Guia de Eixos Estriados: Tipos, Padrões e Materiais

Os eixos estriados são componentes mecânicos fundamentais usados para transmitir torque entre um eixo e um cubo (ou engrenagem), permitindo movimento axial relativo ou garantindo uma posição angular precisa. Eles são essencialmente uma evolução da chaveta e da fenda, oferecendo resistência significativamente maior, melhor alinhamento e distribuição de carga mais equilibrada devido às múltiplas chaves (estrias) usinadas integralmente que se encaixam com estrias internas correspondentes no cubo. A compreensão dos diferentes tipos, dimensões padronizadas e materiais adequados para eixos estriados é essencial para projetar sistemas de transmissão de potência robustos e eficientes em setores como automotivo, equipamentos pesados, aeroespacial e máquinas-ferramentas.

Tipos de Perfis de Eixos Estriados

A geometria do perfil da estria é a característica definidora que determina sua capacidade de carga, propriedades de alinhamento e adequação para diferentes aplicações. Os principais tipos de perfis de eixos estriados são:

1. Estrias de Chave Paralela (Estrias de Lados Retos):

Estes são o tipo mais antigo e simples. As estrias são igualmente espaçadas na periferia do eixo, tendo lados retos que são paralelos ao eixo do eixo. Eles transmitem torque através dos lados das chaves.

• Vantagens: Fáceis de fabricar (frequentemente por fresamento ou fresagem) e relativamente fáceis de medir. Permitem movimento axial sob carga.

• Desvantagens: A distribuição da carga é frequentemente desigual, concentrando a tensão nos cantos. Podem sofrer folga (frouxidão) e não são ideais para aplicações de torque muito alto onde o centralização precisa é necessária.

2. Estrias Serrilhadas:

As serrilhas são semelhantes às estrias de chave paralela, mas normalmente têm um passo de dente mais raso e fino e não se destinam ao movimento axial sob carga. São usadas principalmente para juntas semipermanentes ou onde o cubo precisa ser rigidamente fixado ao eixo. São frequentemente definidas por um grande número de dentes.

• Vantagens: Fornecem um efeito de centralização altamente preciso e excelente rigidez para juntas estáticas.

3. Estrias Involutas:

Este é o tipo de estria mais comum e robusto, utilizando a curva involuta—o mesmo perfil usado para dentes de engrenagem. O perfil involuto permite uma distribuição de carga muito melhor e fornece uma ação de autocentralização. O torque é transmitido pelas laterais dos dentes involutos.

• Vantagens: Alta resistência e durabilidade devido à distribuição favorável da tensão. Eles fornecem um excelente efeito de centralização, o que minimiza as cargas radiais e a vibração. O processo de fabricação (fresagem, modelagem ou laminação) é altamente padronizado devido à sua semelhança com a fabricação de engrenagens. Podem ser fabricados para condições de deslizamento (movimento axial) ou fixas.

• Desvantagens: Mais complexos de fabricar e medir do que as estrias de lados retos.

Padrões de Estrias de Chave

Para garantir a intercambialidade e o desempenho consistente, as dimensões dos eixos estriados são regidas por vários padrões internacionais e nacionais importantes. Esses padrões definem as dimensões críticas, tolerâncias e requisitos de ajuste.

1. ANSI B92.1 (American National Standards Institute):

Este é o padrão dominante na América do Norte para estrias involutas. Ele cobre a geometria de estrias de raiz plana e de raiz de filete (o raio na base do dente). Ele especifica a relação entre o diâmetro primitivo, o ângulo de pressão (tipicamente $30^{circ}$, $37.5^{circ}$, ou $45^{circ}$) e o número de dentes. O padrão também define quatro classes diferentes de ajuste (Classe 1, 2, 3 e 4), variando de deslizamento próximo a ajustes de pressão, com base nas tolerâncias permitidas.

2. DIN 5480 (Deutsches Institut für Normung):

O principal padrão europeu para estrias involutas, DIN 5480 é altamente abrangente e amplamente utilizado globalmente, frequentemente preferido por suas especificações detalhadas e tolerâncias apertadas. Ele usa um sistema de módulo (semelhante às engrenagens métricas) para definir o tamanho e é particularmente rigoroso na definição das tolerâncias laterais, que impactam diretamente a folga e a qualidade do ajuste.

3. ISO 4156 (Organização Internacional para Padronização):

Este padrão destina-se a harmonizar os vários padrões nacionais para estrias de lados retos e involutas, fornecendo um conjunto de especificações reconhecido globalmente para intercambialidade, focando particularmente no ajuste cilíndrico para estrias involutas.

4. SAE J499 (Society of Automotive Engineers):

Este padrão se concentra especificamente em estrias de lado paralelo, definindo dimensões e tolerâncias frequentemente usadas em aplicações automotivas e de equipamentos pesados, onde a simplicidade e a robustez são priorizadas.

Esses padrões fornecem o projeto para todo o processo de fabricação, desde a seleção do cortador de fresa ou modelador correto até a definição dos medidores Passa/Não Passa usados no controle de qualidade. O ajuste é determinado pela folga permitida e pelos ajustes de diâmetro maior e menor, que juntos garantem que o eixo estriado opere conforme o pretendido, seja necessário deslizar suavemente ou permanecer rigidamente fixo.

Materiais para Eixos Estriados

A seleção do material para um eixo estriado é regida pelas exigências da aplicação de resistência, dureza, resistência ao desgaste e, ocasionalmente, resistência à corrosão. Como os eixos estriados são transmissores de torque, eles estão sujeitos a alta tensão de torção, tensão de flexão e pressão de contato lateral.

1. Aços de Baixo Carbono (por exemplo, AISI 1018, 8620):

Estes são frequentemente usados quando o eixo será endurecido por cementação (carbonetação) após a usinagem. A cementação cria uma superfície dura e resistente ao desgaste (alta dureza da camada) enquanto retém um núcleo resistente e absorvente de choque (baixa dureza do núcleo). Esta é a escolha padrão para eixos de transmissão automotivos de alto volume.

2. Aços de Médio Carbono (por exemplo, AISI 4140, 4340):

Esses aços oferecem alta resistência do núcleo e são excelentes para eixos que exigem maior tenacidade geral e alta resistência à fadiga. Eles são tipicamente temperados e revenidos (tratados termicamente) para obter um equilíbrio desejado de dureza e ductilidade. O 4140 é uma escolha comum e versátil, enquanto o 4340 é reservado para aplicações de tensão extremamente alta devido à sua temperabilidade e resistência superiores.

3. Aços Inoxidáveis (por exemplo, séries AISI 300 e 400):

Usados em ambientes corrosivos, como equipamentos marítimos ou de processamento de alimentos. A série 400 (como 416) é frequentemente usada quando resistência à corrosão e resistência moderada são necessárias, pois podem ser tratadas termicamente para aumentar a dureza.

4. Aços para Ferramentas (por exemplo, D2, H13):

Estes são raramente usados para o próprio eixo, mas podem ser selecionados para componentes altamente solicitados em máquinas especializadas onde a extrema resistência ao desgaste e a estabilidade dimensional são primordiais, frequentemente em ambientes de trabalho a frio ou de alta temperatura.

A sequência de fabricação é crucial: o material do eixo é tipicamente usinado em suas dimensões quase finais, as estrias são cortadas (fresadas, modeladas ou laminadas) e, em seguida, o componente é tratado termicamente para obter a dureza e o perfil de resistência finais necessários. A retificação de precisão pode seguir o tratamento térmico para corrigir qualquer distorção e obter as tolerâncias dimensionais finais e precisas, particularmente no diâmetro primitivo, que é a dimensão mais crítica para a função adequada da estria. A escolha do material e do tratamento térmico determina, em última análise, a vida útil e a confiabilidade de toda a montagem da transmissão de potência.