Comparação das transmissões por correia de distribuição MXL e S2M (dentes trapezoidais vs. curvilíneos)

1. Introdução

As correias de distribuição com dentes trapezoidais foram desenvolvidas inicialmente pela empresa americana Uniroyal Rubber em 1964 e foram gradualmente adotadas para aplicações de transmissão mecânica.

Figura 1: Perfil do dente da correia síncrona trapezoidal

Nesse tipo de correia dentada — caracterizada por um perfil de dente trapezoidal — os flancos dos dentes são linhas retas. Essa geometria específica do perfil leva a uma severa concentração de tensão nas raízes dos dentes, o que, em altas velocidades, reduz tanto a vida útil da correia quanto sua capacidade de suportar carga. Além disso, durante a transmissão, essas correias geram altos níveis de ruído e vibração, limitando, assim, a velocidade máxima de operação. Análises fotoelásticas subsequentes revelaram que a distribuição de tensão dentro do perfil do dente trapezoidal é altamente desigual, apresentando significativa concentração de tensão na raiz; isso torna os dentes propensos a fraturas e falhas. Ademais, a área de contato real que suporta a carga do dente trapezoidal ocupa apenas cerca de um terço da superfície total do flanco do dente, indicando que esse projeto não utiliza plenamente todo o potencial de suporte de carga dos dentes da correia.

Em 1973, a Uniroyal desenvolveu uma correia de distribuição com dente curvilíneo único (conhecida como HTD; correspondente à norma nacional JB/T 7512.1). Esse projeto reduziu efetivamente o "efeito poligonal" inerente às transmissões por correia e alcançou uma distribuição de tensão mais racional, levando à sua adoção cada vez mais ampla. Posteriormente, no entanto, observou-se que, à medida que as velocidades de transmissão aumentavam além de um certo limite, essas correias com dentes curvilíneos voltavam a gerar ruído e apresentavam uma queda perceptível na eficiência da transmissão. Consequentemente, em 1977, a empresa americana Goodyear modificou esse perfil de dente para criar a correia de distribuição com dente curvilíneo de topo plano (STPD). Esse projeto melhorou significativamente a dinâmica do fluxo de ar no momento preciso do engate entre os dentes da correia e os dentes da polia, mitigando substancialmente a resistência do ar — um fenômeno tipicamente associado ao engrenamento em alta velocidade.

Figura 2: Perfil do dente da correia síncrona STPD com dentes curvos

Nos últimos anos, a China testemunhou um rápido crescimento nos setores domésticos de equipamentos de vigilância de segurança, sistemas de videoconferência, impressoras e fotocopiadoras, levando a uma aplicação cada vez mais disseminada de correias sincronizadoras nesses dispositivos. Como esses dispositivos compactos normalmente envolvem requisitos de transmissão de potência relativamente baixos e velocidades de operação moderadas, eles utilizam predominantemente correias de pequeno porte. Além da exigência de baixos níveis de ruído, as métricas de desempenho mais críticas para essas aplicações são a vida útil e a precisão da transmissão angular. As séries de correias sincronizadoras MXL, S1.5M e S2M são projetadas especificamente para atender a esses requisitos exatos. Atualmente, fabricantes nacionais — incluindo os renomados — ainda utilizam amplamente as correias sincronizadoras MXL. Em contraste, fabricantes estrangeiros — particularmente no Japão — já adotaram amplamente as correias sincronizadoras com perfil STPD para dispositivos eletrônicos de pequena escala, como os mecanismos internos de equipamentos financeiros, impressoras e fotocopiadoras.

Embora os perfis dos dentes das correias sincronizadoras MXL e S2M sejam diferentes, seus passos são muito semelhantes: o passo da MXL é de 2,032 mm, enquanto o da S2M é de 2,000 mm. Consequentemente, elas podem ser utilizadas nos mesmos sistemas de transmissão. Por esse motivo, selecionei esses dois tipos de correia para uma análise comparativa, permitindo uma avaliação clara das respectivas vantagens e desvantagens dessas duas categorias distintas de correias sincronizadoras. Com base em mais de uma década de pesquisa e testes comparativos em sistemas de transmissão de equipamentos de segurança e vigilância financeira, a correia S2M supera consistentemente a correia MXL em termos de vida útil e precisão de transmissão.

2. Análise Comparativa

2.1 Comparação do Perfil Dentário

Primeiramente, vamos comparar os perfis dos dentes das duas correias. Na figura abaixo, a linha escura representa o perfil do dente da correia de distribuição S2M, enquanto a linha clara representa o da correia de distribuição MXL. A espessura da base de ambas as correias é idêntica, de 0,6 mm; no entanto, os dentes da correia S2M são visivelmente mais largos do que os da correia MXL — particularmente na raiz. Além disso, o raio de concordância do dente da S2M (R0,2) é maior do que o do dente da MXL (R0,13). Supondo que os materiais das correias sejam idênticos, a correia S2M possui resistência estrutural superior em comparação com a correia MXL, permitindo que ela transmita maior potência. Por outro lado, se os requisitos de transmissão de potência forem idênticos, a correia S2M oferecerá uma vida útil mais longa do que a correia MXL.

Em comparação com as polias, a resistência estrutural e a resistência ao desgaste da própria correia de distribuição tendem a ser ligeiramente inferiores; consequentemente, a correia muitas vezes representa o fator limitante em relação à vida útil geral e à capacidade de carga do sistema de transmissão. Isso ocorre porque o corpo da correia normalmente incorpora elementos de reforço — como fios de aço ou cordas de fibra de vidro — deixando os dentes como os componentes estruturais relativamente mais fracos.

Figura 3: Comparação de dois perfis de dentes de correia síncronos (dentes trapezoidais MXL e dentes curvos S2M)

O sistema de transmissão por correia dentada com dentes em arco resolve esse problema aumentando a espessura dos dentes da correia para melhorar sua integridade estrutural, enquanto simultaneamente reduz ligeiramente a espessura dos dentes da polia (reduzindo, assim, ligeiramente a resistência estrutural da polia). Essa abordagem de projeto se alinha melhor com os requisitos de aplicação prática, resultando em uma melhoria geral tanto na vida útil quanto na capacidade de carga. Também podemos obter dados específicos sobre esse ponto nos manuais técnicos fornecidos pela Mitsuboshi Belting (Japão); consulte as tabelas abaixo (uma seleção parcial é mostrada):

• Figura 4: Capacidade básica de transmissão de potência das correias de distribuição MXL (parcial)

• Figura 5: Capacidade básica de transmissão de potência das correias sincronizadoras S2M (parcial)

• Figura 6: Torque de transmissão admissível para correias de distribuição MXL (parcial)

• Figura 7: Torque de transmissão admissível para correias de distribuição S2M (parcial)

Note que a largura padrão da correia de distribuição S2M mostrada acima é de 4 mm, enquanto a largura padrão da correia de distribuição MXL é de 6,4 mm. Considerando tanto a potência quanto o torque de transmissão admissíveis, a correia S2M supera a correia MXL em pelo menos 50%. Se esses valores fossem normalizados para uma largura de correia comum, a vantagem de desempenho da correia S2M sobre a correia MXL seria ainda mais acentuada.

2.2 Comparação das Características de Malha

Em seguida, vamos comparar as características de engrenamento das correias de distribuição e suas respectivas polias.

• Figura 8: Comparação das condições de engrenamento para dois tipos de correia de distribuição (MXL vs. S2M)

• Figura 9: Dimensões básicas de dois tipos de polias de distribuição (MXL vs. S2M)

Comparação de fotografias reais de malhas:

• Figura 10: Engrenamento real da correia de distribuição e da polia MXL

• Figura 11: Engrenamento real da correia de distribuição e da polia S2M

Como se pode observar — e em consonância com os perfis teóricos dos dentes — existe uma folga considerável entre a correia de distribuição MXL e a sua polia; quando a correia é levemente movimentada, nota-se um ligeiro deslizamento. Em contraste, não existe folga visível entre a correia de distribuição S2M e a sua polia; quando a correia é levemente movimentada, não se nota qualquer deslizamento a olho nu. A correia de distribuição MXL apresenta folgas distintas tanto nas laterais como nas pontas dos dentes, resultando num "efeito poligonal" mais pronunciado em comparação com correias de distribuição com perfil de dente curvilíneo.

Conforme ilustrado nas figuras acima, o perfil do dente da correia de distribuição MXL é menor que o perfil da ranhura da polia. A soma teórica das folgas em ambos os lados do dente da correia é de aproximadamente 0,2 mm, o que significa que a folga corresponde a cerca de 18% da largura do dente. Além disso, a altura do dente, de 0,51 mm, é menor que a profundidade correspondente da ranhura, de 0,64 mm. Quando a correia de distribuição S2M engata com sua polia, as dimensões dos dentes da correia e das ranhuras da polia são quase idênticas, resultando em folga mínima. Teoricamente, a folga combinada em ambos os lados de um único dente da correia é de aproximadamente 0,08 mm — uma folga equivalente a cerca de 6% da largura do dente. Além disso, a altura do dente e a profundidade da ranhura coincidem perfeitamente em 0,76 mm, garantindo folga zero na direção vertical (altura do dente).

Com base nessa análise da folga de engate, fica evidente que, se a tensão aplicada à correia dentada for insuficiente — levando ao deslizamento entre a correia e a polia —, a precisão da transmissão será inevitavelmente prejudicada. Teoricamente, a precisão de transmissão de um sistema de correia dentada MXL é um pouco menor do que a de um sistema S2M. Do ponto de vista estritamente geométrico, o erro angular para uma correia MXL é de aproximadamente (onde Z2 é o número de dentes da polia acionada) 18% × 360°/Z2; inversamente, o erro angular para uma correia S2M é de aproximadamente 6% × 360°/Z2. No entanto, em aplicações práticas, a tensão da correia é frequentemente mantida em um nível relativamente alto — minimizando o deslizamento —, o que significa que a precisão real alcançada normalmente excede esses valores teóricos.

Com as correias de distribuição MXL, o contato ocorre exclusivamente entre as raízes dos dentes e as cristas das polias; isso leva a uma concentração de tensão relativamente severa, limitando assim a tensão máxima que a correia pode suportar. Em contraste, as correias de distribuição S2M fazem contato com a polia tanto nas pontas quanto nas raízes dos dentes, resultando em uma distribuição de força mais uniforme. Isso mitiga significativamente o "efeito poligonal". Além disso, o processo de engate — facilitado pelo perfil curvilíneo dos dentes da correia — é notavelmente mais suave; consequentemente, as correias S2M com esses dentes curvilíneos oferecem capacidade de carga superior e vida útil prolongada.

3. Testes empíricos

Para esta avaliação, foi selecionada uma câmera de vigilância PTZ (Pan-Tilt-Zoom) para avaliar a precisão de suas capacidades de posicionamento predefinidas. Dois sistemas de transmissão distintos foram testados: um utilizando dentes com perfil MXL e o outro utilizando dentes com perfil S2M. Ambos os sistemas empregaram modelos de motor idênticos; além das polias e correias de acionamento específicas, todos os outros componentes do conjunto permaneceram exatamente os mesmos. O sistema de transmissão da câmera opera por meio de dois eixos de rotação, conforme ilustrado na Figura 12. Especificamente, a lente da câmera é capaz de rotação contínua de 360° em torno do eixo Z, bem como rotação recíproca em um intervalo de 110° em torno do eixo Y; ambos os movimentos são acionados por correias dentadas. Para fins deste teste, focamos no mecanismo de rotação vertical, que apresenta uma relação de transmissão de 1:4 (composta por uma polia motora de 20 dentes e uma polia movida de 80 dentes). A correia MXL utilizada foi o modelo "180MXL" (com um comprimento de passo de 365,76 mm), enquanto a correia S2M utilizada foi o modelo "S2M364" (com um comprimento de passo de 364 mm). A lente da câmera foi posicionada a uma distância de 15,6 metros da escala de referência utilizada para a medição.

Uma posição predefinida é um método para vincular uma área-chave sob vigilância ao estado operacional de uma câmera PTZ. Sob controle manual ou programado, a câmera PTZ pode girar para qualquer posição angular, que pode então ser configurada e armazenada como uma posição predefinida. Recuperar uma posição predefinida é uma função padrão das câmeras de vigilância PTZ. Independentemente da direção para a qual a lente da câmera esteja apontando, uma vez que uma posição predefinida pré-configurada seja recuperada, a câmera girará rapidamente para esse local específico.

Figura 12: Esquema de teste para comparar a precisão de transmissões por correia de distribuição

Quando uma posição predefinida é recuperada via software, a câmera PTZ gira para a posição correspondente; no entanto, frequentemente ocorre um desvio da posição originalmente configurada. Além das influências do software e do motor, o principal fator que contribui para esse desvio é o erro de transmissão da correia dentro do mecanismo da câmera PTZ. Para eliminar as influências do software e do motor, os testes foram conduzidos utilizando uma única unidade de câmera PTZ equipada com o mesmo modelo de motor durante todo o processo. Apenas as polias e correias de sincronização foram trocadas; portanto, as polias e correias foram as únicas variáveis ​​no experimento. O desvio real medido durante esses testes serve como um indicador direto da precisão de transmissão em situações reais alcançada pelo sistema de correia de sincronização MXL em comparação com o sistema de correia de sincronização S2M.

Conforme indicado pelos dados de teste na Tabela 1, a correia de distribuição S2M demonstra uma precisão significativamente maior do que a correia de distribuição MXL sob condições operacionais idênticas. Quando a tensão da correia excede 25 N, o aumento adicional da tensão resulta apenas em melhorias marginais na precisão; acima de 30 N, o impacto do aumento da tensão na precisão torna-se ainda menos significativo. Notavelmente, a correia de distribuição S2M é capaz de atingir uma precisão de transmissão superior mesmo sob condições de tensão relativamente baixa. Além disso, observou-se que as características de amortecimento do sistema de movimento têm um impacto substancial na precisão da transmissão.

Tabela 1: Dados de teste sobre desvios ao recordar posições predefinidas (consulte os dados originais no artigo)

4. Dados do Teste de Resistência à Tração

Conforme ilustrado pelos dados fornecidos pela Bando Chemical Industries na figura abaixo: As correias sincronizadoras MXL e S2M são compostas de materiais de borracha e possuem a mesma espessura de base de 0,6 mm. Devido à sua composição idêntica, suas resistências à tração (denominadas "resistência à ruptura" nos desenhos técnicos) são essencialmente equivalentes. (Observação: Os valores de espessura da correia mostrados nos diagramas incluem a altura dos dentes; especificamente, embora as correias MXL e S2M tenham uma espessura de base de 0,6 mm, a espessura total — incluindo os dentes — é de 1,1 mm para a correia MXL e 1,31 mm para a correia S2M.)

• Figura 13: Materiais e estrutura da correia de distribuição MXL

• Figura 14: Materiais e estrutura da correia de distribuição S2M

5. Resumo e Discussão

Em resumo, a correia de distribuição S2M com dentes curvilíneos supera a correia de distribuição MXL com dentes trapezoidais em termos de precisão de transmissão; esta é uma grande vantagem das correias com dentes curvilíneos. Os requisitos de instalação para correias com dentes curvilíneos são semelhantes aos das correias com dentes trapezoidais; no entanto, elas oferecem uma vida útil mais longa e acomodam uma gama maior de ajustes de tensão. Do ponto de vista de custo — embora o peso por unidade de largura da correia de distribuição S2M seja ligeiramente maior, e o custo para uma largura equivalente possa ser marginalmente superior (aproximadamente 1,18:1) — ela pode ser fabricada com um perfil mais estreito. Consequentemente, o custo real não é necessariamente maior do que o da correia de distribuição MXL; na verdade, muitas vezes pode ser menor, oferecendo vantagens distintas em termos de redução do volume total do sistema de transmissão. Com base em cálculos de capacidade de transmissão, uma correia de distribuição S2M de 4 mm de largura pode substituir efetivamente a grande maioria das correias de distribuição MXL de 6,4 mm de largura, reduzindo potencialmente os custos reais em mais de 25%.

Embora a China já tenha estabelecido normas nacionais para correias dentadas curvilíneas da série HTD, sua adoção ainda é relativamente incomum; além disso, há uma notável falta de normas estabelecidas para correias sincronizadoras curvilíneas de micro e pequena escala (especificamente aquelas menores que a série 3M).

O design curvilíneo dos dentes evoluiu ainda mais para a série RPP, apresentando um perfil de dente parabólico com topo côncavo que gera níveis de ruído ainda mais baixos, conforme ilustrado na Figura 15.

Figura 15: Perfil de dente parabólico côncavo RPP

6. Conclusão

As correias com dentes trapezoidais têm uma longa história de aplicação na China e continuam sendo as mais utilizadas. No entanto, a superioridade inerente das correias com dentes curvilíneos é inegável. Portanto, políticas devem ser implementadas vigorosamente para promover e apoiar a adoção de correias com dentes curvilíneos como substitutas das correias com dentes trapezoidais — particularmente no setor de pequena escala — a fim de acelerar a formulação de normas relevantes e facilitar a modernização e o aprimoramento industrial do setor manufatureiro nacional.