Autor: Johnny Liu | CEO da Dowway Vehicle
Publicado em: 24 de junho de 2026
Tempo de leitura: Aproximadamente 8 minutos (1.820 palavras)
Público-alvo: Engenheiros Mecânicos, Analistas de CAE, Engenheiros Automotivos e Estudantes de Engenharia
Categoria: Engenharia Automotiva e Orientações para Simulação por Elementos Finitos (FEA)
Table of Contents
Experiência do autor
Sobre o autor
Johnny Liu é o CEO da Dowway Vehicle, fabricante de veículos comerciais e especiais. Com mais de 15 anos de experiência prática em engenharia mecânica, com foco em sistemas de propulsão veicular e testes de fábrica, Johnny integra simulações digitais por computador com a produção real no chão de fábrica.
“Construir protótipos físicos para transmissões dinâmicas por correia custa muito dinheiro e leva muito tempo. Os testes virtuais no ANSYS Mechanical nos ajudam a encontrar problemas de desgaste, alongamento da borracha e pontos de pico de tensão antes de cortarmos o aço.”
— Johnny Liu
Resumo executivo e breve visão geral da IA
Resumo: Principais Conclusões
- Tipo de análise: A Análise Estrutural Transitória no ANSYS Mechanical monitora a tensão dinâmica da correia e a rotação da polia em função do tempo.
- Parâmetros de configuração principais:
- Material da correia: Modelo elástico linear com módulo de Young E = 260 MPa, coeficiente de Poisson ν = 0,49 e densidade ρ = 2000 kg/m³ para testes rápidos; modelos hiperelásticos como Mooney-Rivlin ou Ogden para testes físicos precisos da borracha.
- Configurações de contato: Contato com atrito, com coeficiente de atrito de 0,2, pequeno deslizamento desativado e fator de rigidez normal de 0,1.
- Definições de juntas: A polia movida utiliza uma junta rotativa que permite apenas rotação. A polia motora utiliza uma junta plana ou rotativa que permite translação para tensionamento e rotação.
- Duas etapas de carregamento: A etapa 1 recua a polia em 50 mm para tensionar a correia, travando a rotação em 0°. A etapa 2 gira a polia motora em 360°, liberando o movimento na direção do tensionamento.
- Resultados do estresse: Durante o tensionamento, a tensão equivalente máxima atinge 21 MPa. O pico de tensão se concentra na borda externa da correia, próximo à polia motora, devido à combinação das forças de flexão e tração.
1. Introdução: Por que a simulação de transmissão por correia é importante
As transmissões por correia transmitem potência entre eixos em motores de automóveis, máquinas industriais e sistemas de refrigeração. Elas utilizam um anel flexível enrolado em polias para transferir movimento e torque.
As transmissões por correia funcionam silenciosamente e absorvem bem os impactos mecânicos. No entanto, elas levantam questões complexas de projeto para os engenheiros.
Calcinha elástica: Correias flexíveis esticam sob carga. Isso causa pequenas diferenças de velocidade entre as polias.
Contato não linear: O atrito entre a correia e a superfície da polia varia constantemente conforme a velocidade muda.
Estresse por fadiga: A flexão em torno de pequenas polias causa ciclos repetidos de tensão que podem eventualmente romper as correias.
Construir bancadas de teste físicas para cada projeto de correia é caro. Executar uma análise de elementos finitos (FEA) no ANSYS Mechanical ajuda os engenheiros a verificar o atrito, o alongamento da correia e a distribuição de tensão em poucas horas.
Este guia fornece um processo simples de cinco etapas para configurar, solucionar e avaliar um sistema de transmissão por correia usando Análise Estrutural Transitória.
2. Compreendendo a mecânica da transmissão por correia
Antes de selecionar as configurações do software, é útil revisar os princípios básicos da mecânica das transmissões por correia.
2.1 Tipos de transmissão por correia
Correias planas: Bandas planas simples usadas para acionamentos de alta velocidade e baixa potência.
Correias em V: Correias trapezoidais que se encaixam nas ranhuras das polias para criar uma aderência por fricção mais forte.
Correias de distribuição ou sincronizadoras: Correias dentadas que evitam o deslizamento e proporcionam uma sincronização precisa, como nos sistemas de comando de válvulas de motores.
Cintos redondos: Correias circulares utilizadas principalmente para transmissão de potência com baixo torque.
2.2 Principais Características e Limitações
| Recurso | Benefício da Engenharia | Possível desvantagem |
|---|---|---|
| Flexibilidade | Absorve impactos e vibrações do motor. | Alongamentos durante cargas pesadas |
| Distância | Conecta eixos amplamente separados com facilidade. | Requer mais espaço dentro das carcaças das máquinas. |
| Custo | Substituição barata durante a manutenção. | Perde mais energia do que engrenagens de aço de transmissão direta. |
| Segurança Antiderrapante | Deslizamento durante congestionamentos severos para proteger os motores | A elasticidade impede a correspondência exata de velocidade 1:1. |
3. Guia passo a passo para simulação de transmissão por correia no ANSYS
Siga este fluxo de trabalho de cinco etapas no ANSYS Mechanical para construir um modelo dinâmico de transmissão por correia.
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| ANSYS SIMULATION WORKFLOW |
| |
| [Step 1] System and Geometry --> [Step 2] Material Definition |
| | |
| [Step 4] Contacts and Joints <-- [Step 3] Meshing Strategy |
| | |
| v |
| [Step 5] Multi-Step Loads --> [Solve and Post-Processing] |
+--------------------------------------------------------------------+
Passo 1: Selecione o módulo de análise e importe o CAD.
Abra o ANSYS Workbench.
Encontrar Estrutural Transitório na Caixa de Ferramentas, no lado esquerdo da interface.
Arrastar Estrutural Transitório na janela do Esquema do Projeto.
Importe o arquivo CAD 3D para a célula A3 do campo Geometria.
Partes de Geometria
Polia do motor: Recebe a rotação e o torque de entrada do motor.
Polia acionada: Gira o eixo de saída através do atrito entre a polia e a correia.
Cinto flexível: Forma um circuito contínuo em torno de ambas as polias.
Etapa 2: Definir as propriedades do material
Propriedades corretas do material são necessárias para obter resultados realistas de alongamento da correia.
RUBBER BELT MATERIAL OPTIONS
+-------------------------------------------------------+
| Real-World Production: Hyperelastic Model |
| Mooney-Rivlin or Ogden formulations |
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| Quick Tutorial Model: Linear Elastic Model |
| Young’s Modulus, E: 260 MPa |
| Poisson’s Ratio, ν: 0.49 |
| Density, ρ: 2000 kg/m³ |
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Materiais para polias
Atribua aço estrutural padrão às polias motora e movida.
Utilize as seguintes propriedades elásticas lineares:
- Módulo de Young, E: 200 GPa
- Coeficiente de Poisson, ν: 0,3
As polias de aço são muito mais rígidas do que as correias de borracha, portanto sua deformação geralmente é insignificante nesse tipo de simulação.
Configuração do material da correia
Método de produção: Utilize um modelo de material hiperelástico, como o de Mooney-Rivlin ou o de Ogden, para representar o estiramento não linear da borracha sob cargas pesadas.
Método tutorial: Utilize um modelo elástico linear simples com as seguintes propriedades:
- Módulo de Young, E: 260 MPa
- Coeficiente de Poisson, ν: 0,49
- Densidade, ρ: 2000 kg/m³
Passo 3: Defina o tamanho da malha
Uma malha balanceada proporciona resultados de tensão estáveis sem gerar custos computacionais excessivos.
Rede Global: Mantenha as configurações padrão da malha global para a configuração inicial do modelo.
Malha facial: Aplique a ferramenta Face Meshing à face da correia e às faces da polia principal para criar padrões ordenados de elementos quadriláteros.
Tamanho do rosto: Aplique o dimensionamento de face nas faces dos anéis externos de ambas as polias. Defina o tamanho do elemento para 3 mm.
Por que usar um elemento de 3 mm?
Elementos de superfície pequenos produzem resultados de tensão de contato mais suaves e reduzem o risco de penetração geométrica entre as superfícies da correia e da polia durante a rotação.
Etapa 4: Defina as configurações de contato e articulação.
Definições de contato e juntas cinemáticas corretas permitem que a correia se tensione, deslize e gire naturalmente.
4.1 Configurações de contato
Defina contato por atrito entre a superfície interna da correia e as superfícies externas das polias.
Utilize as seguintes configurações:
- Tipo de contato: por fricção
- Coeficiente de atrito, μ: 0,2
- Pequeno Deslizante: Desativado
- Fator de rigidez normal: 0,1
Rotações amplas exigem que o recurso “Deslizamento Pequeno” seja desativado para que a correia possa se mover corretamente ao redor das superfícies da polia.
Um fator de rigidez normal de 0,1 reduz ligeiramente a rigidez de contato e pode ajudar os modelos de contato de borracha macia a convergirem de forma mais suave.
4.2 Configurações das juntas
Junta da polia acionada: Fixe a face cilíndrica interna da polia acionada ao solo usando uma junta rotativa. Isso impede a translação nas direções X, Y e Z, permitindo, ao mesmo tempo, a rotação em torno do eixo.
Junta da polia do motor: Fixe a face cilíndrica interna usando uma junta plana ou rotativa, ou uma junta deslizante apropriada entre o corpo e o solo. Essa junta deve permitir movimento linear na direção da tensão, além de permitir a rotação em torno do eixo.
Etapa 5: Configurar a análise de carga em várias etapas
Para representar uma configuração real de fábrica, o modelo utiliza duas etapas de carregamento.
Etapa 1 de carregamento: Tensionamento
A polia motora é afastada da polia movida para tensionar a correia.
Etapa de carregamento 2: Rotação
A polia motora gira enquanto a correia permanece tensionada.
TWO-STEP LOADING TIMELINE
0 s Step 1: Tension Step 2: Rotation End
|--------------------------|----------------------------------------|
Driver Pulley: Move −50 mm Driver Pulley: Rotate 360°
Driven Pulley: Rotation 0° Driven Pulley: Rotation Free
Etapa 1: Configurações: Tensionamento
Tempo: 0 s a 1 s
Carga na junta da polia motriz: Mova a polia motora para trás em −50 mm na direção do centro do eixo para tensionar a correia.
Rotação das polias motora e movida: Trave os dois ângulos de rotação da polia em 0°.
Etapa 2 Configurações: Rotação
Tempo: 1 s a 2 s
Carga na junta da polia motriz: Aplique uma rotação completa de 360°, equivalente a uma volta completa.
Libere a translação na direção da tensão ou mantenha o deslocamento final da tensão, dependendo da configuração física pretendida.
Rotação da polia acionada: Ajuste a rotação para Livre para que o atrito entre a correia e a polia possa girar a polia acionada naturalmente.
Configurações de subpassos para resolução mais rápida e estável.
Em Configurações de Análise, defina o intervalo de tempo usando subpassos.
- Subetapas iniciais: 100
- Número mínimo de subetapas: 10
- Número máximo de subpassos: 1000
Pequenos subdegraus ajudam a evitar que as superfícies de contato ricocheteiem, se separem abruptamente ou falhem durante movimentos repentinos.
4. Verifique os resultados da simulação
Após a conclusão da resolução, verifique o gráfico de convergência de Newton-Raphson para confirmar se a solução numérica convergiu suavemente.
Em seguida, avalie os resultados de tensão e deformação.
STRESS DISTRIBUTION ACROSS BELT DRIVE
+-------------------------------------------------------+
| Step 1: Tensioning |
| Maximum Stress: 21 MPa |
| The belt stretches evenly under a 50 mm pullback. |
+-------------------------------------------------------+
| Step 2: Rotation |
| Dynamic cyclic stress develops. |
| Stress peaks near the outer belt edge beside the |
| driver pulley, where bending and tension combine. |
+-------------------------------------------------------+
4.1 Resultados da Etapa de Tensionamento
Deformação: A correia estica-se uniformemente ao longo dos dois vãos retos à medida que a polia motora se move para trás 50 mm.
Tensão de von Mises equivalente: A tensão de tração se desenvolve suavemente ao longo dos vãos da correia sem suporte e atinge um valor máximo de 21 MPa.
4.2 Resultados da Fase de Rotação
Movimento dinâmico: O atrito transfere o torque da polia motora para a correia, que então gira a polia movida.
Zona de Alto Estresse: À medida que a correia se enrola na polia motora, as forças de tração direta combinam-se com as tensões de flexão na superfície externa da correia.
Principal conclusão: A tensão máxima permanece concentrada perto da borda externa da correia, no ponto em que ela entra em contato com a polia motora. Em correias de borracha, essa área pode ser especialmente suscetível a rachaduras ou fissuras durante o uso prolongado.
5. Armadilhas comuns na análise de elementos finitos e lista de verificação para solução de problemas
Pequenos erros de configuração podem causar falhas em modelos de contato dinâmicos. Use a lista de verificação a seguir para diagnosticar problemas comuns do solucionador.
| Erro comum | Causa física ou técnica | Correção recomendada no ANSYS Mechanical |
|---|---|---|
| Confusão de terminologia | As propriedades elásticas básicas são confundidas com modelos completos de materiais de borracha. | Utilize modelos hiperelásticos de Mooney-Rivlin ou Ogden para uma verificação realista da borracha. |
| Erros tipográficos | Termos incorretos como “Rede” são usados em vez de “Malha”. | Utilize a terminologia padrão de FEA (Análise de Elementos Finitos), incluindo Dimensionamento da Malha e Tamanho do Elemento. |
| O Solver trava | As superfícies de contato abrem e fecham repetidamente entre as etapas de carga. | Defina o Fator de Rigidez Normal para 0,1 e aumente o Intervalo Automático de Tempo para um máximo de 1000 subpassos. |
| Travamento ou distorção da correia | O deslizamento em pequena escala permanece ativado durante grandes rotações. | Defina “Deslizamento pequeno” como “Desativado” nas configurações de contato por fricção. |
6. Perguntas Frequentes
P1: Por que minha simulação de transmissão por correia não converge no ANSYS Mechanical?
Alterações repentinas no contato e rigidez inadequada do contato são causas comuns de falhas de convergência no ANSYS Mechanical.
Três ações corretivas práticas são:
- Desative o recurso “Deslizar pequeno” nas configurações de contato.
- Reduza o fator de rigidez normal para 0,1.
- Aumente o valor de Número Máximo de Subetapas para 1000 em Configurações de Análise.
Q2: Devo usar propriedades de material hiperelástico ou linear elástico para correias de borracha?
Utilize modelos de materiais hiperelásticos para a verificação física final e modelos elásticos lineares para testes dinâmicos rápidos.
Formulações hiperelásticas, como a de Mooney-Rivlin, representam com precisão grandes deformações não lineares da borracha. No entanto, um modelo elástico linear simplificado com E = 260 MPa, ν = 0,49 e ρ = 2000 kg/m³ pode reduzir o tempo computacional durante os testes iniciais de geometria e contato.
Q3: Como aplicar a tensão da correia no ANSYS Mechanical?
Aplique a tensão na correia em uma etapa de carga separada antes de iniciar a rotação da polia.
Na Etapa de Carregamento 1, mova uma polia para trás usando uma Carga Conjunta. Por exemplo, aplique um deslocamento de 50 mm enquanto mantém os ângulos de rotação de ambas as polias em 0°.
Na Etapa de Carregamento 2, aplique rotação à polia motora, mantendo o deslocamento de tensionamento final ou liberando a translação de acordo com o arranjo mecânico pretendido.
7. Conclusão e Próximos Passos
A simulação de transmissões por correia com Análise Estrutural Transitória no ANSYS Mechanical fornece informações úteis sobre a tensão máxima de operação, alongamento da correia, movimento dinâmico e comportamento de deslizamento.
Utilizar uma sequência de carregamento em duas etapas — tensionamento primeiro e rotação em seguida — ajuda a reproduzir condições operacionais realistas de chão de fábrica dentro de um modelo de simulação baseado em CAD.
Resumo da lista de verificação rápida
Selecione os materiais com cuidado: Utilize propriedades elásticas lineares, como E = 260 MPa, para testes preliminares e modelos de materiais hiperelásticos para a verificação final em nível de produção.
Refinar as malhas das polias: Aplique uma camada de 3 mm de material de dimensionamento de face nas superfícies de contato da polia.
Ajustar opções de contato: Desative o recurso “Deslizamento Pequeno” e defina o fator de rigidez normal para 0,1 para melhorar a estabilidade da solução.
Inspecione locais de alto estresse: Verifique a borda externa de entrada da correia perto da polia motora, onde as forças de flexão e tração podem se combinar para produzir valores de tensão de até 21 MPa.
Sobre a Dowway Vehicle Engineering
Na Dowway Vehicle, utilizamos modelagem computacional avançada por elementos finitos (FEA) em sistemas de transmissão de veículos, chassis e equipamentos pesados personalizados.
Tem dúvidas sobre a implementação da Análise de Elementos Finitos (FEA) ou sobre os sistemas de propulsão de veículos?
Entre em contato com Johnny Liu e a equipe de engenharia de veículos da Dowway para explorar opções de simulação personalizadas.
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