o tenho por perto.
Para descobrir se sua aplicação suportará o torque aplicado. Use as seguintes fórmulas.
Onde Área é a área de superfície entre o eixo e a polia, d é o diâmetro do eixo, L é o comprimento de sobreposição do eixo e da polia, F é a força de cisalhamento interna entre o eixo e a polia, Ssé a resistência ao cisalhamento do adesivo e T é o torque aplicado (ou máximo).
Usando uma resistência média ao cisalhamento do adesivo de 1000 psi, um diâmetro de 0,19 pol. e um comprimento de sobreposição de 0,38 pol., podemos descobrir que nosso torque máximo é de 43,1 pol.-lb.
Existem três desvantagens principais no uso do método adesivo para unir uma polia a um eixo
O torque é limitado pelo diâmetro e pela resistência adesiva conforme já mencionado
Existe a possibilidade de o eixo e a polia ficarem fora do centro e/ou perpendiculares. Isso pode ser minimizado pela tolerância entre os dois, mas não tão apertado a ponto de limpar toda a cola.
Não há como ajustar ou substituir os componentes sem a possibilidade de danificar um ou ambos os componentes. Ter ajuste é importante e esse método não permite isso de jeito nenhum.
Unindo Eixos Juntos? Confira nosso guia para acopladores de eixo.
Press-Fitting
O encaixe por pressão é um método testado e comprovado de fixação de engrenagens em eixos. Ele tem sido usado na indústria ferroviária como um método para economizar dinheiro quando os conjuntos de rodas se desgastam ou ficam desalinhados.
A soldagem da roda principal tem um diâmetro usinado com precisão e, em seguida, uma fina faixa de aço endurecido é aplicada ao seu redor. A banda ou “pneu” é na verdade menor que a superfície usinada. Isso permite que a faixa barata seja substituída de tempos em tempos, em vez de todo o conjunto da roda.
O vídeo a seguir mostra como o pneu é removido da roda usando calor. A banda irá expandir em diâmetro à medida que a temperatura aumenta. A roda (diâmetro interno) permanecerá aproximadamente do mesmo tamanho porque tem muito mais massa e irradiará o calor mais rapidamente.
Neste ponto, a banda pode ser retirada e uma nova instalada pelo mesmo método.
Por não possuir trava mecânica, ele é 100% baseado no atrito e pode escorregar. Medir e determinar o ajuste à pressão é difícil e geralmente é necessário fazer suposições.
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Onde Pr é a pressão entre as superfícies, δ é a quantidade de ajuste por pressão, d é o diâmetro do eixo, doé o diâmetro externo do cubo ou engrenagem, dié o diâmetro interno do eixo (se oco), μ é o coeficiente de atrito entre os materiais e E e ν são o Módulo de Young e a Razão de Poisson dos materiais.
Pressione as engrenagens em um eixo
O aquecimento do material aumentará o diâmetro; portanto, diminuindo a quantidade de ajuste à pressão, δ. Isso torna o equipamento mais fácil de colocar ou tirar, mas o resultado final é o mesmo quando esfria.
Se fizer isso em casa com engrenagens de plástico. Experimente aquecê-los no forno a cerca de 175 a 200 graus (79 a 93 graus) e depois deslizá-los na haste.
Este método é ajustável, mas não é fácil e pode ser necessário desmontar vários componentes para que o calor não os destrua.
Furos Cruzados
Fazer um furo no cubo da engrenagem e no eixo é uma ótima maneira de obter muito torque. Também evita que o eixo fique sobrecarregado porque o pino irá cisalhar (quebrar) se o torque for muito alto. Existem três tipos principais de pinos para usar nesta aplicação, listados abaixo, do mais fraco ao mais forte.
Furo cruzado com pino de rolo (mola)
Pinos de rolo (mola ou com fenda) - São barras planas que foram enroladas em um formato redondo. Eles tendem a se abrir (daí os pinos de mola), permitindo um ajuste de pressão suficiente para que o pino não escorregue. Eu recomendo estes em vez das outras duas opções.
Pinos de cisalhamento – Esses pinos são sólidos e possuem um entalhe no ponto médio onde o pino foi projetado para falhar com uma força específica. É importante obter um pino onde o entalhe fique no mesmo plano do diâmetro do eixo.
Pinos-guia – Estes são apenas pinos sólidos de alta resistência. Se o seu buraco for muito grande, você provavelmente terá que colá-los no lugar (alfinetes de cisalhamento também). Se a sua aplicação inverter a direção ou a carga, você poderá fazer com que a cola falhe prematuramente e o pino caia.
Cada um dos pinos terá uma resistência à ruptura anunciada e você pode selecionar o diâmetro e o tipo com base nas equações abaixo. Fsé a força de cisalhamento, T é o torque aplicado e d é o diâmetro do eixo.
Este método oferece muita capacidade para lidar com mais torque, mas ainda não oferece nenhum ajuste depois que o furo é perfurado. Se você errar muitas vezes, a haste ficará parecida com um queijo suíço.
O principal benefício é que quase qualquer pessoa pode fazer esse baseado. Tudo que você precisa é de uma furadeira, brocas e um martelo.Eu recomendo perfurar primeiro um diâmetro menor 1/16 – 3/32 e verificar o alinhamento com um palito.Se estiver bom, perfure no diâmetro desejado. Caso contrário, gire para outra parte do eixo e tente novamente.
CompressãoCentros
Embora não seja um método comum de fixação de engrenagens em eixos, ele está disponível. Uma vez que a engrenagem é deslizada sobre o eixo, o parafuso de fixação é apertado e o atrito carregará o torque. O coeficiente pode ser reduzido inadvertidamente devido a eixos oleosos ou ao uso de antigripante. É melhor usar metais diferentes ao usar este método.
O custo de confecção dos relevos nos componentes torna o custo deste tipo de método proibitivo na maioria dos casos.
Apenas evite esse tipo de articulação!
Parafusos de fixação
O método de parafuso de fixação (apenas) de fixação a um eixo é muito comum em polias sincronizadoras, engrenagens e rodas dentadas.
É difícil determinar que tipo de torque você pode obter com um acoplamento como este. O resultado pode variar muito devido ao coeficiente de atrito, torque aplicado, lubrificação das roscas e tipo de parafuso de fixação. A equação básica é a seguinte:
Onde T é o torque de saída, μ é o coeficiente de atrito, F é a força normal de um parafuso de fixação e d é o diâmetro cego.
A maioria das pessoas apenas aperta o parafuso de fixação tanto quanto possível. Contanto que a polia não escorregue devido ao torque excessivo, tudo ficará bem. No entanto, quando isso acontecer, você rapidamente criará uma ranhura no eixo. Isso diminui o diâmetro do eixo; reduzindo assim o torque máximo que você pode alcançar.
O principal benefício é que este método é 100% ajustável para rotação ao eixo e ao longo de seu comprimento. Geralmente, este método está disponível apenas com tamanhos de eixo de 1/2 ″ (13 mm) ou menos.
Chavetas
Para a maioria das aplicações industriais, o padrão são eixos chavetados.De longe, qualquer equipamento disponível no mercado estará disponível em uma variedade de furos dimensionados com slots de chaveta. Você também pode comprá-los com furos inacabados e cortar seu próprio rasgo de chaveta, se desejar.
Ao selecionar um tamanho de furo, certifique-se de não selecionar um eixo muito grande para a engrenagem. Recentemente, tive um sistema que usava uma roda dentada 10-em um eixo de 1". O sistema teve alguns picos de pressão na inicialização e quebrou a roda dentada ao meio.
Ele foi capaz de fazer isso facilmente porque o material entre a parte externa do cubo e o rasgo de chaveta tinha apenas 1/8" de espessura. Conseguimos dobrar isso para ¼ adicionando um dente. Esta é uma situação em que uma estria envolvente seria ser uma escolha melhor (mais sobre isso mais tarde).
A maioria das engrenagens evita que deslizem no eixo com apenas um ou dois parafusos de fixação. Geralmente, um parafuso estará na chaveta e o outro estará a 90 graus dela e pressionado contra o eixo. Para engrenagens de dentes retos, isso é adequado, mas para engrenagens helicoidais, é necessário que haja um engate mais positivo no eixo para compensar a carga lateral. As soluções possíveis são rolamentos axiais, rolamentos de rolos cônicos ou anéis elásticos.
