Engrenagens helicoidais: Faça um teste do conhecimento!

Nos últimos dias da EXPOPRINT 2006, vários visitantes fizeram uma pergunta interessante a New Sino:
      'A série WF47 usa engrenagens helicoidais?'

A resposta é categórica:
      'Não! A impressora semi-industrial WF47 usa engrenagens retas.'

Insistem, mesmo maravilhados pelos resultados impecáveis das impressões quadricromia de demonstração...
      'Mas as helicoidais não são melhores...?'

Para entender direito esta questão e esclarecer as dúvidas dos clientes, os engenheiros da HGPM elaboraram respostas que são sintetizadas abaixo. Mas antes de ler o texto, um desafio:

      Na sua opinião, qual seria a melhor? Engrenagens helicoidais ou retas?

Conversando sobre as engrenagens

Para uma impressão perfeita, os movimentos de uma impressora offset precisam ser extremamente suaves e estáveis. Por isso, as engrenagens, que transmitem os movimentos, desempenham um papel fundamental: qualquer falha ou imprecisão nas engrenagens causam vibrações e geram manchas na impressão.

Vale lembrar que a forma geométrica dos dentes das engrenagens é peculiar: possui perfil cicloidal ou envolvente. Os perfis são cuidadosamente projetados para fazer a transmissão do movimento através do rolamento suave e sem escorregamento entre as faces dos dentes em contato. Não podem ocorrer jamais batidas entre os dentes, que geraram vibrações e podem danificar os dentes (ver Fig. 1).

Fig. 1 - Circunferência 1 rola sem escorregamento sobre a circunferência 2. Ponto A da circunferência 1 descreve uma trajetória cicloidal.*

Assim, fica evidente que a usinagem de precisão é essencial para produzir o perfil com perfeição e alcançar os resultados desejados. Nas impressoras offset, qualquer desvio entre o perfil usinado e o projetado causa manchas na impressão e encurtam a vida dos componentes. E para evitar que os perfis dos dentes se alterem rapidamente com o desgaste, empregam-se materiais, processos de usinagem e tratamentos termo-químicos especiais. Daí as diferenças entre as engrenagens, imperceptíveis a olho nu, mas fazem os custos variarem de 1 a 10.

Existem 2 tipos de engrenagens cilíndricas: as retas e as helicoidais. Teoricamente as helicoidais são melhores porque os dentes não paralelos ao eixo permitem que o contato ocorra simultaneamente entre um número maior de dentes. Isso significa:

• Maior suavidade na transmissão em caso de pequenas falhas no perfil;

• Melhor distribuição das cargas.

A última característica torna as helicoidais uma escolha obrigatória para as impressoras industriais, que exigem uma elevada resistência dos seus componentes.

Tomando a decisão correta

As helicoidais seriam perfeitas senão por 2 detalhes importantes, mas muitas vezes esquecidos:

• Maior custo de fabricação;

• A força axial (força na direção dos eixos).

O primeiro detalhe é crítico, mas conforme visto anteriormente, existe uma variação muito grande no custo e qualidade dependendo dos materiais e processos da fabricação. Para reduzir os custos, fabricantes inescrupulosos podem usar engrenagens helicoidais baratas, menos precisas e sem tratamentos termo-químicos especias e, portanto, de qualidade duvidosa.

O segundo detalhe já é uma fatalidade. As helicoidais, com dentes não paralelos ao eixo de rotação (formando o chamado ângulo de hélice), sempre geram uma força na direção axial (ver Fig. 2). A força axial não existe nas engrenagens retas e é maior quanto maior for o ângulo de hélice. A 45^o, se iguala a própria força transmitida por meio das engrenagens!

O pior de tudo: A força axial empurra as engrenagens motora e movida em sentidos opostos, tentando afastar uma da outra na direção axial. Ela atua diretamente sobre a junção entre as engrenagens e seus eixos, e sobre o suporte dos eixos, passando pelos rolamentos e sobrecarrega a estrutura.

Para resistir à força axial e os seus efeitos maléficos, as impressoras industriais tiram a vantagem da estrutura superdimensionada, pesada e extremamente resistente, com a espessura da parede inteiriça variando entre 60 a 90 mm. Além disso, priorizando os desempenhos em detrimento dos custos, usam rolamentos com encosto (ver Fig. 3), que são componentes caros, mas feitos especialmente para resistir a força axial, e engrenagens helicoidais com espessuras grandes para reduzir o ângulo de hélice e a força axial.

O mesmo não acontece com as impressoras semi-industriais. Os diferenciais destas são: leveza, dimensões compactas e preços mais baixos. Por isso, a espessura de estrutura do cabeçote (a parte mais reforçada) varia entre 12 a 18 mm. Muitas vezes as paredes laterais são divididas em várias peças para faciliar a montagem. Não se usa rolamento com encosto por causa do custo. E independente do uso ou não deste, a estrutura inteira sofre do mesmo jeito porque não é rígida o suficiente para suportar a força axial, com o agravante de usar as engrenagens helicoidais de pequena espessura, que aumenta o ângulo de hélice.

Como conseqüência, em alta velocidade, as impressoras semi-industriais com engrenagens helicoidais correm risco de terem seus rolamentos simples e sua estrutura danificadas pela força axial. Só que antes disso acontecer, surgem, entre as engrenagens, folgas na direção axial por causa da sobrecarga nas junções engrenagem-eixo e eixo-estrutura. O jogo entre as engrenagens motora e movida acaba com a impressora de forma precoce.

É pior do que colocar uma roda de motocross numa mountain bike, só para dizer que a roda é para carga pesada e daí concluir que a bicicleta terá um desempenho melhor. Sem ter um conjunto equilibrado e muito bem calibrado, trabalhando harmoniosamente, alguma parte vai estourar antes...

Uma prova disso é que, não importa o país de origem, todos os fabricantes sérios de impressoras comerciais ou semi-industriais só usam engrenagens retas. A tentação de usar as helicoidais é grande, mas eles sabem que, neste caso, os malefícios são muito maiores que os benefícios. Por isso, usam engrenagens retas como a solução racional e equilibrada. E para assegurar a qualidade da impressão, recorrem a usinagem de altíssima precisão, e aplicam tratamento termo-químicos especiais para tornar as engrenagens extremamente resistentes ao desgaste. É o caso da série WF47.

Outra prova concreta é: enquanto a WF47C atinge velocidade de 9000 iph, e a sua versão mais econômica, WF47B atinge velocidade de 8000 iph, as impressoras semi-industriais com engrenagens helicoidais chegam, no máximo, 7000 iph. Ora, se estas últimas são melhores, como dizem, porque o desempenho piora significativamente ao invés de melhorar? Que solução milagrosa é essa que faz a produtividade despencar em até 25%?! Uma diferença tão gritante de qualidade e desempenho que só se justifica com um preço pelo menos 25% menor para manter a mesma relação custo e beneficio, e justificar o investimento! É aqui que o barato começa a sair caro...

Última dúvida

Por que então existem impressoras semi-industrias chinesas com engrenagens helicoidais?

É difícil de afirmar o motivo. Mas para entender isso, é preciso conhecer a fundo o mercado chinês, um mistério para muitos brasileiros. A China está mudando rapidamente. Ou melhor, está numa fase de transição, com um mercado polarizado. Enquanto algumas empresas top emergem no cenário internacional, pela qualidade dos produtos e serviços, muitas fábricas de fundo de quintal ou ex-estatais a beira da falência lutam desesperadamente pela sobrevivência, lançando produtos muito baratos e de qualidade duvidosa.

No setor de equipamentos gráfico, fabricantes de segunda ou terceira linha constroem estruturas, compram componentes baratos, e montam suas máquinas mesmo sem capacidade de usinagem de precisão ou tratamento térmico.

Visto que quaisquer imprecisões na fabricação e montagem resultam na falha da impressão, que é intolerável em impressoras novas, engrenagens helicoidais podem estar sendo usadas nas impressoras semi-industriais como uma solução paliativa: com a ajuda delas, é possível atenuar as vibrações devido às imprecisões, e os resultados tornam-se satisfatórios enquanto as impressoras estão novinhas. E isso pode ser suficiente para convencer os clientes desinformados. Só que a corda sempre arrebenta pelo ponto mais fraco, e os estragos causados pela força axial surgem com o tempo. Mesmo com pouco tempo no mercado, muitas delas já deixaram de funcionar na China.

Enfim, não existe solução mágica. Mesmo na China, muitos usuários já perderam seus investimentos com isso. No Brasil, as informações a respeito são escassas e chegam defasadas ou, lamentavelmente, distorcidas e faz os menos atentos se confundirem... Máquinas chinesas, não são tudo mesma coisa... Antes de investir numa, certifique bem a qualidade, e quem é o fabricante dela. E fique de olhos bem abertos para não ser enganado. A regra é bem simples: na briga por um lugar ao sol no mercado internacional, fabricantes chineses de primeira linha não deixam de adotar uma marca própria. Balizando-se exclusivamente pelo preço e pelas 'soluções milagrosas', o barato pode sair muito caro.

E então, qual foi a sua resposta à pergunta?

Independente da sua resposta, você está de parabéns por ter lido até aqui. Com certeza é uma pessoa que valoriza as informações. Além de conhecer a diferença entre soluções reais e miragens, está deixando ou deixará a concorrência para trás pela sua atitude pró-ativa. E New Sino será seu parceiro nesta caminhada.

Fig. 2 - Engrenagem helicoidal: Ângulo da hélice ß_o; Força tangencial (transmitida entre as engrenagens) F_t; Força axial F_A; Força resultante sobre os dentes F_n.*

Fig. 3 - Alguns exemplos de rolamentos (desenhos com corte para mostrar detalhes internos): (a) Rolamento de esfera; (b) Rolamento de rolete; (C) Rolamento de agulha; (d) Rolamento de esfera com encosto para resistir a força axial; (e) rolamento de rolete com encosto; (f) rolamento de agulha com encosto.

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Fig. 4 - Engrenagens retas da impressora semi-industrial WF47 (figura da esquerda) e impressora semi-industrial com engrenagens helicoidais (figura da direita). A diferença entre soluções reais e miragens.

* Ilustrações retiradas do livro: Elementos de Máquinas, Sarkis Melconian, Livros Érica Editora Ltda. 1995.

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