Cremalheira e Pinhão -Kalatec Automação
1. O que é uma cremalheira?
O sistema de CREMALHEIRA é um elemento de maquinas simples composto de apenas dois elementos, ou melhor 2 engrenagens de mesmo passo circular e mesmo modulo: uma barra dentada plana (de raio infinito) chamada de cremalheira e um "pinhão" cilíndrico (dentes retos ou helicoidais), é com ele que transformamos movimentos rotativos do pinhão em movimentos lineares da cremalheira e vice-versa. A origem desse mecanismo provavelmente remonta dos tempos das estradas de ferro, que teve em sua simplicidade e robustez o fator determinante.
Na maioria das aplicações de Automação Industrial, a Kalatec recomenda que o pistão fique estacionário e mancalizado, sendo o elemento motor, e que a cremalheira fique móvel e guiada por meio de guias lineares de precisão, sendo o elemento conduzido.
Um bom exemplo prático são os portões residenciais, aonde um motor AC aloja um pinhão de dentes retos e esse por sua vez báscula na horizontal o portão, preso a cremalheira, e que fica guiado em "canais" enterrados no piso da varanda. Outro bom exemplo pode ser encontrado nos carros, aonde o sistema de partida do veículo rotaciona uma cremalheira (Volante de Inercia) solidária ao motor do veículo para o start do veículo, ou mesmo nos deslocamentos das rodas dianteiras (Fig 3), aonde um pinhão solidário a coluna de direção do carro desloca uma cremalheira que movimenta as rodas.
2. Pinhão e Cremalheira na automação
Esse elemento de maquinas foi deixado de lado na automação por vários anos, mas com a melhoria nas técnicas de usinagem, esse tipo de transmissão voltou a ser utilizado e competindo direto com o fuso de esferas em aplicações de velocidade, devido também a sua robustez, durabilidade e facilidade de aplicação.
As retificas de precisão permitiram montagens com tolerâncias mais apertadas e tratamentos de superfície lhes deram mais vida, conseguindo elevá-los a categorias de "elemento de precisão" como dos Fusos de esferas ou Motor linear, chegando a suplanta-los em aplicações aonde cursos elevados ou aonde rápidas acelerações são necessárias. A KALATEC conta com vasto estoque do produto, assim como as Guias lineares, Motores de passo ou Servo motores, que são componentes imprescindíveis no projeto geral.
Referente a precisão os cortes a laser chegam a dar 0,0012mm de erro acumulativo em 500 mm da cremalheira, o que corresponderia algo entre o C3 e o C5 para o fuso de esferas, lembrando que o C3 de 8 micrometro/300mm, é a precisão usada nas maquinas ferramenta de hoje em dia, ressaltando que isso é uma exceção à regra das cremalheiras que para aplicações de precisão trabalham com 0,002mm/500mm de curso. Vale aqui lembrar que o sistema cremalheira – pinhão leva vantagem sobre os fusos de esferas, por acelerarem mais rapidamente além de não ter restrição de comprimento. O material mais utilizado é o SAE 1045, sem tratamento nos dentes, mas ela pode ser fabricada com materiais mais nobres e passiveis de tratamentos superficiais como Tempera e Cementação (chegando a durezas de 56/58RC), ou utilizando aço inoxidável 304 ou 316 para aplicações dedicadas.
Basicamente temos dois tipos de cremalheira, a de dentes retos (ou inclinados) cobrindo quase 90% das aplicações por sua simplicidade e baixo custo, e a com dentes helicoidais utilizada em operações mais silenciosas nas velocidades altas e para movimentação de cargas mais elevadas, nesse grupo consegue-se precisão maior devido a característica de contato entre dentes mais constante e acabamento dos dentes mais esmerado (usinagem é um processo primordial).
Uma maneira de eliminar as folgas do sistema é utilizarmos a pré-carga (similar aos fusos de esferas) com dois pinhões (mestre e escravo) trabalhando contrapostos.
3. Como lubrificar cremalheiras?
A lubrificação é um fator importante para a vida do sistema, as lubrificações forçadas automáticas são uma boa escolha, principalmente em altas velocidades. A utilização de um pinhão adicional com furos de lubrificação e revestido com um feltro é um método eficiente de lubrificar sem esborrifar o óleo para todo o sistema.
4. Como especificar a cremalheira certa no seu projeto?
A aplicação das cremalheiras podem ser: Vertical ou Horizontal, as forças encontradas (Vertical ou Horizontal) devem ser acrescidos os Fatores de Segurança, que variam de 1,5 a 3, de acordo com a severidade da aplicação, mas via de regra para aplicações corriqueiras utilizamos o fator 2 (cargas uniformes, trabalhos até 10 horas de duração). Para aplicações dispares usar fator 3. Deixe a KALATEC calcular o melhor produto para seu novo projeto ou reposição.
Na aplicação HORIZONTAL:
Na Horizontal: Fhr-Fat = m.a Fhr – mi.N = m.a aonde N=m.g, então Fhr = mi.mg+ma
Fhr= m(mi.g+a) aond mi = coeficiente de atrito entre os materiais (aço/aço), Fh = 1,47+a
Na aplicação VERTICAL:
Fvr-W = m.a Fvr = m.g+m.a Fvr = m(g+a) Fvr = m(9,8 + a)
Com as forças Horizontais e Verticais em mãos, definir o melhor modulo indicado para a aplicação usando o ábaco ou a tabela abaixo:
Outra maneira pratica é a utilização da tabela do fabricante Atlanta , aonde pelo diâmetro do pinhão, calculamos a força máxima transmitida. Observe cargas menores implicam em Módulos menores.
Fonte : www.atlantadrives.com
Essa tabela é ilustrativa e se estende para esforços maiores, favor nos contatar.
Agora vamos abordar os parâmetros do torque dinâmico de aceleração, trabalhando com a Inercia Equivalente. O torque total será a soma do torque estático de atrito somado ao torque dinâmico de aceleração.
A velocidade do sistema é ditada pela dimensão desse pinhão: V = Pi x Diam. Primitivo x RPM, ver abaixo algumas das nomenclaturas mais comuns do produto:
INERCIA EQUIVALENTE = INERCIA DO PINHÃO (IP) + (MASSA DA CREMALHEIRA + MASSA DO SISTEMA TOTAL) X RAIO DA ENGRENAGEM EXP2
T = INERCIA EQUIVALENTE X ACELERAÇÃO ANGULAR
IP = (PI X 0,05EXP2/4X0,05XDEXP2/R) X 7850 = 0,00049KGMEXP2
INERCIA EQUIVALENTE = IP + (100) X 0,025EXP2
IE = 0,06KGMEXP2
T= IE X ACEL. ANGULAR (em rad/s exp2)
5. Dicas de Montagem para cremalheiras.
Observe que na montagem certos detalhes devem ser observados, como por exemplo a distância ente o centro do pinhão e o diâmetro primitivo da cremalheira, seguem os dados.
Tabela 1: Escolha da distância entre eixo e base da cremalheira
Fonte: Catálogo da Koom
A montagem de uma cremalheira deve ser acompanhada pelas guias lineares que apresentam baixo coeficiente de atrito e alto rendimento, economizando no projeto na sua parte mais custosa que são os acionamentos e geralmente servo motor ou motor de passo.
A KALATEC poderá avaliar todas essas variáveis e sugerir ao cliente a melhor solução para sua aplicação. Consulte-nos, estamos no mercado há mais de 30 anos para servi-lo.