Compreendendo a Frequência de Engrenamento
Frequência de engrenamento (GMF — também chamada de frequência de engrenamento ou de contato dos dentes) é a vibração frequência gerada à medida que os dentes da engrenagem entram e saem do contato durante a rotação. Ela é encontrada multiplicando-se o número de dentes de uma engrenagem pela velocidade de rotação dessa engrenagem: GMF = (número de dentes × rpm) / 60. A GMF é normalmente o pico dominante em uma caixa de velocidade espectro de vibração, e sua amplitude, seus harmônicos, e as bandas laterais ao seu redor carregam informações detalhadas sobre a condição da engrenagem — desgaste, desalinhamento, defeitos nos dentes e adequação da lubrificação. Acompanhar a GMF é, portanto, a base do diagnóstico de caixas de velocidade e uma parte fundamental para identificar defeitos de engrenagem antes que se tornem falhas.
1. Calculando a Frequência de Engrenamento
Fórmula Básica
A GMF pode ser calculada a partir de qualquer membro de um par de engrenagens, e ambos devem fornecer a mesma resposta, pois os dentes passam um pelo outro em uma única taxa compartilhada:
- GMF = Npinhão × RPMpinhão / 60 (do pinhão)
- GMF = Nengrenagem × RPMengrenagem / 60 (da engrenagem)
Os dois são equivalentes porque a relação de velocidade é o inverso da relação do número de dentes. Observe que a GMF não é um simples velocidade de operação harmônico — é o número de dentes vezes a velocidade do eixo, então ela geralmente fica bem acima de 1×.
Exemplos Resolvidos
Exemplo 1 — Caixa de Velocidade Simples
- Entrada (pinhão): 20 dentes a 1.800 rpm
- Saída (engrenagem): 60 dentes a 600 rpm
- GMF = 20 × 1.800 / 60 = 600 Hz
- Verificar: 60 × 600 / 60 = 600 Hz ✓
Exemplo 2 — Caixa de Velocidade Multiestágio
- Primeiro estágio: 18 dentes a 3.600 rpm → GMF₁ = 1.080 Hz
- Segundo estágio: 25 dentes a 1.200 rpm → GMF₂ = 500 Hz
- Terceiro estágio: 30 dentes a 400 rpm → GMF₃ = 200 Hz
- Espectro: mostra um pico distinto para cada estágio, além de harmônicos e bandas laterais.
Calcular isso manualmente para cada estágio é tedioso; a Calculadora de Frequência de Engrenamento retorna a GMF e o espaçamento esperado das bandas laterais instantaneamente, e a Calculadora de frequência harmônica ajuda a posicionar as ordens de velocidade do eixo ao redor.
2. GMF no Espectro de Vibração
Uma Caixa de Velocidade Saudável
- Pico de GMF: um pico claro e único na frequência calculada.
- Amplitude: moderado e consistente ao longo do tempo.
- Harmônicos: 2×GMF e 3×GMF podem estar presentes, mas pequenos (abaixo de ~25% da GMF).
- Bandas Laterais: mínimas ou ausentes.
- Velocidades do eixo: os picos de 1× para os eixos de entrada e saída ficam bem abaixo da GMF.
Assinaturas Anormais
Alta Amplitude da GMF
Um aumento na amplitude da GMF ao longo do tempo indica desgaste geral da engrenagem, desalinhamento ou carga elevada. A ação é aumentar a frequência de monitoramento e planejar uma inspeção.
Múltiplos Harmônicos da GMF
Picos fortes de 2×GMF, 3×GMF e 4×GMF indicam defeitos nos dentes, desgaste severo ou um padrão de contato ruim — em geral, quanto mais harmônicos aparecem, mais grave é a condição.
Bandas laterais ao redor da GMF
As bandas laterais são a modulação da GMF pela velocidade do eixo, e elas identificam exatamente que engrenagem está com defeito:
- Bandas laterais do pinhão: GMF ± velocidade do eixo de entrada → um defeito no pinhão.
- Bandas laterais da engrenagem: GMF ± velocidade do eixo de saída → um defeito na engrenagem acionada.
- Múltiplas bandas laterais: GMF ± n×(velocidade do eixo) → defeitos localizados nos dentes.
- Bandas laterais assimétricas: mais forte de um lado → uma engrenagem excêntrica ou espaçamento desigual dos dentes.
3. Interpretação Diagnóstica
Avaliação de Condição em um Olhar
| Condição | Amplitude da GMF | Harmônicos | Bandas Laterais |
|---|---|---|---|
| Nova / boa | Baixa, estável | Mínimo (< 25% da GMF) | Ausente ou muito pequena |
| Desgaste normal | Moderada, aumento gradual | 2×GMF presente, mas baixa | Pequenas bandas laterais aparecem |
| Desgaste moderado | Alto, ainda aumentando | 2×, 3×GMF visíveis | Bandas laterais claras em ± frequências do eixo |
| Desgaste severo / dano | Muito alta | Múltiplos harmônicos (4×, 5×+) | Múltiplas famílias de bandas laterais |
| Defeito localizado | Moderado | Presente | Bandas laterais fortes e regularmente espaçadas |
Assinaturas específicas de falhas
- Desalinhamento de engrenagens: harmônicos altos de 2×GMF e 3×GMF, frequentemente com vibração axial; corrigido realinhando as engrenagens.
- Engrenagem excêntrica: bandas laterais fortes em ±1× da velocidade do eixo da engrenagem excêntrica, com o contato dos dentes variando uma vez por revolução — visível como modulação de amplitude no forma de onda no tempo.
- Dente quebrado ou trincado: bandas laterais de alta amplitude com espaçamento na velocidade do eixo, um impacto por revolução da engrenagem defeituosa, eventos impulsivos na forma de onda no tempo e crescimento rápido da amplitude.
- Lubrificação inadequada: amplitude da GMF elevada devido ao aumento do atrito, ruído de alta frequência crescente e aumento de temperatura na caixa de engrenagens.
Folga excessiva devido a jogo pode turvar ainda mais essas assinaturas ao permitir que os dentes batam em cada engrenamento.
4. GMF e Ressonância Estrutural
A GMF frequentemente cai em uma faixa que pode excitar modos estruturais, amplificando o que seria uma fonte modesta:
- GMF típica: 200–2.000 Hz para caixas de engrenagens industriais.
- Frequências naturais da estrutura: frequentemente 50–500 Hz.
- O risco: GMF ou um de seus harmônicos coincide com uma ressonância estrutural.
- O resultado: uivo alto de engrenagem e vibração excessiva da carcaça.
- As correções: rigidificar a carcaça, adicionar amortecimento ou alterar o número de dentes para deslocar a GMF da ressonância.
5. Construindo uma Estratégia de Monitoramento
Valor de Referência e Tendências
Registre a amplitude da GMF — junto com os níveis normais de harmônicos e bandas laterais — quando a caixa de engrenagens é nova ou recém-revisada, e use-a como referência para tudo que se segue. Os parâmetros de tendência mais úteis são:
- Amplitude da GMF: o indicador primário da condição geral da engrenagem.
- Razões harmônicas: um aumento de 2×GMF/GMF ou 3×GMF/GMF sinaliza deterioração.
- Energia das bandas laterais: a amplitude somada das famílias de bandas laterais.
- Conteúdo de alta frequência: energia de banda larga na faixa de 5–50 kHz reflete a condição da superfície dos dentes.
Níveis de Alarme
- Alerta: Amplitude da GMF em 2× o valor de referência.
- Alarme: Amplitude da GMF em 4× o valor de referência, ou qualquer aumento rápido.
- Crítico: múltiplos harmônicos fortes, bandas laterais extensas ou 10× o valor de referência.
Medição da GMF em Campo
Capturar a GMF, seus harmônicos e suas bandas laterais com clareza exige largura de banda e resolução suficientes para separar linhas próximas. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A registra o espectro da caixa de engrenagens e a forma de onda no tempo no local, permitindo que um engenheiro leia o pico da GMF e suas famílias de bandas laterais diretamente — e, quando um aumento no 1× indicar que um ventilador ou acoplamento acoplado também saiu do balanceamento, realizar o balanceamento em campo na mesma visita. Usado dessa forma, a análise da frequência de engrenamento detecta problemas nas engrenagens muito antes de uma falha catastrófica, transformando paradas não planejadas em manutenção programada.
