Informação profissional para a indústria de plásticos portuguesa
A introdução de insertos metálicos em engrenagens poliméricas permite extrair o calor das zonas críticas

Capacidade de carga em engrenagens poliméricas: da simulação à solução

O uso de engrenagens poliméricas tem grande interesse uma vez que têm algumas vantagens competitivas em várias aplicações relativamente a engrenagens metálicas. Estas permitem a implementação mais fácil de processos de fabrico em massa, e podem funcionar sem qualquer lubrificante, tornando-as interessantes para equipamentos em que não pode haver qualquer risco de contaminação por lubrificantes. Além disso, devido à sua menor densidade, são tipicamente mais leves que o seu equivalente em aço.

Têm, porém, algumas limitações relativamente à capacidade de carga, especialmente relacionadas com as propriedades mecânicas e térmicas do material polimérico. Uma das grandes limitações deste tipo de materiais (ex.: poliacetal, poliamida, poliéter-éter-cetona) é a sua muito baixa condutividade térmica. Esta propriedade pode ser modificada usando aditivos como fibras condutoras, nanotubos de carbono ou grafeno. O uso deste tipo de aditivos tem de ter pensado e estudado criteriosamente para que as propriedades tribológicas de atrito e desgaste do material não sejam afetadas negativamente de modo a que não se elimine uma das grandes vantagens dos materiais poliméricos, a auto-lubrificação.

Durante o seu funcionamento e em regime permanente de equilíbrio térmico, devido ao atrito entre os pares de dentes em contacto e por via das taxas de escorregamento (que são variáveis ao longo do engrenamento) dissipa-se energia sob a forma de calor. Numa aplicação típica de engrenagens em aço, a extração de calor das zonas de contacto é feita pelo lubrificante e pelas engrenagems e veios que, além de elementos estruturais, funcionam também como dissipadores de calor (radiação, convecção e condução). Considerando-se o cenário da engrenagem polimérica não lubrificada, rapidamente se concluí que a extração de calor é mais difícil, quer por não haver lubrificante para extrair o calor, quer pela sua muito baixa condutividade térmica, que isola os dentes aquecidos pelo calor gerado por atrito, dos veios de acionamento, diminuindo drasticamente a extração de calor por condução entre estes elementos mecânicos.

Em trabalhos anteriores, os investigadores do INEGI [1], [2] desenvolveram um modelo térmico com o objetivo de estabelecer o campo de temperaturas em engrenagens poliméricas de eixos paralelos de dentado reto e helicoidal. O modelo térmico desenvolvido considera os efeitos de convecção associados à interação de uma possível mistura ar-óleo (de 0 a 100%) com as faces laterais da engrenagem e com as superfícies dos dentes. Existe também a possibilidade de incluir os efeitos de radiação e condução para os veios, embora em engrenagens poliméricas estes efeitos tenham pouca importância devido às propriedades do material. A introdução do calor gerado por contacto é feito de modo transiente e através da área de contacto usando modelos de dissipação de energia em engrenagens previamente desenvolvidos e validados [3]. O modelo térmico desenvolvido mostrou correlacionar-se muito bem com resultados experimentais obtidos por outros investigadores em engrenagens de aço [1]. Após a validação foram conduzidas simulações para obter o campo de temperaturas em engrenagens de poliacetal. Além da temperatura máxima na superfície de contacto (temperatura flash) o modelo permitiu também perceber a disposição média do campo de temperaturas no interior dos dentes da engrenagem (temperatura de massa) [1]. O fenómeno da temperatura flash é um fenómeno periódico, superficial e de curta duração que ocorre quando os dentes estão em contacto e em torno da área de contacto. A disposição média do campo de temperaturas, uma vez atingido o equilíbrio, mantém-se quer os dentes estejam em contacto quer não. Na Figura 1 mostra-se uma comparação do campo de temperaturas no interior dos dentes da engrenagem em regime permanente para uma engrenagem em aço e para uma engrenagem polimérica.

foto
Figura 1- Campo de temperaturas. a) Engrenagem em aço; b) Engrenagem em poliacetal.

Comparando os dois resultados apresentados na Figura 1, verifica-se que na engrenagem polimérica existe um grande aumento de temperatura junto do círculo primitivo. Resultados experimentais mostram que este é precisamente o ponto de rotura dos dentes em engrenagens poliméricas [4], [5], tal como demostrado na Figura 2. O campo de temperaturas na engrenagem de aço é caracterizado pela uniformidade, devido às propriedades de condução de calor deste mesmo material. Numa situação análoga, em engrenagens de aço, a rotura por sobrecarga é tipicamente no pé do dente, associada às tensões máximas de flexão. É sabido que em aplicações correntes, ao contrário dos aços, as propriedades mecânicas dos materiais poliméricos são altamente dependentes da temperatura. Deste modo as propriedades mecânicas dos dentes de engrenagens em polímero variam localmente em função da temperatura, ou seja, a função da energia dissipada e do calor que se consegue extrair das mesmas. Sendo assim, e pelo campo de temperaturas no interior dos dentes da engrenagem mostra-se que existe uma alteração das propriedades mecânicas do material na zona de temperatura mais elevada (círculo primitivo), atingindo-se a tensão limite do material nesta zona.

De modo a mitigar este efeito pernicioso pode-se atuar de dois modos:

  1. Diminuir a energia dissipada pela engrenagem;
  2. Aumentar a capacidade de extração de calor dos dentes da engrenagem.

A energia dissipada pela engrenagem pode ser diminuída recorrendo ao conceito de engrenagem low-loss, desenvolvido pelo INEGI e aplicado com grande sucesso a protótipos funcionais em trabalhos anteriores. De salientar que se conseguiram diminuições da ordem dos 65% na energia dissipada apenas por efeito geométrico [3].

foto

Figura 2 - Modo de falha típicos de engrenagens poliméricas (poliacetal) [4].

A capacidade de extração de calor dos dentes da engrenagem pode ser aumentada recorrendo ao uso de insertos no polímero de um material mais nobre no que à condução de calor diz respeito, como por exemplo o aço, o alumínio ou o cobre, resultando em engrenagens híbridas polímero-metal. Em trabalhos anteriores, o investigador do INEGI Carlos Fernandes [2] havia demonstrado que se conseguem excelentes melhorias na temperatura de massa em engrenagens poliméricas usando insertos metálicos de diferentes materiais e geometrias. Na Figura 3 podemos observar as várias geometrias de inserto metálico propostas [2], [6]. Quanto aos materiais, analisaram-se soluções em aço, alumínio e cobre e verificou-se que todas as soluções eram termicamente melhores que a solução inicial em polímero. Para um inserto do tipo lâmina [figura 3, a)], foi possível demonstrar que, com um inserto em aço, a temperatura máxima diminuiu cerca de 6%, e para o cobre e o alumínio diminuiu cerca de 8% [2], [6]. Tendo em conta a densidade mais baixa do alumínio, conclui-se que esta era a melhor solução de compromisso entre aumento de massa e capacidade de extração de calor [2].

Selecionado o material, analisou-se a capacidade de cada um dos tipos de geometria de inserto na extração de calor da engrenagem [figura 4], e verificou-se que o inserto em evolvente de círculo [figuras 3 d) e 4 d)], apesentou o melhor desempenho, tendo sido alcançadas diminuições de cerca de 28% na temperatura de massa máxima do dente, comparativamente com engrenagem sem inserto [2]. Esta solução apresentou ganhos da ordem dos 20% relativamente ao inserto em lâmina [figuras 3 a) e 4 a)].

foto

Figura 3 - Diferentes tipos de insertos metálicos estudados. a) Lâmina; b) Inserto em T; c) Inserto em duplo T; d) Inserto em evolvente de círculo [6].

foto

Figura 4 - Resultados para os diferentes tipos de insertos. a) Lâmina; b) Inserto em T; c) Inserto em duplo T; d) Inserto em evolvente de círculo [6].

As simulações estabelecidas [1] pelos investigadores do INEGI permitiram perceber qual o mecanismo que causa a falha em engrenagens poliméricas. Uma vez desvendado o problema, torna-se uma questão de procurar soluções para o ultrapassar. Aqui apresentou-se uma possível solução centrada na introdução de insertos metálicos em engrenagens poliméricas com o objetivo de extrair o calor das zonas críticas. O INEGI tem, nos últimos três anos, vindo a desenvolver modelos e ferramentas de cálculo para a conceção de engrenagens poliméricas com capacidade de carga superior. Neste trabalho apresentou-se um modelo puramente térmico. Desde então tem sido desenvolvido um modelo termomecânico onde se procura simular, em simultâneo, o problema térmico e estrutural de modo a obter uma perspetiva integrada e completa dos fenómenos envolvidos.

A norma existente para o dimensionamento de engrenagens poliméricas, a VDI 2736, tem limitações que não permitem considerar efetivamente os fenómenos físicos envolvidos na problemática das engrenagens poliméricas carregadas e em funcionamento. As ferramentas numéricas desenvolvidas pelos investigadores do INEGI permitem não só estudar o efeito da introdução de insertos dos mais variados materiais em engrenagens poliméricas, mas também dimensionar e analisar termicamente o comportamento de engrenagens poliméricas sem qualquer tipo de inserto.

Referências Bibliográficas

[1] C. M. C. G. Fernandes, D. M. P. Rocha, R. C. Martins, L. Magalhães, and J. H. O. Seabra, “Finite element method model to predict bulk and flash temperatures on polymer gears, ” Tribol. Int., vol. 120, no. October 2017, pp. 255–268, 2018.

[2] C. M. C. G. Fernandes, D. M. P. Rocha, R. C. Martins, and J. H. O. Seabra, “Hybrid Polymer Gear Concepts to Improve Thermal Behavior, ” vol. 141, no. March, pp. 1–12, 2019.

[3] C. M. C. G. Fernandes, P. M. T. Marques, R. C. Martins, and J. H. O. Seabra, “Gearbox power loss. Part III: Application to a parallel axis and a planetary gearbox, ” Tribol. Int., vol. 88, pp. 317–326, Aug. 2015.

[4] A. F. Lourenço, “Testing of Low-Loss Polymer Gears, ” FEUP, 2015.

[5] Z. Lu, H. Liu, R. Zhang, C. Zhu, Y. Shen, and D. Xin, “The simulation and experiment research on contact fatigue performance of acetal gears, ” Mech. Mater., vol. 154, no. November 2020, p. 103719, 2021.

[6] D. M. P. Rocha, “BULK TEMPERATURE IN POLYMER-METAL HYBRID GEARS, ” FEUP, 2017.

Subscrever gratuitamente a Newsletter semanal - Ver exemplo

Password

Marcar todos

Autorizo o envio de newsletters e informações de interempresas.net

Autorizo o envio de comunicações de terceiros via interempresas.net

Li e aceito as condições do Aviso legal e da Política de Proteção de Dados

interplast.pt

InterPLAST - Informação profissional para a indústria de plásticos portuguesa

Estatuto Editorial