Unicamp-Engrenagens_Helicoidais

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS 
 
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
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Apostila para o curso 
 
 
 
 
Engrenagens Helicoidais 
 
AUTOR: PROF. DR. AUTELIANO ANTUNES DOS SANTOS JUNIOR 
DEPARTAMENTO DE PROJETO MECÂNICO FEM UNICAMP 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resumo 
Essa apostila trata dos conceitos básicos para análise de engrenagens cilíndricas de dentes 
inclinados, ou helicoidais, conforme abordados nas disciplinas Sistemas Mecânicos e 
Elementos de Máquinas. Descreve geometria desse tipo de engrenagem, as solicitações as 
quais os dentes estão sujeitos, a resistência dos dentes e os fatores que devem ser levados 
em conta no projeto. Trata-se de um resumo, sendo necessária a consulta a textos 
especializados para aprofundamento. 
 
 
 
 2 
 
 
Engrenagens cilíndricas de dentes inclinados, ou helicoidais, são construídas com 
dentes que não são alinhados com a direção axial dos elementos de transmissão. São utilizadas 
quando é necessário construir reduções que ocupem menor espaço axial e que gerem menor 
ruído. A primeira característica vem do fato de que a largura efetiva dos dentes é maior do que 
a de engrenagens cilíndricas de dentes retos e a segunda é devida ao engrenamento gradual dos 
dentes. 
A figura 1 mostra um conjunto de redução com esse tipo de engrenamento. As 
engrenagens têm os dentes inclinados em sentido oposto uma da outra, para permitir o 
engrenamento sem que os dentes se cruzem. Se imaginarmos o conjunto em movimento, é fácil 
observar o engrenamento gradual. Considere a engrenagem da direita movendo a da esquerda: a 
parte do dente mais próxima da face frontal das engrenagens entra em contato primeiro e o 
restante do dente vai gradualmente entrando em contato com o resto do dente conjugado. 
Também é possível observar que o rolamento entre os dentes ocorre num plano inclinado em 
relação à face do conjunto. Assim, o perfil evolvente deve ser gerado em torno de um cilindro 
que também está inclinado em relação aos eixos das engrenagens. 
 
 
 
 Figura 1. Engrenagens Cilíndricas de Dentes Inclinados (Helicoidais) 
 
Engrenagens de dentes inclinados geram esforços axiais, já que o contato ocorre em um 
plano inclinado em relação ao eixo dos elementos. Para suportar esses esforços deve-se prever a 
utilização de mancais de escora ou mancais radiais, como os rolamentos de contato angular. 
Uma providência de projeto bastante comum é a montagem de uma redução com dois pares de 
engrenagens, cada conjunto gerando esforços axiais em uma direção. Com engrenagens 
semelhantes, os esforços axiais resultantes serão mínimos. A figura 2 mostra esse tipo de 
montagem. 
 
 
 
 Figura 2. Montagem de um Par de Engrenagens Helicoidais para evitar Esforço Axial 
 3 
 
Um esquema dos dentes e das variáveis envolvidas no estudo das engrenagens 
helicoidais é mostrado na figura 3. Nessa figura,ψψψψ é o ângulo de hélice, que define a inclinação 
dos dentes em relação ao eixo das engrenagens; p é o passo; pn é o passo normal ou ortogonal; 
pa é o passo axial e b é a largura da engrenagem. A variável b’, não mostrada, é utilizada para a 
largura efetiva dos dentes, que em engrenagens helicoidais depende do ângulo de hélice. 
 
 
 
Figura 3. Vista Superior de uma Engrenagem Helicoidal mostrando as designações mais importantes 
 
 
A figura 3 também mostra os planos RR e NN. O primeiro é o plano perpendicular ao 
eixo da engrenagem e o segundo é perpendicular aos dentes. A visão dos dentes em cada plano 
é diferente. A figura 4 mostra os dentes em ambos os planos. Nessa figura, φφφφn é o ângulo de 
pressão normal ou ortogonal e φφφφ é o ângulo de pressão. Pode-se notar que os ângulos são 
diferentes. O ângulo normal é o que realmente está no plano de rolamento e é normalizado. 
Embora o perfil dos dentes deva ser evolvental nesse plano, dificuldades de fabricação 
impedem que isso ocorra. Pequenas diferenças são levadas em conta no dimensionamento 
através da modificação dos fatores geométricos. 
 
 
 
Figura 4. Visualização dos Dentes de Engrenagens Helicoidais. À esquerda, corte no Plano NN 
da figura 3; à direita, corte no Plano RR 
 
 
Com as figuras 3 e 4 é possível descrever as relações entre as diversas variáveis. 
Assim, o passo normal pode ser calculado por: 
___ 
[ 1 ] 
 
_ 
 4 
 
O ângulo de pressão normal é dado por: 
 
[ 2 ] 
 
 
E o módulo normal, que é diretamente proporcional ao passo normal, é dado por: 
 
 
 
 
2. Análise de Forças em Engrenagens Helicoidais 
 
Conforme já mencionado, o contato entre os dentes ocorre no plano inclinado NN. 
Assim, a força de contato F, que é normal à superfície de ambos os dentes, também deve estar 
nesse plano. Devido à essa inclinação, três componentes de força são geradas. As componentes 
radial (Fr) e axial (Fa) não causam torque nos eixos de transmissão. A primeira causa flexão e a 
segunda apenas tensão axial. Embora sejam importantes no dimensionamento da transmissão 
com um todo (eixos, engrenagens, selos, mancais, ...) aparecem apenas indiretamente nos 
cálculos das tensões nos dentes. De fato, uma vez que os ângulos de hélice e pressão para um 
conjunto de redução são fixos e definem a relação entre as forças, o efeito de cada uma pode ser 
incluído na força tangencial (Ft), que é a que define o torque que está 
sendo transmitido. A figura 5 permite determinar as relações entre as forças. Nessa figura é 
mostrada uma vista superior da engrenagem helicoidal e os dentes nos planos RR e NN. 
 
 
 
Figura 5. Esquema para a determinação das relações entre as Forças em Engrenagens Helicoidais 
 
 
 5 
A força tangencial pode ser obtida a partir dos dados de entrada do problema. 
Normalmente esses dados são a potência (ou torque) e a rotação da fonte de acionamento 
(motor). Para calcular a força é necessário que se conheça o raio da engrenagem, que não está 
disponível no início de um projeto. Uma estimativa inicial do raio pode ser obtida levando-se 
em conta as recomendações de projeto descritas na apostila para engrenagens cilíndricas de 
dentes retos, que relacionam a distância entre centros e a redução desejada com as dimensões. 
Supondo o raio conhecido, pode-se obter a velocidade e, com a potência, calcular a força 
tangencial conforme a equação: 
 
 
A figura 5 mostra que a relação entre Ft e Fr é dada por: 
 
 
 
 
A força axial Fa, gerada pela inclinação dos dentes e pelo contato no plano 
inclinado, depende do ângulo de hélice conforme a equação 5. A relação mostrada nessa 
equação pode ser vista no esquema de forças no centro da figura. Nesse esquema também 
pode ser vista a força que causa flexão no pé do dente, cujo símbolo é Fb e cuja relação com 
a força tangencial é mostrada na equação 7. 
_ 
 
 
 
 
 
 
A força no contato entre os dentes é composta das componentes axial, tangencial e 
radial e pode ser obtida por: 
 
 
3. Tensões e Resistência em Engrenagens Helicoidais 
 
Da mesma forma que para engrenagens cilíndricas de dentes retos, as tensões relevantes 
para o dimensionamento dos dentes são geradas pela força a ser transmitida. A figura 6 mostra 
um modelo foto-elástico de um dente em pexiglass em contato com outro de um material 
metálico. Por essa técnica é possível visualizar as linhas de deformação (ou tensão) geradas 
pelos esforços. A diminuição do espaçamento dessas linhas significa uma maior concentração 
de tensões. Observando a figura é possível identificar a raiz do dente e o ponto de contato entre 
os dentes como os pontos de maior tensão, conforme já vistono estudo de engrenagens de 
dentes retos. 
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 Figura 6 - Modelo Foto-elástico da Distribuição de Tensões em Dentes de Engrenagens 
 
3.1. Tensões e Resistência na Raiz do Dente 
 
A equação 9 mostra o cálculo das tensões no pé do dente em engrenagens 
helicoidais, conforme recomendado pela Associação Americana dos Fabricantes de 
Engrenagens (AGMA), órgão regulador nessa matéria na América do Norte. Consiste 
basicamente na mesma equação apresentada para dentes retos e, portanto, valem as 
mesmas considerações, a menos de duas pequenas modificações. Engrenagens 
Helicoidais, devido ao formato dos dentes, não são tão sensíveis ao desalinhamento, 
principalmente se houver uma sobreposição de dentes em contato, isto é, mais de um 
dente estiver em contato em cada momento, o que é o esperado. Assim, o fator que leva 
em consideração a montagem, Km, não precisa ter os valores recomendados pela tabela 
2 do texto sobre engrenagens cilíndricas de dentes retos. A AGMA recomenda um valor 
7 % menor, ou seja, recomenda a inclusão de um multiplicador de valor 0,93 na 
equação. 
 
 
 
 
 
Uma segunda diferença leva em consideração o fato de que o perfil dos dentes 
no plano ortogonal não é exatamente evolvental. O fator J para engrenagens helicoidais 
inclui essa diferença. Esse fator é obtido do gráfico da figura 7 para uma engrenagem 
cuja conjugada tenha 75 dentes. Para engrenagens cuja conjugada tenha qualquer outro 
número de dentes, a figura 8 mostra o fator de correção que deve ser utilizado. Os dados 
de entrada na figura 7 são o número de dentes na engrenagem onde se quer conhecer a 
tensão e o ângulo de hélice.Para a figura 8 é necessário utilizar também o número de 
dentes da engrenagem conjugada. 
 
 7 
 
Figura 7 - Fator Geométrico J para Engrenagens Helicoidas com Conjugada de 75 dentes 
 
 
 
 
A resistência à flexão no pé do dente é calculada exatamente da mesma maneira 
que para engrenagens de dentes retos. A equação 5 da apostila que trata desse tipo de 
engrenagem é repetida aqui, na equação 10. Todos os fatores e variáveis estão descritos 
na apostila citada. 
 
 
 
 
3.2. Tensões e Resistência no Contato entre os Dentes 
 
 8 
As tensões no contato entre os dentes de engrenagens helicoidais também são 
calculadas basicamente da mesma forma que para dentes retos. Novamente, a 
recomendação da AGMA para o fator montagem deve ser incluída. Uma segunda 
recomendação leva em consideração o número médio de dentes em contato, 
representado pelo valor CR na equação. O valor de CR é chamado também de razão 
de contato e pode ser calculado pela equação 11. 
 
 
 
 
 
O termo rij na equação anterior representa um raio: quando i é substituído por a, 
representa o raio da cabeça do dente; quando i é substituído por b, representa o raio de 
base; quando j é substituído por p, representa o pinhão; quando j é substituído por c, 
representa a coroa. Assim, rap é o raio da cabeça do dente do pinhão, e assim por diante. 
O termo C é a distância entre centros, ou a soma dos raios primitivos dos dois 
elementos. O passo da base pb é dado pela equação 12. 
 
 
 
 
No cálculo da tensão no contato também deve ser incluída a largura real b’, já 
que o contato ocorre no plano normal, ao longo de toda a largura. Essa largura pode ser 
calculada dividindo a largura do denteado b pelo cosseno do ângulo de hélice. Assim, a 
equação para o cálculo da tensão fica: 
 
 
 
 
Da mesma forma que para as tensões na raiz do dente, não há modificação 
para a forma de calcular a resistência à fadiga no contato. A equação 8 da apostila 
de engrenagens cilíndricas de dentes retos é repetida abaixo para facilitar o uso 
desta apostila. Os fatores multiplicadores foram definidos na apostila citada. 
 
 
 
4. Considerações Finais 
 
Engrenagens helicoidais são as mais utilizadas na construção de caixas de câmbio 
automotivas e redutores industriais atualmente. O custo total um pouco mais elevado é 
suplantado pela sua simplicidade de fabricação e pelas vantagens sobre as de dentes retos. 
Algumas características de suas variáveis principais devem ser ressaltadas: 
 
• O ângulo de pressão normalizado é o ângulo normal φφφφn e não o ângulo. O valor do 
primeiro é, normalmente, 20°. 
 9 
• O módulo normal mn também deve seguir os valores recomendados para o módulo m, 
conforme a apostila de engrenagens de dentes retos, embora seja possível encontrar 
uma grande quantidade de conjuntos de redução não normalizados. 
• Da mesma forma que para engrenagens de dentes retos, é sempre recomendável 
procurar valores reais para as resistências ao invés de usar as estimativas propostas nas 
equações 10 e 13 
• O ângulo de hélice, embora possa ter valor de até 30°, assume muito comumente o valor 
de 15°. 
 
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	Sistemas Mecânicos
	Engrenagens Helicoidais
	Resumo