Cremalheira Helicoidal para Sistemas de Movimento Linear Precisos

Existem muitos tipos de cremalheiras em estoque. Se a aplicação exigir um comprimento longo que requeira várias cremalheiras conectadas em série, dispomos de cremalheiras com faces dentadas configuradas corretamente, denominadas "cremalheiras de extremidade usinada".

Há aplicações em que a cremalheira helicoidal permanece estacionária enquanto o pinhão se move, e outras em que o pinhão gira em torno de um eixo fixo enquanto a cremalheira se move. A primeira é amplamente usada em sistemas de transporte, enquanto a segunda pode ser empregada em sistemas de extrusão e aplicações de elevação/rebaixamento.

Como elemento mecânico para converter movimento rotativo em linear, as cremalheiras são frequentemente comparadas a fusos de esferas. Há prós e contras. As vantagens da cremalheira incluem sua simplicidade mecânica, grande capacidade de carga, nenhum limite de comprimento, etc. Uma desvantagem é o folga (backlash). A vantagem do fuso de esferas é a alta precisão e menor folga, enquanto suas limitações incluem o limite de comprimento devido à deflexão.

Tipos de Cremalheira

Engrenagens de cremalheira e pinhão estão disponíveis em duas variações:

Dentes retos têm o eixo do dente paralelo ao eixo de rotação. Dentes retos paralelos ao eixo da engrenagem. Engrenagens de dentes helicoidais proporcionam engate contínuo ao longo do comprimento do dente e são geralmente mais silenciosas e eficientes que as de dentes retos, além de oferecerem maior capacidade de carga para a mesma largura de cremalheira. Engrenagens de dentes helicoidais assemelham-se a engrenagens cilíndricas no plano de rotação, mas incluem dentes torcidos ao longo de um caminho helicoidal na direção axial.

Aplicações

Acionamentos por cremalheira e pinhão helicoidais são ideais para uma ampla gama de aplicações, incluindo eixos que exigem posicionamento preciso e repetibilidade, portões deslizantes e colunas, robôs pick & place, roteadores CNC e sistemas de manuseio de materiais. Esses acionamentos também lidam facilmente com cargas pesadas e ciclos de trabalho intensos. Setores atendidos incluem manuseio de materiais, automação, automotivo, aeroespacial, ferramentas de máquina e robótica.

O movimento linear é necessário para o deslocamento de máquinas; transporta ferramentas e produtos de forma eficiente e controlada. Geradores de movimento linear são geralmente classificados segundo velocidade e aceleração axial, forças axiais contra volume estrutural, durabilidade, rigidez e precisão de posicionamento.

Dois sistemas lineares populares são motores lineares e acionamentos por fuso. Acionamentos por cremalheira e pinhão são frequentemente desprezados como tecnologia de geração anterior com precisão de posicionamento limitada. No entanto, essa premissa é inválida.

Superfícies de montagem usinadas com precisão e tolerâncias apertadas, tratamento de superfície resistente ao desgaste, dentes de engrenagem desrebarbados individualmente e designs compactos e leves aumentam a produtividade. De fato, acionamentos por cremalheira e pinhão comparam-se favoravelmente a motores lineares e fusos de esferas com fuso ou rosca terra.

Os novos sistemas de cremalheira e pinhão de última geração oferecem alta dinâmica e distâncias de percurso ilimitadas. Alguns incluem engrenagens servo premium e atuadores com folga inferior a 1 arcmin, eficiência de até 98,5% e dimensões muito mais compactas que combinações padrão de servo e redutor. Alguns conjuntos pré-montados operam com precisão de até 10 µm, garantindo segurança e movimento suave.

Aplicações típicas de cremalheira e pinhão incluem pórticos, máquinas de transporte e embalagem, variando de alguns quilos a várias toneladas. A nova geração de conjuntos de cremalheira também é usada em máquinas para madeira, máquinas de corte de metal de alta velocidade e máquinas de montagem.

Geometria e Detalhes de Superfície

O desempenho da cremalheira melhorou com o progresso tecnológico geral. Por exemplo, usinagem e retífica de última geração aumentaram muito a precisão do mecanismo de cremalheira e pinhão.

Mais especificamente, alguns componentes de cremalheira de alta qualidade são gravados a laser com erro de passo cumulativo de ±12 µm em um comprimento de 500 mm, permitindo seleção manual da precisão alvo. Isso é útil para alinhamento paralelo de componentes de cremalheira em aplicações de pórtico de duplo acionamento. Esse nível de precisão permite que vários tipos de máquinas operem sem dispositivos de feedback externo; outros sistemas lineares exigem dispositivos de feedback externos caros para comutação e posicionamento.

Cremalheira helicoidal com ângulo de hélice otimizado é preferida para operação mais silenciosa em altas velocidades e maiores capacidades de carga devido à maior razão de contato do dente. O erro de um passo entre dentes helicoidais pode chegar a 3 µm. Um deslocamento de perfil do pinhão ou modificação do addendum evita o recorte; também equilibra tensões de flexão, para maior capacidade de carga. O engate helicoidal é suave e silencioso — o que ajuda a melhorar o acabamento superficial, por exemplo, na usinagem de peças com tolerâncias apertadas.

Integração Cremalheira-Pinhão

Existem muitas opções para montagem de kits de cremalheira. Algumas usam superfícies de montagem especiais para garantir precisão, enquanto outras oferecem desempenho adequado mesmo com instalação básica. A flexibilidade natural do design pode ser usada para melhor controle: ao contrário de motores lineares de acionamento direto, conjuntos de cremalheira permitem ajustar tamanho do pinhão, engrenagens e amortecimento — para estabilizar o controle de malha fechada.

Há armadilhas: espaçamento excessivo entre pinhão e cremalheira causa folga, reduzindo a precisão. Uma montagem danificada ou desalinhada também pode danificar os rolamentos do redutor — causando maior consumo de corrente do motor, ruído e até falha. Para melhor desempenho, o pinhão deve ser suficientemente espaçado da cremalheira, montado plano e perpendicular à engrenagem com precisão de cerca de 25 µm para muitas aplicações.

Avanços em engrenagens de cremalheira e pinhão e a queda no preço de servomotores fazem com que estes sejam tipicamente acoplados a sistemas de cremalheira. Motores de passo são uma opção viável, mas servomotores são preferidos por sua precisão.

Pré-carga

Às vezes, conjuntos de engrenagens são pré-carregados para eliminar folga e aumentar a rigidez. Aqui, dois pinhões operam na mesma cremalheira. O pinhão principal aciona o mecanismo como na configuração normal; enquanto isso, o pinhão auxiliar gera torque para aplicar força contrária aos dentes com os quais está em contato. Assim, a inércia e a resistência impedem a folga, mesmo durante mudanças de carga; a rigidez do sistema também aumenta e melhora a dinâmica de direção.

Se os componentes forem selecionados corretamente, não há deficiências significativas na pré-carga do sistema de cremalheira. Por outro lado, a pré-carga mecânica pode realmente reduzir a rigidez geral da máquina. Por exemplo, um pinhão de mola dividido reduziria a rigidez do sistema:

Note que, ao contrário de sistemas de pré-carga eletrônica mais sofisticados, esses pinhões de pré-carga tradicionais não podem trabalhar juntos; um sempre atua contra o outro, o que reduz ligeiramente a eficiência.

Em conjuntos de cremalheira mais sofisticados, a pré-carga eletrônica é mantida no máximo enquanto o sistema está parado. Pinhão principal e auxiliar — ambos ativamente acionados — pressionam os dentes das cremalheiras voltados em direções opostas. Então, à medida que a máquina acelera, o pinhão principal impulsiona a máquina para frente enquanto o pinhão secundário reduz a pré-carga da força oposta. Quando o sistema desacelera para velocidade constante, o engrenagem auxiliar entra em contato com o lado do dente correspondente ao acoplado ao pinhão principal; então ambos os engrenagens movem-se na mesma direção enquanto impedem a folga.

Finalmente, conforme o sistema desacelera, o pinhão auxiliar retorna a aplicar força no lado oposto do dente para ajudar a frear a carga.