BRPI0706522A2 - engrenagem de atrito projetada com programa de computador frej - Google Patents

Abstract

ENGRENAGEM DE ATRITO PROJETADA COM PROGRAMA DE COMPUTADOR. Atuadores para ajustes de mesas de bancada e de escritórios, leitos de hospitais, janelas, e válvulas de processos são alguns exemplos de aplicações em que a presente tecnologia de engrenagem proporciona problemas de ruído e necessita de espaço. As engrenagens de atrito proporcionam processamento silencioso, mas, são sensíveis a erros de alinhamento do eixo de saida. Esses erros proporcionam riudanças na geometria da engrenagem, o que provoca micro-deslizamento e uma má eficiência, além de reduzir o tempo de vida da engrenagem. A invenção da engrenagem de atrito é insensível a erros de alinhamento do eixo de saída. A geometria teórica ótima da engrenagem é mantida, mesmo quando o parafuso é oscilante durante o funcionamento. A figura 3a mostra um princípio de engrenagem bem conhecido. A figura 3b mostra como o micro-deslizamento irá ocorrer quando o eixo de saída, ao qual o parafuso é fixado, é inclinado, por exemplo, de 2 graus. A figura 3c mostra como a engrenagem, de acordo com a invenção, onde a cava de rolamento é esférica e os outros componentes móveis da engrenagem acompanham o eixo ie saida (no caso, 2 graus a partir do eixo de simetria da engrenagem) em torno do ponto (Cl), o qual é o centro da cava de rolamento estacionária esférica. A flexibilidade das cavas de rolamento Dr oporciona uma distribuição de carga uniforme em todas as esferas. A exigência de tolerância nas cavas de rolamento irá, então, diminuir e o tempo de vida da engrenagem irá aumentar.

Description

"ENGRENAGEM DE ATRITO PROJETADA COM PROGRAMA DE COMPUTADORFREJ"

Área Tecnológica da Invenção

A presente invenção se refere a uma engrenagem deatrito do tipo deslizante, de funcionamento silencioso e dealta eficiência.

Antecedentes da Invenção e Tecnologia Atualmente Usada

A razão da presente invenção é a demanda de usode um mecanismo que irá, de modo silencioso e com baixocusto, criar uma força linear capaz de movimentar uma massapara frente e para trás, através de cursos curtos e longos.A carga externa pode ser o atrito, a gravitação ou umamola. Esse mecanismo, chamado ainda de atuador, deveapresentar o menor volume possível.

Exemplos de aplicações de atuadores incluem asmesas de escritório móveis verticais e conjunto de mesas debancada, leitos de hospitais, controle remoto de janelas ecadeiras de carros, controle isento de folga de válvulas eoutros mais. A exigência de baixo ruído e de baixos custosde fabricação é, normalmente, muito importante.

Nesses tipos de aplicações, o motor com caixa deengrenagens de redução é adaptado com um parafuso e umaporca. A porca é adaptada ao objeto que deverá sermovimentado. Normalmente, é bastante difícil criar ummovimento linear reto. A porca é forçada também para semovimentar em um plano perpendicular à direção principal domovimento. Também, é possível a ocorrência de erros dealinhamento.

Os atuadores convencionais consistem de um motorcom uma caixa de engrenagens de redução, que é adaptada aum parafuso rosqueado helicoidal, o qual é adaptado a ummancai de pressão estacionário. Durante a rotação doparafuso, uma porca (normalmente, feita de plástico) éalimentada para frente e para trás.

0 motor é, normalmente, um motor de correntecontinua (DC) com escovas de comutação, chamado ainda demotor escovado, mas, uma tendência bastante clara é que ospreços dos motores escovados com comutação eletrônica estãodiminuindo e se tornando mais comuns. Tipos alternativos demotores incluem os motores escalonados, os motoressincronos e assincronos.

A proporção normal de redução na caixa deengrenagem é na faixa de 8:1 a 20:1. A proporção,normalmente, é dependente de que o parafuso helicoidal sejado tipo auto-travamento, isto é, a carga axial externa nãodeve ser capaz de girar o atuador para trás, se a energiado motor for interrompida. O limite para o auto-travamentoé de um ângulo de cerca de 8 graus de afastamento. Aeficiência do parafuso aumenta com o aumento doafastamento. Por essa razão é que se obtém o ângulo deafastamento ótimo bastante próximo de 8 graus. O limiteinferior de afastamento depende de razões práticas defabricação. Com um afastamento axial menor que 3 mm, aconfiguração de rosca hexagonal deverá ser abandonada,sendo substituída por um perfil de rosca normal que aindaapresenta uma menor eficiência.

A caixa de engrenagens é, normalmente, do tipo deengrenagem sem fim, pelo fato de proporcionar umfuncionamento silencioso. 0 inconveniente é a baixaeficiência, no máximo de 60% dentro da proporção de 8:1 a20:1. Um grave inconveniente é também que omotor/engrenagem seja angulado entre si, o que cria ummodelo volumoso. Para se ter um modelo "reto", o motor,engrenagem e parafuso se encontram em linha.

Uma engrenagem planetária proporciona um modeloreto, porém, o problema é o ruido. Além disso, na prática,não é possível se obter mais que aproximadamente 8:1 em umbatente de engrenagem. Assim, devem ser usados doisbatentes, mas, isso torna a mesma mais complicada (maiscara). A alternativa é se usar um motor maior com um maiortorque, o que elimina um modelo malfeito.

No processo industrial bem conhecido "Oden Gear",é proporcionado um modelo compacto e simples e umfuncionamento relativamente silencioso. Esta é umaexcelente escolha quando a proporção de redução está nafaixa de 20:1 e maior que isso. Nessas aplicaçõesmencionadas acima, a faixa usada é de 8:1 a 20:1.

Existem engrenagens planetárias que não utilizamco-engrenagens e, sim, engrenagens de atrito. Estas sãobastante silenciosas, mas, existe o inconveniente de poderocorrer deslizamento. Para evitar isso, é utilizada umamola previamente tensionada, a qual é dimensionada paraatender a mais alta carga ocorrente.Existem modelos que apresentam, além de um pré-tensionamento básico leve, um acoplamento de torque queproporciona um pré-tensionamento proporcional ao torque dacarga. Este acoplamento consiste, normalmente, de algumasesferas de aço temperado, colocadas em fendas no formato de"V", dispostas na direção radial do eixo de saida. Quandoaumenta a carga do torque, as esferas se movimentam aolongo dos flancos das fendas e proporcionam um maior pré-tensionamento axial.

A engrenagem gira um parafuso, o qual é adaptadoa um mancai de pressão disposto na caixa de engrenagens.

Alguns Princípios Bem Conhecidos de Engrenagens de Atrito

A razão pela qual as engrenagens de atrito têmsido utilizadas tão pouco é o problema concernente a comoevitar o deslizamento e também relativo à baixa eficiência.

A ocorrência de um deslizamento reduzdrasticamente o tempo de vida da engrenagem e aumenta onível de ruído.

A eficiência total, normalmente, tem sidobastante baixa, se comparado a cálculos teóricos.

A perda de energia para uma esfera temperada querola ao longo de uma cava temperada e lubrificada éteoricamente bastante baixa.

Numa engrenagem de atrito se utiliza um conjuntode esferas. Para obtenção dessa alta eficiência teórica, ageometria da engrenagem deve corresponder, de modo próximo,ao modelo teórico.

Tolerâncias pequenas em relação às partes daengrenagem, assim como, às cargas externas, irão modificara geometria, o que faz com que as esferas, por exemplo,sejam processadas com diferentes raios individuais. Istoirá criar grandes forças de atrito entre as esferas e iráocorrer "micro-deslizamento", isto é, as esferas tambémparcialmente deslizam nas cavas de rolamento. Essedeslizamento irá danificar de modo bastante rápido asesferas e as cavas de rolamento.

Uma distribuição de carga igual sobre todas asesferas é também de grande importância para a transmissãode um alto torque ótimo e aumentar o tempo de vida defadiga da engrenagem. Mesmo defeitos superficiais pequenos,a nivel de microscópio, irão proporcionar um alto nivel deruido e redução de tempo de vida.

O deslizamento e, assim, uma baixa eficiência,podem ocorrer devido a diferentes razões, tais como:

1) cargas externas de torque excedendo a carga de torque domecanismo, conforme permite o pré-tensionamento de molaembutido;

2) as cargas externas criam um pequeno posicionamento e acarga se modifica entre as cavas de rolamento e os corposde rolamento na engrenagem;

3) uma má distribuição da carga sobre os corpos derolamento na engrenagem depende de tolerâncias mecânicasnos componentes da engrenagem.

Para ser possível transmitir um ótimo alto torqueem uma engrenagem de atrito de esfera, um pré-tensionamentode mola ou uma carga externa cria uma pressão superficialentre cada esfera e cava de rolamento, o que proporciona umadequado esforço de alta fadiga, proporcionando um adequadotempo de vida.

A deformação elástica de Hertz nos pontos decontato é então na faixa de 0,001-0,005 mm. Dessa forma, épossível imaginar que erros geométricos, mesmo bastantepequenos, possam causar deslizamento.

É possível se adicionar um acoplamento que sejadependente de torque, isto é, que proporcione um pré-tensionamento que seja proporcional à carga do torque. Nasengrenagens de atrito com uma proporção de redução fixa,tal acoplamento irá, normalmente, ser bastante caro. Nasengrenagens com redução permutável sem batentes, taltecnologia é utilizada. Exemplos de tais engrenagens deatrito incluem o variador de Brottby e o variador de Kopp.

A presente invenção concerne a uma engrenagem deatrito com proporção fixa.

A figura 1 mostra um primeiro princípio deengrenagem de atrito de esfera, bem conhecido eparcialmente seccionado, funcionando da seguinte forma:

- a engrenagem possui um eixo de entrada (1) e um eixo desaída (2);

esses eixos, que são idênticos, apresentam cavas derolamento (5), nas quais algumas esferas (3), mínimo de 3unidades, estão percorrendo;

- as esferas (3) estão também percorrendo um anel (4);

- os eixos (1) e (2) são pressionados com uma força nadireção contrária entre si por uma mola (10) e um mancai deesfera (9);

- no alojamento (11), existe um segundo mancai de esferareferenciado por (Q);

o anel (4) evita que as esferas (3) se movimentemradialmente mediante essa força axial;

- são criadas forças de atrito nos três pontos de contatoque cada esfera possui;

- cada esfera (3) possui uma força no eixo de rotação (6) eapresenta pontos de contato (7.1) e (7.2) nos respectivoseixos (1) e (2) .

Durante um giro do eixo de entrada (1), o eixo(6) em cada esfera (3,) (que apresenta uma posição fixa commancais (não incluida nessa figura principal) e mantido comum ângulo "v") irá girar a respectiva esfera (3) a partirdos pontos (7.1).

Devido ao fato de que os dois pontos (7.1) e(7.2) são colocados em diferentes distâncias radiais dosrespectivos eixos de rotação (6), o eixo de saida (2) irágirar com uma diferente velocidade do eixo de entrada (1) .Desse modo, se obtém uma proporção de redução. O anel (4)gira livremente com uma diferente velocidade. Se na figurao ângulo "v" for de 0 grau, então, se obterá uma proporçãoexterna, isto é, o eixo de saida (2) não estará girando.

Esse principio de engrenagem é usado, porexemplo, no bem conhecido variador de Kopp, o qualapresenta um mecanismo para modificar o ângulo "v" de modosincrono, em todas as esferas durante o funcionamento.Desse modo, será obtida uma mudança sem escalonamento daproporção de redução.

Um acoplamento de torque proporcional é tambémutilizado (não visualizado nessa principal figura).

Esse tipo de engrenagem é dispendioso e volumoso,particularmente, caso se precise de uma proporção fixa.

A figura 2 mostra uma segunda engrenagem deatrito de esfera, bem conhecida e parcialmente seccionada,funcionando da seguinte forma:

- o eixo de entrada (12) que apresenta um mancai de esfera(18) possui duas cavas de rolamento (14) e (15) que sãoinclinadas com respectivos ângulos "c" e "d", em relação aoeixo de simetria (12);

- algumas esferas, mínimo de 3 unidades, estão percorrendoessas cavas e as cavas de anéis (16) e (17),respectivamente, cujas cavas de rolamento são inclinadas deum ângulo "a" e "b", respectivamente, ao seu eixo desimetria ;

- o anel (16) é estacionário e o anel (17) faz parte doeixo de saída (13) que apresenta o mancai de esfera (19) e(20);

- ima placa de mola (21) empurra, através do mancai deesfera (19), a distância de mancai (24) e o mancai deesfera (20) do eixo (13) com seu anel (17) na direção doanel estacionário (16); assim, cada das esferas (3) écarregada em quatro pontos;

- os ângulos "a", "b", "c" e "d" são diferentes;

- cada esfera (3) apresenta pontos de contato nas cavas derolamento (14), (15), (25) e (26);- a linha de conexão (27) através dos pontos de contato nascavas de rolamento (14) e (15) criam o ângulo "e" com umeixo de entrada (12);

- cada respectiva esfera (3) irá depois girar em torno doeixo (28), paralelo à linha (27) e em torno de um eixo (29)perpendicular a (28);

uma importante condição de se obter um satisfatóriofuncionamento da engrenagem de atrito de esfera é que nãoocorra nenhum deslizamento entre as esferas e as cavas derolamento;

- a placa de mola (21) deve proporcionar tais forças decontato nesses pontos, de modo que em conjunto com ocoeficiente de atrito isso seja evitado;

- quando o eixo de entrada (12) está girando, as esferasdevem correr sem deslizamento em todas as quatro cavas dedeslizamento; para tornar isso possível, o eixo de saída(13) com sua cava de deslizamento (26) é forçado a girar;

- a escolha dos ângulos "a", ' "b", "c" e "d" determina avelocidade reduzida no eixo de saída (13), isto é, aproporção de redução.

É necessário que existam tolerâncias bastantepequenas no alojamento (22) com sua placa de mancai (23)para se obter ótimos contatos para as esferas (3) com suascavas de rolamento. Uma carga radial externa no eixo deentrada (12) ou no eixo de saída (13) modifica a geometriada engrenagem e gera "micro-deslizamento" e um eventual"macro-deslizamento".

A figura 2 mostra exemplos de valores para osângulos "a", "b", "c" e "d".

O cálculo desses ângulos, assim como, a pressãosuperficial, cargas de fadiga e outras é feito em umespecial programa de computador (Frej-Cale) , designado paraesse tipo de engrenagens de atrito. Esse método de cálculosingular está fora do escopo da presente invenção e nãoserá aqui tratado.

Obs: Se todas as partes da engrenagem forem de "modoperfeito" (sem tolerâncias) e se existir apenas uma forçade pré-tensionamento axial interna, existirá somente umageometria simétrica, que as partes da engrenagem móveisirão tomar após algumas voltas do eixo de entrada.

A rigidez do eixo de entrada (juntamente com asesferas) é baixa contra um torque de perturbação externoperpendicular ao eixo de simetria da engrenagem, dependendodos pequenos ângulos de contato nas cavas de rolamento. Umexemplo de tal torque de perturbação pode ser criado entreo eixo do motor e o eixo de entrada.

Objetivo e Características da Invenção

A presente invenção compreende um novo tipo deengrenagem de atrito de esfera, que:

- é insensível a erros que almejam o eixo de saída;

- é protegido contra torque de sobrecarga nos eixos deentrada e de saída;

- transmite o torque de motor sobre todas as esferas;

- minimiza o "micro-deslizamento";

consiste de poucas peças em relação aos modelosconhecidos.Essas características são alcançadas mediante umaúnica escolha de geometria das cavas de rolamento e doseixos interativos.

A presente invenção omite os inconvenientes deoutras engrenagens de atrito gue foram descritas acima.

As características desse novo modelo deengrenagem podem ser descritas como:

- a engrenagem aceita uma troca de ângulo relativamentegrande do eixo de saída;

- o deslizamento entre as esferas e as cavas de rolamentonão irão ocorrer durante um torque de sobrecarga no eixo deentrada ou de saída;

- a engrenagem irá também funcionar como um mancai depressão nos atuadores lineares.

- a engrenagem será simples e robusta e terá altaeficiência e funcionamento silencioso, será compacta eadequada para produção em massa.

O princípio de engrenagem básico deve estar deacordo com a engrenagem anteriormente descrita na figura 2.Consultar, também a Patente U.S. No. 3.955.661 (de 11 deMaio de 1976).

O desempenho da invenção é alcançado pelaspropriedades específicas que constituem a partecaracterizada da reivindicação 1. Variantes alternativassão acopladas à reivindicação 1, juntamente com algumas dasoutras reivindicações.

Figuras que Suportam a Descrição da Invenção

A figura 3a mostra as três partes centrais daengrenagem e as esferas, todas as quais, prensadasaxialmente entre si.

A figura 3b mostra o modelo de acordo com afigura 3a, com o eixo de saida (30) inclinado de 2 graus.

A figura 3c mostra o modelo de acordo com afigura 3a, com todas as partes similares além do anel (32),sendo inclinadas de 2 graus.

A figura 4 mostra uma engrenagem completa com umpré-tensionamento.

A figura 5 mostra a engrenagem mostrada na figura4, com o eixo de saida (42) inclinado de 2 graus.

A figura 6 mostra uma via explodida da engrenagemmostrada na figura 4, com o motor e mecanismo deparafuso/porca.

A figura 7 mostra uma engrenagem completa sem opré-tensionamento interno e com o mecanismo deparafuso/porca.

Descrição Detalhada do Funcionamento da Invenção e deModalidades Preferidas

Nas figuras seguintes, são mostradas forças entreuma esfera e seus pontos de contato para as cavas derolamento, na realidade, distribuídas de modo similar atodas as esferas.

Para as forças mostradas nas superfícies desuporte esféricas ou cônicas, na realidade, são ainda asforças distribuídas sobre as superfícies de contato derotação simétrica.

A quantidade de esferas é mínima (3 unidades),sendo ainda distribuídas em volta do real eixo de simetria.As bolas podem apresentar ou não um dispositivo de gaiolade bola, de acordo com uma tecnologia bem conhecida. Se nãohouver dispositivo de gaiola, o diâmetro do afastamentopara o centro das esferas é então calculado, de modo aproporcionar um pequeno afastamento entre as esferas quandoelas são distribuídas. Em realidade, existem alguns pontosde contatos de deslizamento entre as esferas durante ofuncionamento.

As cavas de rolamento flexíveis descritas abaixosão usadas, normalmente, em mais de 3 esferas.

Figura 3a

o anel (32) é aqui mostrado disposto estacionário,adaptado ao alojamento (100) (nas figuras 3a, 3b e 3c omesmo é simbolicamente mostrado como uma marca de linha decorte) ;

o eixo de simetria para o eixo de saída (30) éconcêntrico ao anel (32);

o eixo de simetria para o eixo de entrada (31) éconcêntrico ao anel (32);

- a força axial (Fax) atua de moco concêntrico ao eixo desaída (30);

as esferas (3) são impulsionadas contra as cavas derolamento esférico-côncavas (33) e (34) dispostas no eixode entrada (31) ;

- as esferas (3) apresentam respectivos pontos de contato(35a), (35b) na cava de rolamento esférico-côncava no anel(32), a qual possui o raio (Rl) com centro no ponto (Cl) noeixo simétrico da engrenagem. (0 ponto (Cl) pode ser tambémdefinido como o ponto em que a linha de conexão prolongadaentre os respectivos centro de esfera e seus pontos decontato na cava de rolamento no anel (32) se choca com oeixo simétrico da engrenagem; o ponto (C2) pode serdefinido da mesma maneira).

- as esferas (3) também apresentam respectivos pontos decontato (36a), (36b) na cava esf érico-côncava no eixo desaida (30), que possui o raio (R2) com centro no ponto (C2)no eixo de simetria da engrenagem;

- os pontos de contato (36a), (36b) apresentam distânciasradiais de (R) de 20,6 mm, a partir do eixo simétrico doeixo de saida (30) (ver, também, as figuras 3b e 3c).

Observe a engrenagem como uma figura geométricaem um plano, isto é, no plano do papel.

Para tornar mais fácil o entendimento da condiçãogeométrica, suponhamos que as duas esferas mostradassomente posam ter essas posições mostradas em relação aoeixo de entrada (31) e por essa razão, são "soldadas" emseus pontos de contato, em relação ao eixo de entrada (31).O eixo de entrada (31) irá atuar com as esferas como umcorpo tenso. Os "pontos de solda" teóricos são marcados compequenos círculos nas figuras 3b e 3c.

Figura 3b

- supor o eixo de entrada (31) (juntamente com as esferas)também como sendo "soldado" ao alojamento de engrenagem(100); se o eixo de saída (30) estiver tensionado por umaforça radial externa ou um torque perpendicular ao plano dopapel, o mesmo irá deslizar ao longo do raio curvo (R2) comcentro em (C2) . Na figura, foi feito um giro de 2 graus,contrário ao sentido do movimento horário;

- os anteriores pontos de contato (35a), (35b), (36a),(36b) permanecem nas esferas, mas, as distâncias para oeixo de simetria do eixo de saida (30) para os pontos decontato (36a) e (36b) foi modificada para, respectivamente,(R = 21,5) e (R = 19,4).

Isso significa que ocorre um deslizamento naengrenagem quando o eixo de saida (30) é girado em torno doponto (C2). A extensão do deslizamento é diretamenteacoplada à extensão da rotação.

Figura 3c

- supor agora que o eixo de entrada (31) (juntamente com asesferas) seja "soldado" nos pontos de contato (36a) e(36b); se o eixo de saida (30), uma vez mais, estivertensionado por uma força radial externa ou um torqueperpendicular ao plano do papel, o mesmo irá deslizar aolongo do raio curvo (Rl) com centro em (Cl). Na figura, foifeito um giro de 2 graus, contrário ao sentido do movimentohorário;

- a distância radial (R = 20,6), agora, não foi modificada.

Na prática, para se obter que o eixo de entrada(31), juntamente com as esferas (3), acompanhe o eixo desaida (30) girando em torno do ponto (Cl), o eixo deentrada (31) obteve uma parte cilíndrica (37), a qual nasua parte esquerda externa possui uma curta superfície guia(38) que se encaixa com um pequeno deslocamento no furocilíndrico (39) no eixo de salda (30) ;

a superfície guia (38) é colocada em uma distânciarelativamente longa (S5) do ponto (C2), o que proporciona odirecionamento por um ângulo preciso para o eixo de saída(30);

- o eixo de entrada (31) obteve, na figura, um caminhoatravés do furo (40), ao invés do caminho cônico do eixomostrado anteriormente. A parte esquerda do furo (40)obteve uma ranhura interna (41), isto é, alguns feixesdirigidos axialmente.

O ponto (Cl) define a posição da engrenagem. Senão existir nenhuma parte cilíndrica (37) (nenhumdirecionamento), pequenas forças modificadoras de ângulo noeixo de entrada (31) irão fazer com que o eixo de saída(30) gire em torno de um ponto que difere de posição emrelação ao ponto (Cl). Então, ocorre um "micro-deslizamento".

Essa engrenagem da invenção aceita que o eixo desaída (30) mude de direção, dependendo das forças externasou erro de alinhamento, sem destruir a geometria daengrenagem, conforme mostrado na figura 3a. Isso se faznecessário para se evitar um "micro-deslizamento". Emoutras palavras, numa mudança de ângulo do eixo de saída(30), dependendo do desalinhamento ou de torquesperturbadores externos perpendiculares ao eixo, também, oeixo de entrada (31) tem de ser modificado para o mesmoângulo. O centro para essas mudanças tem de ser o ponto(Cl) que é o centro da cava de rolamento esférica (35).Figura 4

A figura mostra uma engrenagem completaseccionada, de acordo com a invenção. A engrenagemapresenta um pré-tensionamento interno, o que permite aoeixo de saida (30) assumir as cargas externas em todas asdireções do eixo como forças axiais de um mecanismo deparafuso, ou como forças radiais ou torques.

- o anel anterior (32) é aqui substituído pelo anel (43), oqual apresenta uma superfície esférica (44) com um raio(R3) e possui uma cava de rolamento esférica (45) com raio(Rl) e centro (Cl);

- o eixo de saída (30) obteve um furo radial (46);

- uma saída cônica (42) é adaptada ao eixo de saída (30)por meio de um pino cilíndrico (47) que é colocado no furo(46) e em um furo (48) na saída cônica (42);

- o alojamento (49) apresenta uma superfície esférica (50)formada internamente;

- contra essa superfície se dispõe um anel de mancai plano(51), com uma superfície traseira esférica (52) sendoimpulsionada;

- as superfícies esféricas (50) e (52) apresentam o raio(R4) e centro (C4);

- entre o anel de mancai (51) e a superfície plana (53) noeixo de saída (30) , se dispõe um mancai rolante (54) depressão cilíndrico;

- uma placa de mola (55), que apresenta uma superfícieesférica (56) com raio (R3) e centro (Cl) e com um raio comeste encaixe concêntrico (57) que se adapta em um encaixe

(59) no alojamento (49), se dispõe com rebites (57) fixadosà flange (58) no alojamento (49);

um eixo de acoplamento (60), colocado no furo (40),apresenta na sua extremidade esquerda alguns feixes emforma de coroa (61) colocados externamente e dirigidosaxialmente, os quais, com suavidade, se entrelaçam com asranhuras internas (41);

- na extremidade direita do eixo de acoplamento (60) sedispõe uma superfície cilíndrica (62);

- a engrenagem, de acordo com a invenção, é vedada medianteduas vedações radiais (63) e (64), que proporcionam avedação contra a superfície (62) no eixo de acoplamento(60), respectivamente, a superfície (65) do eixo de saída(30);

- um anel em forma de "O" (68) faz a vedação entre oalojamento (49) e a placa de mola (55);

- o anel (43) pode se movimentar livremente em torno doponto central (Cl), dentro de uma faixa de ângulo limitadado deslocamento radial entre o furo cilíndrico (66) naplaca de mola (55) e a superfície externa na partecilíndrica (67), no anel (43).

A engrenagem mostrada na figura 4 é tensionadapor duas forças axiais (Fp) e (Fax).

A força (Fp) é criada pela placa de mola (55),feita, preferivelmente, de uma mola de aço e fixada porrebites (69) à flange (58) e, desse modo, flexivelmenteaxial e, depois, com pré-tensionamento de todos os pontosde contato das esferas, do mancai de pressão (54) e dassuperfícies esféricas (44) e (56), assim como, (50) e (52).

A força externa (Fax) é concêntrica ao eixo desimetria da saida cônica (42).

A soma dessas forças é a força (F).

Quando o tamanho da força externa (Fax) tiveraumentado para o mesmo valor da força de pré-tensionamento(Fp) , o mancai de pressão (54) terá sido descarregado e aforça (F) será igual a (Fax).

Se a força axial externa (Fax) tiver direçãocontrária, a força de pré-tensionamento (Fp) sobre todas asesferas e cavas de rolamento será constante e irá definir otamanho do máximo torque transmitido na engrenagem. Isto éconcernente se o alojamento (49) for muito mais tensoaxialmente (constante de mola mais alta) do que a placa demola (55).

A figura 4 mostra:

- forças (Nl) e (N2) que se criam nos pontos de contato dasesferas e a força (N3) na superfície esférica de suporte;as forças entre as esferas e as cavas de rolamento no eixode entrada (31) não são mostradas na figura;

- o torque máximo possível que pode ser transmitido para asaída cônica (42) define a força de atrito dirigidatangencialmente, multiplicado pela distância radial ao eixode simetria da saída cônica (42); é possível, com boaprecisão, assumir que existe o mesmo valor de coeficientede atrito em todos os pontos de contato e superfícies naengrenagem.o deslizamento irá ocorrer nos pontos decontato/superficies que proporcionam o menor torque deatrito. Existem cinco diferentes torques de atrito:

Ml = Nl χ Sl χ myM2 = N2 χ S2 χ myM3 = N3 χ S3 χ my

M4 = N4 χ S4 χ my (não mostrado na figura)M5 = N5 χ S5 χ my (não mostrado na figura)"my" = coeficiente de atrito;

- os torques de atrito mencionados acima são calculadosatravés do programa de computador mencionado anteriormente"Frej-Cale";

- o deslizamento entre as esferas e as cavas de rolamentono eixo de entrada (31) nunca irá ocorrer, pelo fato de queo torque de atrito é a soma dos torques de atrito (M4) e(M5) das duas cavas de rolamento (33), (34) e, portanto,será sempre maior que o maior dentre (Ml), (M2) e (M3) ;

- o menor desses torques é (M3); em um torque externo desobrecarga na saida cônica (42), irá ocorrer umdeslizamento entre as superfícies esféricas (44) e (56);

- um deslizamento entre as esferas e as cavas de rolamentopode rapidamente destruir as mesmas, o nível de ruído deveaumentar e o tempo de vida da engrenagem deve serdrasticamente encurtado;

- agora, o deslizamento durante a sobrecarga ocorre entreas superfícies (44) e (56), independentemente do tamanho daforça de pré-tensionamento (Fp) e da carga externa (Fax).

- o tamanho do torque (M3) em relação a (Ml) e (M2) épossível se ser ajustado mediante modificação do tamanho doraio (S3) (e, dessa forma, também de N3) ou mediante ajustedo coeficiente de atrito entre as superfícies de cooperação(44) e (56), o que pode ser feito através da mudança daqualidade de superfície ou mediante eletrogalvanização dassuperfícies, por exemplo, por meio de cobre.

Conforme mencionado anteriormente, a exigênciapara esse princípio de engrenagem é que o eixo de saída(30) ou o anel (43), devam aceitar a ação de giro. Casocontrário, um deslizamento entre a esfera (3) e as cavas derolamento irá ocorrer.

Diante de um súbito bloqueio ou outro tipo deaceleração/retardamento na saída cônica (42), é criado umtorque dinâmico, dependente da inércia do rotor do motor,que pode ser maior que o torque de atrito (M3). 0 anel (43)começa a girar e, depois, atua como um acoplamento desobrecarga. Esse funcionamento irá também ocorrer caso otorque seja maior que (M3).

Em outras palavras, o torque máximo do motortransmitido para a saída cônica (42) deverá ser menor que(M3). Essa exigência é válida somente se a saída cônica(42) for tensionada por um torque e quando a força (Fax)for menor que (Fp) ou for negativa, isto é, dirigida para aesquerda da figura.

Se a força (Fax) for maior que (Fp) (e dirigidapara a direita da figura), o torque de deslizamento (M3)aumenta proporcionalmente com (Fax). Entretanto, a relaçãopara os outros torques de atrito permanece.Figura 5

A figura 5 mostra:

- a engrenagem seccionada na figura 4, porém, aqui, a saidacônica (42) é inclinada de dois graus em torno do pontocentral (Cl);

- o anel de engrenagem (51) e o mancai rolante de pressão(54) têm de ser inclinados do mesmo ângulo em torno doponto central {CA), que é o ponto central para a superfícieesférica (52) no anel de mancai (51). Os pontos (Cl) e (C4)são colocados em diferentes posições no eixo de simetria daengrenagem. Depois, o mancai rolante de pressão (54) tem,também, de fazer um movimento de translação, principalmenteem um plano perpendicular ao eixo de simetria da saídacônica (42). O mancai rolante de pressão (54), que consistede um dispositivo de gaiola rolante, normalmente emplástico, com uma maior quantidade de furos retangularesobjetivados radiais, com roletes de aço, é um tipocomercial de mancai que é idealizado de aceitar essesmovimentos radiais. A capacidade de carga deste mancai éalta, se comparado às cargas (Fax) e (Fp).

A figura mostra também o eixo de acoplamento(60) , preferivelmente, feito de plástico moldado, com suasranhuras internas (70), nas quais as ranhuras externas emforma de coroa (78) no eixo do motor (77) (ver a figura 6)se adaptam com um encaixe macio.

Figura 6

A figura 6 mostra:

- uma vista explodida da engrenagem (71), em que a saídacônica (42) foi substituída por um parafuso (72) e o pinocilíndrico anterior (47) substituído por um pino de mola(73) ;

- no parafuso (72) se dispõe uma porca (74), normalmente,feita de plástico; na outra extremidade externa do parafuso(72) se dispõe um mancai esférico (75);

- a figura mostra, também, o motor (7 6) com um eixo demotor (77) com ranhuras em forma de coroa (78) e com seudispositivo de martelo de motor (79) com filetes de rosca(80);

- a placa adaptadora (81) é dotada de furos (83); parafusos(82) fixam essa placa ao dispositivo de martelo de motor(79) ;

- a figura mostra também o eixo de acoplamento (60);

- o parafuso (72) permite a movimentação em torno do pontocentral (Cl), dentro de um ângulo cônico de (±V) graus,quando a engrenagem está girando e quando a mesma tiverparado;

- a engrenagem se comporta como um mancai esférico quepermite auto-alinhamento, uma característica que é degrande interesse em diversas aplicações;

- em um giro da engrenagem, esse movimento ocorre quando asesferas se encontram rolando nas cavas de rolamento, noanel (43), sem qualquer deslizamento;

- quando a engrenagem não gira, pode ocorrer umdeslizamento, porém, normalmente, isso não irá afetar assuperfícies;

o mancai esférico (75) pode ser necessário como umsuporte radial se o parafuso (72) for longo ou se a porca(74) não tiver suporte radial de deslizamento;

- a força radial (Fp2) que se junta ao anel externo domancai esférico (75), algumas vezes, será necessária paraaumentar o pré-tensionamento da engrenagem, de modo a serpossível a transmissão de um alto torque.

Figura 7

A figura 7 mostra:

- uma engrenagem completa, sem nenhum pré-tensionamentointerno, mas, com um mecanismo de parafuso;

- o parafuso (72)' com sua rosca (96) é aqui mostrado em umformato simplificado, sem afastamento;

- uma linha, perpendicular e sobre uma superfície cônica(85) no alojamento (84), a uma distância (83) do eixo desimetria da engrenagem, se encontra com o ponto central(Cl); o alojamento (84) também apresenta uma linha com asuperfície (85) concêntrica à superfície cilíndrica (86);

- o alojamento (84) apresenta alguns furos de encaixe (86)objetivados de modo axial e um com a superfície cilíndrica(86) concêntrica ao furo (87), que é usado como guia para omotor ou como flange adaptadora;

- um anel (88) apresenta uma cava de rolamento esférica(96), com raio (Rl) e uma superfície esférica externa comraios (R5); ambos os raios possuem o mesmo centro (Cl);

- o anel (88) apresenta uma superfície interna cilíndrica(89), que se encaixa à superfície cilíndrica (86), com umcerto movimento um pouco radial;

- o eixo de saída (90) corresponde ao eixo de acoplamentoanterior (30), mas foi feito um pouco mais curto;

- o eixo de entrada (91) corresponde ao eixo de entradaanterior (31), mas foi feito um pouco mais curto;

- as ranhuras internas anteriores (41) são aqui movidaspara o ponto central (C5);

o eixo de acoplamento (92) corresponde ao eixo deacoplamento anterior (60), mas foi feito um pouco maiscurto; o centro das ranhuras externas (93) em forma decoroa é colocado no ponto (C5);

- um anel em forma de "O" (94) e uma vedação radial (95)fazem a vedação da engrenagem;

- o mecanismo de parafuso corresponde ao mecanismo anteriordescrito na figura 6;

- pelo fato de que a engrenagem não foi pré-tensionadainternamente, um pré-tensionamento externo (Fp2) pode entãoser adicionado, mediante atuação de uma mola no anelexterno do mancai esférico;

- se a força (Fax) que atua na porca for objetivada para aesquerda na figura, então, (Fp2) não deve ser tão grandequanto (Fax) , mas, também, capaz de proporcionar um pré-tensionamento suficiente, de modo a liberar o torque que oparafuso precisa;

- se a força (Fax) for objetivada para a direita e for umaforça de gravitação, então, nenhum pré-tensionamento (Fp2)se faz necessário, se a solução teórica da engrenagematender ao critério de liberdade de deslizamento noprograma mencionado anteriormente "Frej-Cale".

Nesse modelo alternativo de engrenagem, asranhuras (41) no eixo de entrada (31) são colocadas noponto central (C5) , a uma distância (S6) de (Cl) . Numainclinação de (V) graus, as ranhuras (41) irão semovimentar radialmente, r = S6 χ tan V. 0 eixo deacoplamento (60) apresenta funções de acoplamento curvas deengrenagem em ambas as extremidades, isto é, irá atuar comoum eixo com junta universal em cada extremidade. Deveráhaver espaço livre para o movimento radial "r".

O anel (88) foi feito relativamente fino por duasrazões:

- em primeiro lugar, o anel é um pouco elástico, o quegarante que todas as esferas irão ter praticamente asmesmas forças de contato e, então, proporcionando o mesmotorque de atrito. As tolerâncias de fabricação serão entãoeliminadas.

- em segundo lugar, a carga axial (Fax) proporciona umatorção elástica do anel. É possivel se observar o anel (88)como uma placa de mola. Nessa torção, o ângulo de contatocom a esfera irá mudar na cava de rolamento (96) e isso irámodificar a proporção de redução na engrenagem. Quandoocorre um aumento da carga axial (Fax) , isso sendoobjetivado para a direita da figura, o raio (Rl) iráaumentar. O ponto central (Cl) está se movimentando para aesquerda da figura. O ângulo de contato da esfera irá setornar mais próximo ao ângulo correspondente na cava derolamento (98). Um cálculo mostra que para uma torção decerca de 4 graus, a proporção de redução irá aumentar emcerca de 25%.A condição básica é que o eixo de saída (90) sejamais tenso que o anel (88). Tal aumento na proporção deredução pode ser de interesse em diversas aplicações, porexemplo, para temporariamente aumentar o torque daengrenagem no eixo de saída (42), isto é, o parafuso (72)superar o atrito estático antes do movimento (atritodinâmico) entrar.

A flexibilidade nos pontos de contato da esferanas cavas de rolamento, o coeficiente de mola na placa demola (55) e no anel (88) podem ser definidos com altaprecisão através de um cálculo de FEM (Elemento Finito).

Para aumentar o coeficiente de atrito nos pontosde contato da esfera, pode ser usado um tipo especial degraxa ou óleo para engrenagens de atrito, tendo acaracterística de aumentar a viscosidade momentaneamente,quando a pressão aumentar na lubrificação dos pontos decontato da esfera. Durante o processo de solidificação, ocoeficiente de atrito aumenta, fato que irá aumentar otorque máximo possível transmitido na engrenagem.

Modelos Alternativos Possíveis Baseados na Invenção

A primeira modalidade da presente invençãoconcerne uma engrenagem de atrito esférica com um eixo desaída que é tensionado por uma força externa, objetivada,principalmente, contra a engrenagem, em que,posteriormente, a engrenagem em si irá constituir um mancaide pressão. O eixo de saída permite a mudança de direção emrelação à engrenagem, sem afetar a eficiência da ditaengrenagem. A engrenagem é protegida contra deslizamentoentre as esferas e as cavas de rolamento pelo anel (43) ,(88), que atua como um acoplamento corrediço através de seuencaixe ao alojamento da engrenagem.

Pelo menos uma das cavas de rolamento possuialguma flexibilidade, garantindo, então, que todas asesferas irão transmitir o mesmo torque de atrito.

A segunda modalidade da invenção concerne umaengrenagem de atrito esférica, de acordo com a primeiramodalidade, em que o eixo de saida que pode absorver cargasexternas em todas as direções mediante adição de umterceiro mancai de pressão (54) na engrenagem, permite queum pré-tensionamento interno de mola possa ser criado sobreas esferas e cavas de rolamento.

A terceira modalidade da invenção concerne umaengrenagem de atrito esférica, de acordo com a primeira esegunda modalidades, em que o anel (32), (43), (88) do eixode saida (30), (90) é flexível à torção, o que proporcionauma mudança automática na proporção de redução naengrenagem, com uma mudança numa carga axial externa.

A quarta modalidade da invenção concerne umaengrenagem de atrito esférica, de acordo com a primeira,segunda e terceira modalidades, onde pelo menos uma cava derolamento apresenta superfície esférica.

A quinta modalidade da invenção concerne umaengrenagem de atrito esférica, de acordo com a primeira,segunda e terceira modalidades, em que uma cava derolamento apresenta superfície esférica e pelo menos umaoutra cava de rolamento apresenta superfície cônica.

Claims (9)

1. Engrenagem de atrito para transmissão detorque, consistindo de um eixo de entrada (31) provido decavas de rolamento (33, 34) direcionadas de forma inclinadae uma contra a outra, um anel (32) encaixado em umalojamento de engrenagem (100) provido de uma cava derolamento (35), um eixo de saida (30) provido de uma cavade rolamento (36), todos esses elementos simétricos econcentricamente colocados e pelo menos três esferas (3), eduas forças axiais direcionadas uma contra a outra queimpulsionam as cavas de rolamento (35, 36) contra asesferas (3), que, então, são impulsionadas contra as cavasde rolamento (33, 34), caracterizada pelo fato de que acava de rolamento (35) é esférica, que o eixo de simetriado eixo de entrada (31) é de tal modo disposto que coincideprincipalmente com o eixo de simetria do eixo de saida(30) , que o centro de gravidade de todas as esferas (3) semovimenta em um plano comum, principalmente perpendicularao eixo de simetria do eixo de saida (30), o que permitemodificações nas atitudes de ângulo do eixo de simetria doeixo de saida (30), sem causar qualquer mudança nageometria entre os componentes de engrenagem que semovimentam normalmente (30, 31, 3) e que o anel,normalmente não-rotativo (32), permita certos torques paragirar o seu encaixe de suporte no alojamento (100).

2. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que uma ou mais das cavas derolamento (33, 34, 36) são esféricas.

3. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que o anel (32, 88) apresentauma superfície de suporte esférica, a qual é suportada emuma superfície cônica ou esférica (85), em um alojamento deengrenagem (100, 84).

4. Mecanismo, de acordo com quaisquer dasreivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de que o eixode entrada (31, 91) apresenta uma parte cilíndrica (37)direcionada axialmente, a qual apresenta na sua extremidadeexterna uma curta superfície de mancai (38), a qual com umpequeno deslocamento se encaixa em um furo cilíndrico (39)no eixo de saída (30, 90) e, depois, força o eixo deentrada (31, 91) e as esferas (3) em seu plano comum degravidade a girarem em torno de um ponto (Cl) , que é ocentro para a cava de rolamento esférica (35) , em umamudança de atitude de ângulo do eixo de saída (30, 90).

5. Mecanismo, de acordo com quaisquer dasreivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que o anel(32, 43, 88) apresenta uma cava de rolamento esférica (35,- 45 , 96) com um raio (Rl) com centro em (Cl) e sua partetraseira apresenta uma superfície esférica com raio (R5)com seu centro próximo de (Cl), sendo direcionadaradialmente por uma superfície cilíndrica curta (86) de umalojamento de engrenagem (100, 84) e em uma superfícieaxial cônica ou esférica (85), com sua posição de contatoradial (S3) assim escolhida de modo a ocorrer deslizamentosomente nesse círculo de contato, quando o eixo de saída(30, 90) é tensionado com um determinado alto torque emtorno de seu eixo de simetria.

6. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que uma força axial externaobjetivada contra a engrenagem proporciona uma distorção doanel (32, 43, 88), o que modifica o ângulo de contato daesfera da cava de rolamento (35, 96) , modificando aproporção de redução na engrenagem.

7. Mecanismo, de acordo com quaisquer dasreivindicações 1-6, caracterizado pelo fato de que o anel(32, 43, 88) apresenta uma superfície traseira esférica(44) com raio (R3) com seu centro próximo a (Cl) esuportado axialmente numa superfície esférica (56) em umaplaca de mola (55) que é encaixada no alojamento deengrenagem (100, 49), de tal modo que a placa de mola (55)seja defletida elasticamente de modo axial, proporcionando,depois, o pré-tensionamento interno desejado, quando aforça de reação é absorvida por um mancai de pressão (54),com sua cava de rolamento consistindo de uma placa demancai (51) com sua superfície de suporte esférica (52), aqual se encontra em contato com uma superfície esféricalocal (50) no alojamento de engrenagem (100, 49) e de umasuperfície (53) no eixo de saída (30), dessa forma,aceitando um auto-posicionamento mediante uma combinação demovimento giratório e de translação radial do mancai depressão (54), quando ocorrer uma mudança nas atitudes doângulo do eixo de saída (30, 90).

8. Mecanismo, de acordo com quaisquer dasreivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que o eixode saída (31) apresenta ranhuras internas (41) no furo (40)que servem como uma parte de um acoplamento curvo,juntamente com alguns feixes em forma de coroa (61)correspondentes em um eixo de acoplamento (60) e que essasranhuras (41) devem ser colocadas o mais próximo possívelao ponto (Cl) para minimizar o movimento de translaçãoradial criado quando uma mudança na atitude do ângulo doeixo de saída (30, 90) ocorrer e, conseqüentemente, também,no eixo de entrada (31, 91).

9. Mecanismo, de acordo com quaisquer dasreivindicações 1-8, caracterizado pelo fato de que uma oumais das cavas de rolamento mencionadas para as esferas (3)são ligeiramente elásticas, de modo a garantir que todos oscontatos das esferas apresentem praticamente a mesma cargae reduzam o nível de som.