Aaron Black
O Que É uma Engrenagem de Rosca Sem-Fim?
Uma engrenagem de rosca sem-fim (geralmente chamada no Brasil de par coroa e rosca sem-fim) consiste em um eixo com uma rosca espiral que engrena e aciona uma roda dentada, conhecida como coroa. Este é um modelo antigo de engrenagem e representa uma variação de uma das seis máquinas simples da física. Basicamente, a rosca sem-fim funciona como um parafuso posicionado contra o que parece ser uma engrenagem de dentes retos convencional, mas que possui dentes levemente angulados e curvados.
Esse mecanismo altera o movimento rotacional em 90 graus. Além disso, o plano de movimento também muda devido à posição do eixo sem-fim em relação à coroa. Tradicionalmente, esse conjunto é composto por uma rosca sem-fim de aço e uma coroa de bronze (ou latão).
Figura 1: Conjunto coroa e rosca sem-fim. Na maioria dos redutores (mas não em todos), o eixo sem-fim fica posicionado na parte inferior.
Como Funcionam as Engrenagens de Rosca Sem-Fim
Um motor elétrico ou um acionamento térmico aplica a potência rotacional diretamente ao eixo sem-fim. Conforme o sem-fim gira contra a coroa, os flancos da rosca empurram os dentes da coroa. Essa força transmitida à coroa é o que atua contra a carga do processo.
Aplicações e Vantagens
Existem algumas razões claras para um projetista escolher um sistema de rosca sem-fim em vez de um par de engrenagens convencional:
- Alta taxa de redução: Um redutor de rosca sem-fim consegue entregar uma taxa de redução massiva com pouco esforço físico — basta aumentar a circunferência da coroa. Por isso, ele é ideal para aumentar significativamente o torque ou reduzir drasticamente a velocidade. Para atingir o mesmo nível de redução que uma única etapa de rosca sem-fim entrega, um conjunto de engrenagens convencionais precisaria de múltiplos estágios de redução, o que significa que o usuário da rosca sem-fim opera com menos peças móveis e menos pontos potenciais de falha.
- Irreversibilidade do movimento (Autotravamento): A segunda razão para utilizá-lo é a impossibilidade de reverter o sentido da transmissão de potência. Devido ao alto atrito entre a rosca sem-fim e a coroa, é praticamente impossível que uma força aplicada diretamente na coroa consiga girar o eixo sem-fim.
- Em um par de engrenagens padrão, a entrada e a saída podem ser giradas de forma independente se uma força suficiente for aplicada. Isso exige a instalação de um sistema de contra-recuo (backstop) na caixa de engrenagens convencional, aumentando a complexidade do conjunto.
Por Que Não Utilizar? (As Desvantagens)
Há um motivo crucial e muito evidente para evitar a escolha de uma engrenagem de rosca sem-fim em comparação com engrenagens helicoidais ou retas: a lubrificação. O movimento entre os flancos dos dentes da rosca sem-fim e da coroa ocorre puramente por escorregamento (deslizamento). Não existe nenhuma componente de rolamento no contato ou na interação dos dentes, o que torna esses mecanismos relativamente difíceis de lubrificar.
Os lubrificantes exigidos costumam ter uma viscosidade muito alta (ISO VG 320 ou superior) e, por isso, são difíceis de filtrar. Além disso, esses óleos tendem a ser muito especializados para a aplicação, exigindo que a planta mantenha um produto específico no estoque de lubrificantes apenas para atender a esse tipo de equipamento.
A Lubrificação em Detalhes
O principal desafio técnico de uma engrenagem de rosca sem-fim está na sua forma de transferir potência, o que representa uma dádiva e uma maldição ao mesmo tempo. O movimento espiral permite grandes reduções em um espaço compacto se comparado ao que seria necessário caso fossem usadas engrenagens helicoidais padrão. No entanto, esse mesmo movimento espiral faz com que a principal forma de transferência de potência ocorra sob uma condição extremamente problemática: o atrito por escorregamento (ou desgaste por deslizamento).
Em um conjunto de engrenagens típico, a potência é transferida no ponto de carga máxima do dente (conhecido como linha primitiva ou ápice), operando predominantemente em um regime de desgaste por rolamento. O deslizamento até ocorre em ambos os lados do ápice, mas a velocidade desse escorregamento é relativamente baixa.
Nas engrenagens de rosca sem-fim, o deslizamento é a única forma de transferir potência. À medida que o sem-fim desliza pelo dente da coroa, ele raspa lentamente o filme de óleo até que não reste nenhuma película lubrificante; como resultado, o sem-fim esfrega diretamente no metal da coroa em um regime de lubrificação limítrofe (boundary lubrication). Quando a superfície da rosca sem-fim se desengata do dente da coroa, ela recolhe mais lubrificante do cárter e reinicia exatamente o mesmo processo na rotação seguinte.
O atrito por rolamento em um dente de engrenagem convencional exige muito pouco do filme lubrificante para preencher as rugosidades e separar os componentes. Como o deslizamento ocorre nas laterais do dente da engrenagem padrão em baixa velocidade, basta uma viscosidade ligeiramente maior do que a estritamente necessária para o rolamento para suportar a carga.
Já o eixo sem-fim gira esmagando-se diretamente contra a carga imposta na coroa. A única maneira de evitar o contato metal-metal entre o sem-fim e a coroa é garantir que a espessura do filme de óleo seja grande o suficiente para não ser totalmente expulsa ou raspada antes que aquela seção do dente sai da zona de carga.
Essa severidade exige um tipo especial de lubrificante: ele não só precisa ter uma viscosidade relativamente alta (e quanto maior for a carga ou a temperatura, maior deverá ser a viscosidade), mas também deve possuir propriedades que ajudem a mitigar a condição severa de deslizamento contínuo.
Viscosidade e Filtragem
A viscosidade é o fator de maior peso para evitar o contato metal-metal no par coroa e sem-fim. Embora a carga e o tamanho do redutor definam o lubrificante exato, óleos de classificação ISO VG 460 ou ISO VG 680 são bastante comuns, e o uso de ISO VG 1000 não é raro.
Se você trabalha no PCM ou na lubrificação e já tentou filtrar óleos nessa faixa de viscosidade, sabe bem o problema: é muito provável que nenhuma das bombas ou filtros portáteis disponíveis na sua planta tenham o tamanho ou a capacidade adequada para operar corretamente com essa espessura de óleo. Por isso, você precisará adquirir uma unidade de filtragem e uma bomba específicas para esse tipo de redutor. Um lubrificante tão viscoso exige uma bomba de baixa rotação (operação lenta) para evitar que o óleo ative a válvula de desvio (bypass) do filtro, além de demandar elementos filtrantes com grande área de superfície para permitir a passagem do fluido.
Tipos de Lubrificantes a Serem Utilizados
- Óleos minerais compostos (Compounded Oils): São óleos lubrificantes de base mineral que contêm aditivos graxos naturais ou sintéticos (compostos gordurosos). Não existem aditivos capazes de anular o desgaste por deslizamento por tempo indefinido, mas a combinação de aditivos graxos confere uma excelente lubricidade ao óleo composto, oferecendo uma camada extra de proteção contra o contato direto entre os metais.
- Óleos minerais industriais de Extrema Pressão (EP): Esse tipo de óleo apresenta problemas se o redutor possuir componentes de ligas de cobre (metais amarelos, como a coroa de bronze). No entanto, se o redutor operar em temperaturas relativamente baixas ou se não houver metais amarelos nas superfícies de contato dos dentes, os óleos EP funcionam muito bem.
- Sintéticos à base de Polialfaolefinas (PAO): Funcionam perfeitamente em aplicações de rosca sem-fim porque possuem uma excelente lubricidade natural. Ao usar um óleo PAO, é fundamental monitorar o pacote de aditivos, pois eles podem conter aditivos EP. Um óleo de engrenagem convencional fortificado com aditivos Antidesgaste (AW) geralmente é aceitável, mas certifique-se de que suas propriedades sejam compatíveis com metais amarelos.
- Recomendação do autor quanto à análise de óleo: Monitore de perto os metais de desgaste nos relatórios de análise de óleo para garantir que o pacote AW não seja quimicamente ativo a ponto de causar a lixiviação (leaching) do bronze da coroa. O impacto da lixiviação por AW é muito menor do que o causado por aditivos EP (mesmo na pior das hipóteses), mas pode aparecer nos testes laboratoriais de elementos químicos. Se você precisa de um lubrificante para operar em temperaturas criticamente altas ou baixas, existem excelentes produtos baseados em PAO disponíveis no mercado.
- Polialquilenoglicóis (PAG): Este quarto tipo de lubrificante sintético está se tornando cada vez mais comum. Os óleos PAG possuem propriedades de lubricidade em níveis excepcionais e não contêm as ceras parafínicas que causam problemas em baixas temperaturas nos óleos minerais, tornando-os escolhas perfeitas para ambientes frios. Contudo, cuidado extremo é necessário: os óleos PAG são completamente incompatíveis com óleos minerais, além de atacarem certos tipos de vedações (retentores) e tintas internas de carcaças.
A Metalurgia do Par Coroa e Sem-Fim
A combinação de materiais mais comum no mercado é a coroa de bronze (metal amarelo) engrenada com um eixo sem-fim de aço. A lógica de engenharia é simples: a coroa de bronze é projetada para ser um componente sacrificial, pois é muito mais fácil e barato substituir a coroa do que o próprio eixo sem-fim.
Como a coroa é feita de um material mais macio, caso ocorra a quebra do filme lubrificante e o contato direto, o sem-fim de aço fica protegido e a maior parte do desgaste físico se concentra na coroa. Por conta desse sacrifício planejado, os laudos de análise de óleo dessas unidades quase sempre apontam níveis constantes de cobre e baixas concentrações de ferro.
Porém, a presença do bronze adiciona uma variável complexa na equação de lubrificação. Se um óleo de engrenagens EP com aditivos à base de enxofre e fósforo for colocado no cárter de um redutor com coroa de bronze e a temperatura operacional subir além do limite, o aditivo EP será ativado quimicamente. Em engrenagens comuns de aço, essa ativação cria uma fina camada de oxidação controlada que protege o dente contra cargas de choque.
Nas superfícies de bronze, no entanto, a ativação do enxofre do aditivo EP provoca uma corrosão química severa. Em pouco tempo de operação, o redutor pode perder uma porção significativa da área de contato dos dentes da coroa, gerando uma falha catastrófica.
Outras Combinações de Materiais
Embora menos comuns, existem outras metalurgias aplicadas em conjuntos de rosca sem-fim:
- Sem-fim de aço e coroa de aço: Essa aplicação elimina as complicações de corrosão química dos aditivos EP com metais amarelos, mas remove qualquer margem de erro do redutor. As reformas de caixas com essa combinação de materiais costumam ser muito mais caras e demoradas, pois o severo atrito de transmissão de material em caso de falha inutiliza tanto o sem-fim quanto a coroa na hora da reconstrução.
- Sem-fim de bronze e coroa de bronze: Encontrado majoritariamente em situações de cargas leves a moderadas, já que o bronze não suporta pressões extremas de trabalho. A seleção do lubrificante é mais flexível devido à carga menor, mas o profissional de manutenção ainda deve respeitar as restrições de aditivos EP devido ao metal amarelo.
- Plástico com metal, plástico com plástico e similares: Bastante comum em aplicações de cargas leves, como em componentes automotivos e robótica. A escolha do lubrificante depende estritamente do tipo de polímero/plástico utilizado, uma vez que muitas variedades de plásticos reagem de forma destrutiva aos hidrocarbonetos dos óleos minerais comuns, exigindo lubrificantes à base de silicone ou fluidos sintéticos não reativos.
Conclusão
Embora o redutor de rosca sem-fim sempre traga algumas complexidades adicionais de manutenção e PCM quando comparado a trens de engrenagens convencionais, ele é um equipamento altamente eficaz, robusto e confiável. Dedicando a devida atenção ao alinhamento do conjunto e realizando a seleção criteriosa do lubrificante correto, as engrenagens de rosca sem-fim entregarão uma vida útil operacional tão longa e estável quanto qualquer outro tipo de engrenamento.
