COMPONENTES Pedro Marques e Carlos Fernandes Investigadores do Instituto de Ciência e Inovação em Engenharia Mecânica e Engenharia Industrial (INEGI) 54 Os materiais poliméricos têm vantagens como a auto-lubrificação e a leveza 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 emmassa, 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 ummodelo 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
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