Acionamentos Cicloidais Explicados: Projete, Imprima 3D e Teste seu Próprio Sistema de Engrenagens de Alta Redução

Neste tutorial, aprenderemos o que é um acionamento cicloidal, como funciona, explicaremos como projetar nosso próprio modelo e imprimi-lo em 3D para que possamos vê-lo na vida real e entender melhor como funciona.

Você pode assistir ao vídeo a seguir ou ler o tutorial escrito abaixo.

O que é Acionamento Cicloidal?

Um acionamento cicloidal é um tipo único de redutor de velocidade que fornece taxas de redução muito altas com design compacto, mas robusto. Comparado a acionamentos de engrenagens convencionais, como engrenagens retas e planetárias, ele pode atingir taxas de redução até 10 vezes maiores no mesmo espaço ou estágio. Além disso, apresenta folga virtualmente zero, maior capacidade de carga, rigidez e alta eficiência de até 90%. Estas propriedades tornam os acionamentos cicloidais adequados para muitas aplicações onde precisão de posicionamento e desempenho são importantes, como robótica, máquinas-ferramenta, equipamentos de fabricação e assim por diante.

Vamos dar uma olhada agora no que há dentro e como funciona um acionamento cicloidal. Um acionamento cicloidal é composto por cinco componentes principais: um eixo de entrada de alta velocidade, um mancal excêntrico ou came cicloidal, dois discos cicloidais ou seguidores de came, uma engrenagem anel com pinos e roletes, e um eixo de saída de baixa velocidade com pinos e roletes.

O eixo de entrada aciona o mancal excêntrico, e o mancal excêntrico aciona os discos cicloidais ao redor da circunferência interna da carcaça da engrenagem anel. O movimento excêntrico faz com que os dentes ou lóbulos do disco cicloidal se engajem com os roletes da carcaça da engrenagem anel de uma forma que produzem rotação reversa em velocidade reduzida.

Podemos dar uma olhada mais de perto aqui e ver que o mancal excêntrico está realmente empurrando o disco cicloidal contra os roletes da engrenagem anel.

Devido ao formato único do disco e sua posição relativa aos roletes da engrenagem anel, podemos ver que, à medida que o mancal excêntrico progride, os lóbulos do disco na frente da rotação não conseguirão passar ou pular o próximo rolete da engrenagem anel, mas, em vez disso, escorregarão ou rolarão para trás. Este comportamento é o que realmente causa a rotação reversa dos discos.

Em geral, há um lóbulo cicloidal a menos no disco em comparação com o número de pinos na carcaça da engrenagem anel. Isso faz com que, para uma rotação completa do mancal excêntrico, o disco cicloidal se mova apenas uma distância de um lóbulo. A partir disso, podemos ver que a taxa de redução depende exclusivamente do número de pinos da engrenagem anel.

Por exemplo, aqui temos 12 pinos na engrenagem anel, o que significa 11 lóbulos no disco cicloidal, e isso é uma taxa de 11:1, ou 11 vezes velocidade de saída mais lenta. O tamanho dos discos, os roletes da engrenagem anel ou o mancal excêntrico não afetam a taxa de redução.

A rotação reduzida é transmitida aos pinos do eixo de saída através dos furos nos discos cicloidais.

Existem dois discos cicloidais, colocados a 180 graus fora de fase, a fim de compensar as forças de desequilíbrio causadas pelo movimento excêntrico e fornecer operação mais suave em velocidades mais altas.

O nome "Acionamento Cicloidal" vem do perfil do disco que, por sua vez, vem de uma cicloide, mas mais sobre isso na próxima seção do vídeo, onde projetaremos nosso próprio acionamento cicloidal.

Como Projetar um Acionamento Cicloidal

Então, agora que sabemos como funciona um acionamento cicloidal, podemos prosseguir com o projeto do nosso próprio modelo, que poderemos imprimir em 3D. Se tentarmos imprimir este exemplo de demonstração em 3D, pode funcionar, mas falharia rapidamente, pois o material de impressão 3D não é forte o suficiente para suportar as forças e atrito que aparecem na caixa de engrenagens.

As partes críticas são os roletes que geralmente são buchas, o que é uma ótima opção se os materiais forem metálicos, mas com material PLA teremos que usar mancais de esferas em vez disso.

Tendo isso em mente, aqui está o acionamento cicloidal que projetei e que usa mancais de esferas para os roletes.

Ao projetar um acionamento cicloidal, existem quatro parâmetros principais de entrada que definem seu tamanho e formato dos discos cicloidais: o raio da engrenagem anel, o raio de seus roletes, o número destes roletes e a excentricidade.

Modelo 3D DIY de Acionamento Cicloidal

Aqui está o acionamento cicloidal que projetei usando SOLIDWORKS e que usa mancais de esferas para os roletes.

Neste ponto, deixe-me dar um reconhecimento ao SOLIDWORKS por patrocinar este projeto. Você já ouviu falar do 3DEXPERIENCE World; um evento anual organizado pelo SOLIDWORKS?

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No entanto, você pode encontrar e baixar este modelo 3D como arquivo STEP, bem como explorá-lo no seu navegador no Thangs:

Você pode baixar o arquivo .STEP do modelo 3D no Thangs.

Obrigado Thangs por apoiar este tutorial.

Quanto aos arquivos STL usados para impressão 3D das peças, você pode baixá-los aqui:

Projeto Relacionado

O que é Engrenagem de Onda de Deformação também conhecida como Harmonic Drive? Um Conjunto de Engrenagens Perfeito para Aplicações de Robótica!?

Projetando

A primeira coisa que defini foi que eu queria uma taxa de redução de 15:1 para esta caixa de engrenagens, o que significava que eu precisava de 16 roletes da engrenagem anel. Então, desenhei um esboço no SOLIDWORKS com 16 roletes ao redor de um círculo.

Então, escolhi usar mancais para os roletes com 13mm de diâmetro externo. Agora, de acordo com esses dois parâmetros, pude definir qual deveria ser o diâmetro de passo da engrenagem anel. Defini em 90mm. O valor de excentricidade deve ser menor que metade do diâmetro do rolete, e escolhi um valor de 1.5mm.

Agora que temos os quatro parâmetros principais de entrada, podemos desenhar a forma ou o perfil do disco cicloidal. Como mencionei, o perfil do disco vem de uma Cicloide, que é uma curva traçada por um ponto em um círculo enquanto ele rola ao longo de uma linha reta sem escorregar, ou sua variação, uma Epicicloide, que é traçada ao rolar na circunferência de um círculo.

Existe outra variação chamada Epitrocoide, onde o ponto de rastreamento está a uma distância do centro do círculo exterior e é nisso que o perfil do disco cicloidal é realmente baseado.

Para desenhar tal curva, podemos usar estas equações paramétricas aqui, mas existem também outros parâmetros a incluir nelas, como o diâmetro do rolete e a excentricidade. Isso complica um pouco as coisas, mas, felizmente, havia um ótimo documento escrito por Omar Younis para o blog SOLIDWORKS Education, onde ele combina todos esses parâmetros em equações paramétricas X e Y únicas.

Aqui estão as equações:

 N - Número de roletes
 Rr - Raio do rolete
 R - Raio do PCD (Diâmetro do Círculo de Passo) dos roletes
 E - Excentricidade - deslocamento do eixo de entrada para um disco cicloidal
 x = (R*cos(t))-(Rr*cos(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))-(E*cos(N*t))
 y = (-R*sin(t))+(Rr*sin(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))+(E*sin(N*t))
 ===================
 Valores para este Acionamento Cicloidal DIY:
 N = 16
 Rr = 6.5
 R = 45
 E = 1.5
 x = (45*cos(t))-(6.5*cos(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))-(1.5*cos(16*t))
 y = (-45*sin(t))+(6.5*sin(t+arctan(sin((1-16)*t)/((45/(1.5*16))-cos((1-16)*t)))))+(1.5*sin(16*t))

Agora, para gerar o perfil, podemos simplesmente usar a ferramenta Curva Dirigida por Equações do SOLIDWORKS, inserir as duas equações apropriadamente e isso gerará o perfil do disco cicloidal. Claro, para os parâmetros de entrada, devemos inserir nossos valores.

Observe também que a curva não será gerada se os parâmetros "t" forem de 0 a 2*pi ou 360 graus. Então, precisamos definir o parâmetro t2 um pouco aquém de 2*pi e, então, gerar a curva com uma pequena lacuna que podemos conectar usando um spline simples.

Agora que temos os parâmetros principais do nosso acionamento cicloidal definidos, o resto é apenas encontrar soluções técnicas para como tudo será conectado. Novamente, considerando que estamos usando material de impressão 3D não tão forte, projetei os eixos dos roletes para serem suportados em ambos os lados, bem como o eixo de entrada e o eixo de saída.

O eixo de entrada é feito de várias seções e suportado com dois mancais dentro do eixo de saída. O eixo de saída também é suportado com dois mancais dentro da carcaça.

Então, para recapitular o funcionamento desta caixa de engrenagens, a entrada do motor é transmitida ao eixo de entrada excêntrico que aciona os discos cicloidais ao redor da engrenagem anel.

O movimento reverso produzido é transmitido ao eixo de saída através dos roletes do eixo de saída. E pronto, agora vamos imprimi-lo em 3D e ver como funciona na vida real.

Impressão 3D

Ao imprimir as peças em 3D, é importante usar o recurso Expansão Horizontal de Furos no seu software de fatiamento.

Geralmente, os furos de peças impressas em 3D saem menores que o tamanho original, então com este recurso podemos compensar isso e obter dimensões precisas, o que é muito importante para estas peças. Defini o meu para 0.07mm, e a Expansão Horizontal também pode compensar as dimensões externas das peças, para 0.02mm. Claro, você deve fazer algumas impressões de teste para ver quais valores darão os melhores resultados na sua impressora 3D.

Montando a Caixa de Engrenagens Cicloidal

Então, aqui estão todas as peças impressas em 3D, bem como os mancais e parafusos necessários para montar o acionamento cicloidal.

Aqui está uma lista de todos os componentes necessários para montar este acionamento cicloidal:

• Mancal de esferas 6x13x5mm 686-2RS – x44
• Mancal de esferas 15x24x5 6802-2RS – x4
• Mancal de esferas 35x47x7 6807-2RS – x2 Amazon
• Haste de aço 6x35mm
• Insertos roscados
• Parafusos M3 e M4 da sua loja de ferragens local – incluirei uma lista completa de parafusos necessários para este projeto em poucos dias

Comecei inserindo os pinos da engrenagem anel na carcaça. Esses pinos acomodam os roletes da engrenagem anel ou mancais, mas têm apenas 6mm de diâmetro. Não tinha certeza se eram fortes o suficiente para não quebrar sob a carga do disco cicloidal.

Por isso, os fiz ocos e inseri neles hastes metálicas de 3mm que eu tinha por aí. Dessa forma, os pinos serão fortes o suficiente com certeza. Claro, existem soluções mais inteligentes para isso. Por exemplo, poderíamos usar parafusos M6, mas o que não gosto neles é que os parafusos M6 são ligeiramente menores que 6mm, então o mancal balançaria. O ideal aqui seria usar hastes de 6mm adequadas, que na verdade são facilmente disponíveis para compra mesmo com este tamanho particular de 35mm.

Uma vez que colocamos todos os pinos no lugar, podemos inserir os mancais nesta ordem: um anel de distância de 7mm, um mancal, depois anel de distância de 3mm, um mancal e outro anel de distância de 7mm.

O acionamento cicloidal agora deve caber nesta engrenagem anel que criamos, e se tentarmos mover e rotacionar o disco com um movimento excêntrico, empurrando para os lados enquanto rotacionamos, o disco deve começar a rotacionar reversamente.

Em seguida, podemos montar o eixo de entrada que é feito de quatro seções. Em cada seção, precisamos colocar um mancal e alguns anéis de distância, e, por causa da excentricidade, não conseguiríamos fazer isso a menos que o eixo fosse feito em seções.

Para conectar as seções juntas, estou usando dois parafusos M3 que passam por todas elas. Podemos notar aqui que os furos para estes parafusos M3 são feitos ligeiramente menores que os parafusos M3 para que o parafuso faça uma rosca neles e tenha um ajuste mais apertado.

Aqui está como o eixo deve ficar quando montado, mas na verdade tive que inserir os discos cicloidais também, pois agora não conseguia fazer isso. Então, desmontei e montei novamente com o disco inserido também.

Continuei com a montagem do eixo de saída. Aqui precisamos instalar os roletes de saída ou mancais, e fazemos isso de forma semelhante à mostrada para os roletes da engrenagem anel. Um pino de 6mm, com mancais de 13mm e alguns anéis de distância inseridos através de alguns parafusos M3 de 20mm de comprimento.

Ao inserir estes roletes de saída através das aberturas do disco cicloidal, é importante posicionar os dois discos relativos um ao outro a 180 graus fora de fase. Para ajudar com isso, fiz pequenos furos em ambos os discos a 180 graus fora de fase, então aqui apenas temos que combiná-los e estamos prontos para inserir os roletes.

Observe que este é um ajuste um pouco apertado, mas se as dimensões dos furos forem precisas, conseguiremos fazer o ajuste.

Agora podemos fixar estes pinos na outra flange do outro lado, mas para esse propósito primeiro precisamos instalar alguns insertos roscados na flange. Estou usando estes insertos roscados para que toda a montagem seja mais compacta.

Então, uma vez que o eixo de entrada e o eixo de saída estão montados juntos, podemos instalar toda esta montagem na carcaça através de um mancal com 47mm de diâmetro externo.

Então, podemos instalar mais um mancal assim na frente do eixo, e inserir a tampa da carcaça no lugar. Este também é um ajuste apertado, pois todos os 16 pinos devem caber em seus slots na tampa da carcaça, então temos que usar um pouco de força para inseri-lo.

No lado traseiro da carcaça, instalei alguns insertos roscados M4, e então fixei a tampa e a carcaça juntas com alguns parafusos M4 de 40mm.

E pronto! Se é justo dizer, apenas dê uma olhada nesta beleza. Eu realmente gosto de como esta caixa de engrenagens cicloidal ficou, design limpo com nada saindo dela.

Testando o Acionamento Cicloidal

No entanto, agora vamos conectar um motor a ele e ver como funcionará. No lado traseiro do eixo de entrada, instalei mais alguns insertos roscados para que possamos conectar facilmente vários acopladores de eixo.

Para testar a caixa de engrenagens, usarei um motor de passo NEMA 17, então fixei um acoplador de eixo impresso em 3D adequado ao eixo de entrada. Fixei o motor de passo a um suporte de montagem impresso em 3D e inseri o eixo do motor no acoplador e fixei o suporte de montagem à carcaça.

Uma última coisa é instalar alguns insertos roscados na frente do eixo de saída para que possamos conectar coisas a ele. Aqui está a aparência final deste acionamento cicloidal, em combinação com um motor de passo NEMA 17, mas, claro, podemos usar qualquer outro tipo de motor aqui.

E lá está. Para ser honesto, fiquei realmente surpreso com quão suave a saída desta caixa de engrenagens ficou. Da frente, podemos ver tanto o eixo de entrada quanto o de saída rotacionando ao mesmo tempo, em direções opostas e com diferença de velocidade de 15:1.

Também consegui rodar a caixa de engrenagens sem a tampa frontal, e assim podemos ver tudo explicado anteriormente em ação.

O movimento é simplesmente hipnotizante.

No final, fiz alguns testes para verificar o desempenho da caixa de engrenagens. Uma coisa a notar aqui é que este acionamento cicloidal também é reversível, o que pode ser uma boa característica para algumas aplicações.

Então, aqui estou medindo a força que esta caixa de engrenagens pode produzir a uma distância de 10cm. Obtive uma leitura de cerca de 26N, que traduzida em torque é cerca de 260 Ncm, e este motor de passo NEMA 17 que tem apenas 34mm de comprimento é classificado em 26 Ncm.

Isso significa que obtivemos um aumento de torque de cerca de 10 vezes com o acionamento cicloidal. Isso é uma eficiência de cerca de 66%, considerando que a taxa de redução é 15:1 e em condições ideais deveríamos ter obtido 15 vezes aumento de torque. No entanto, ainda é um ótimo resultado considerando que tudo é impresso em 3D com uma impressora 3D econômica e as peças não têm a precisão que obteríamos com impressoras profissionais ou máquinas CNC no caso de uma caixa de engrenagens totalmente metálica.

Também fiz alguns testes de precisão, que também mostraram bons resultados.

Definitivamente usaria este tipo de caixa de engrenagens em vídeos futuros ao fazer alguns projetos robóticos.

Espero que você tenha gostado deste vídeo e aprendido algo novo. Se tiver alguma dúvida, sinta-se à vontade para perguntar na seção de comentários abaixo.