Critérios de seleção para servo-acionamentos

O que importa é a aplicação e as propriedades necessárias para determinar qual o tipo de acionamento correto. Os critérios de seleção e decisão são óbvios: o foco está na rigidez torsional.

Definição breve: o que significa servo-acionamento?

Inicialmente, é feita uma breve definição do termo: um servo-acionamento é um acoplamento utilizado em acionamentos que possuem um servomotor. A propriedade essencial e obrigatória de um servo-acionamento é a transmissão de binário sem folga, enquanto a rigidez torsional e o momento de inércia da massa também são importantes.

Propriedades exigidas de um servo-acionamento

Além da folga nula, a compensação do desalinhamento do veio é uma das caraterísticas exigidas a um servo-acionamento. Além disso é necessário um nível de precisão do posicionamento definido individualmente. A decisão sobre se o acoplamento deve ser torsionalmente rígido ou amortecer vibrações deve ser tomada a partir da aplicação detalhada. Em relação a isto, a questão sobre as caraterísticas de acoplamento necessárias, como dinâmica, binário, velocidade, entre outros, deve ser respondida.

Três tipos à escolha

A KTR tem três tipos diferentes de servo-acionamentos no seu portefólio: o acoplamento de mandíbula ROTEX GS, o acoplamento de lâminas de aço RADEX-NC e o acoplamento de fole metálico TOOLFLEX.

Acoplamento da mandíbula ROTEX GS	Acoplamento de lâminas de aço RADEX-NC	Acoplamento tipo fole metálico TOOLFLEX
TIPO
Acoplamento de mandíbula torcionalmente flexível, sem folga.	Acoplamento de lâminas de aço torcionalmente rígidas, sem folga.	Acoplamento tipo fole metálico torcionalmente rígido, sem folga.
SISTEMA
Amortecimento de vibração.	Torcionalmente rígido.	Torcionalmente rígido.
PROPRIEDADES
Rigidez torcional ajustável até sete tipos diferentes de dureza do elastómero, dependendo do tamanho.	Alta rigidez torcional.	Alta rigidez torcional.

ROTEX GS: acoplamento de mandíbula torcionalmente flexível

Os acoplamentos de maxilas torcionalmente flexíveis, e sem folga, como o ROTEX GS, são o padrão para muitos fabricantes de máquinas e instalações, por exemplo, na tecnologia de manuseamento e fabrico de máquinas-ferramentas. Entre os dois elementos de cubo em forma de mandíbula do acoplamento do eixo, existe uma aranha de elastómero pré-esforçada cuja elasticidade torcional é adaptada à aplicação através da seleção do material entre sete graus de dureza. E o elastómero tem um efeito isolante elétrico. O acoplamento é axialmente encaixável e pode ser facilmente montado e desmontado.

O tipo de acoplamento ROTEX GS é eficaz mesmo em aplicações sofisticadas, como acionamentos de posicionamento muito dinâmicos e acionamentos de fuso principal, por exemplo, para maquinação HSC. Inúmeros desenvolvimentos novos e posteriores confirmam a relevância deste tipo, cujas versões de acoplamento são continuamente adaptadas às exigências técnicas das instalações. Isto inclui, entre outras coisas:

• ROTEX GS HP para velocidades circunferenciais até 175 metros por segundo;
• ROTEX GS P ETP com sistema de fixação hidráulica integrado e também;
• a aranha preta em TPU de alto desempenho com uma extrema resistência à pressão com temperaturas até 120 °C.

RADEX-NC: acoplamento de lâminas de aço torcionalmente rígido

Com o acoplamento de pás de aço RADEX-NC, um pacote de pás de aço flexíveis na flexão garante a compensação do desalinhamento axial e angular do veio, com o tipo duplo cardânico a compensar também o deslocamento radial. Uma estratificação especial das lâminas otimizadas por MEF gera apenas baixas forças de restauração com deslocamentos do eixo, apesar da elevada rigidez torsional.

O RADEX-NC é torsionalmente rígido e carateriza-se por um baixo momento de inércia de massa em comparação com outros acoplamentos de pás de aço. Os cubos são concebidos como cubos de fixação com engate por fricção ou cubos de anel de fixação, permitindo assim uma folga nula mesmo na operação de reversão. Se solicitado, estão disponíveis tipos com rasgo de chaveta de pena.

TOOLFLEX: acoplamento tipo fole metálico torcionalmente rígido

TOOLFLEX é um acoplamento tipo fole metálico, sem folga e torcionalmente rígido. O fole metálico multicamada é fabricado em aço inoxidável e está disponível num design com quatro ou seis camadas. Os cubos são feitos de alumínio para minimizar o peso e, consequentemente, o momento de inércia da massa. Uma ligação de inserção flangeada não positiva garante que o binário de cada camada no cubo é transmitido, o que assegura uma elevada estabilidade de binário e um elevado nível de rigidez torsional. Esta ligação consegue binários de atrito extraordinariamente elevados, garantindo uma ligação permanentemente estável e sem folga, mesmo em operação de reversão.

Três tipos de acoplamentos – qual o melhor?

O engenheiro de projeto pode selecionar três tipos diferentes de acoplamentos sem folga, adequados para servo-acionamentos e que também podem ser utilizados em operação de reversão, elevada dinâmica e elevadas exigências de precisão. Que critérios devem ser aplicados na seleção?

Primeiramente é importante identificar se o sistema de acionamento está sujeito a altas temperaturas ou a condições ambientais agressivas. Isto torna a seleção mais simples porque nestes casos deve utilizar dois acoplamentos totalmente metálicos RADEX-NC ou TOOLFLEX. Ambos os tipos de acoplamento podem ser utilizados com temperaturas até 280 °C.

No caso de uma aplicação dinâmica, por exemplo, um acionamento de posicionamento, ou se a eficiência energética for importante, o momento de inércia da massa deve ser o mais baixo possível. A KTR atribuiu esta caraterística vital a todos os seus servo-acionamentos. Nos seus tamanhos principais, as gamas ROTEXGS, RADEX-NC e TOOLFLEX são fabricadas numa liga de alumínio de alta resistência que cumpre as normas RoHS nos componentes da liga. Para acionamentos pesados ​​ou aplicações onde podem ocorrer choques com um binário muito elevado, todas as três versões estão também disponíveis em aço.

Uma questão mais complexa é a questão da utilização de um acoplamento torcionalmente rígido ou flexível. De uma forma puramente intuitiva, o engenheiro de projeto considerará inicialmente sempre um acoplamento torcionalmente rígido como a melhor solução com um servo-acionamento — pelo menos, se for necessário atingir uma elevada precisão de posicionamento. Mas não é esse o caso. Por um lado, algumas aplicações não necessitam de rigidez torcional excessiva para um posicionamento preciso. Por outro lado, um sistema de transmissão muito rígido na torção pode gerar problemas de vibração no circuito de controlo.

Isto implica que nas máquinas-ferramentas, por exemplo, a qualidade superficial necessária da peça de trabalho não seja atingida – a menos que as vibrações sejam amortecidas por filtros elétricos com esforço apropriado, o que reduz a dinâmica.

Rigidez geral é o elo mais fraco do sistema de transmissão que decide

Ao selecionar um servo-acionamento, o engenheiro deve sempre considerar a rigidez do sistema global porque o elo mais fraco do sistema de transmissão do acionamento é sempre decisivo para a rigidez global. Por outras palavras: o torque num servo- acionamento não deve ter uma rigidez torsional inferior à unidade a acionar. Isto é fácil e de aplicação geral. O acoplamento num servo-acionamento não deve ter uma rigidez torsional inferior à unidade a acionar.

Os seguintes exemplos práticos investigados pela KTR no seu campo de testes interno na sua sede, em Rheine ilustram os diferentes efeitos de vários sistemas de acoplamento em diversos acionamentos. Ambos os exemplos são baseados numa situação de montagem real.

Exemplo prático 1: unidade linear com fuso de esferas

• ROTEX GS 28 com aranha 98 ShA-GS, sem folga e torsionalmente flexível (doravante designada por ROTEX GS).
• RADEX-NC 26 DK, sem folga e torcionalmente rígido (doravante designado por RADEX-NC).

Um motor elétrico aciona um parafuso de esferas de 800 mm com um passo de 10 mm. Os valores de rigidez de todos os componentes de acionamento são conhecidos. A rigidez global do acionamento (unidade linear) convertida no veio de transmissão é de 361 Nm/rad.

O ROTEX GS selecionado tem uma rigidez torsional de 6410 Nm/rad – consequentemente, a rigidez do acoplamento é 18 vezes superior à da unidade linear. Em comparação: o RADEX-NC tem uma rigidez torsional de 42 000 Nm/rad, tendo assim uma rigidez 116 vezes superior à unidade linear.

Com o ROTEX GS, a rigidez global da transmissão é de 342 Nm/rad, com o RADEX-NC, de 358 Nm/rad. Neste caso, a rigidez é sete vezes superior ao RADEXNC em comparação com o ROTEX GS resulta num aumento da rigidez global de apenas 4,7%. Consequentemente, o acoplamento ROTEX GS torsionalmente flexível tem apenas um efeito mínimo na rigidez global do acionamento, mas isto não resulta numa menor precisão do posicionamento.

Mesmo que as dimensões do fuso (diâmetro, comprimento, passo) e a configuração dos rolamentos afetem a rigidez global, esta comparação mostra claramente que o ROTEX GS, embora não seja um acoplamento rígido à torção, pode ser utilizado de forma muito eficaz nestes acionamentos de posicionamento (unidade linear com fuso de esferas).

Ilustração da situação de montagem de um acoplamento de maxilas torcionalmente flexível num fuso de esferas com rolamento fixo.

Exemplo prático 2: acionamento com engrenagem sem-fim sem folga

• ROTEX GS 24 com aranha 98 ShA-GS, sem folga e torsionalmente flexível (doravante designada por ROTEX GS).
• RADEX-NC 21 EK, sem folga e torcionalmente rígido; também representante da TOOLFLEX (doravante designada por RADEX-NC).

Acionamento com engrenagem helicoidal sem folga, com relação de transmissão de i = 3 e rigidez torsional do veio de saída de 60 000 Nm/rad. O ROTEX GS aqui selecionado tem uma rigidez torsional de 3640 Nm/rad, enquanto o RADEX-NC é de 40 000 Nm/rad.

Com o ROTEX GS, o veio de saída da engrenagem sem-fim tem uma rigidez global de 21 190 Nm/rad, com o RADEX-NC, esta rigidez é de 51 429 Nm/rad.

Com a utilização do ROTEX GS, a perda de rigidez global em relação à rigidez da caixa de velocidades é de aproximadamente 65%, com o RADEX-NC, esta perda é de aproximadamente 14%. Isto deve-se principalmente ao facto de a menor rigidez do ROTEX GS, em particular com transmissões mais pequenas da caixa de velocidades, ter um impacto sério na rigidez geral da transmissão.

Para aplicações de caixas de velocidades como neste exemplo, o RADEX-NC consegue resultados significativamente melhores graças à sua rigidez 10 vezes superior em comparação com o ROTEX GS. De qualquer forma, isto é relativizado com relações de transmissão mais elevadas, o que significa que a partir de uma relação de transmissão de i = 8, o ROTEX GS também pode ser utilizado. Considerando as mesmas condições anteriores com i = 3, isto resulta numa rigidez de 47 712 Nm/rad com ROTEX GS e 58 626 Nm/rad com RADEX-NC. Assim, a redução da rigidez global diminui para ≈21 por cento com o ROTEX GS em comparação com ≈2,3 por cento com o RADEX-NC – ver tabela no anexo. Com relações de transmissão mais elevadas, a diferença entre os sistemas relativiza-se ainda mais, o que se deve à influência quadrática da relação de transmissão na rigidez de saída da caixa de velocidades.

Conclusão: Não há consenso no “melhor” acoplamento servo

Há exemplos práticos que provam que não existe apenas “um” acoplamento adequado para servo-acionamentos e devemos questionar sempre qual a melhor escolha em termos do melhor acoplamento torsionalmente rígido ou torsionalmente flexível. É por isso que a KTR tem três tipos diferentes no seu portefólio, todos com propriedades diferentes que os qualificam para diversas aplicações.

É aconselhável que os engenheiros não se comprometam com um único tipo de acoplamento desde o início. Devem considerar as alternativas com a pré-seleção e dar especial atenção à rigidez global do sistema. Deve ter-se em conta que é sempre o componente mais fraco, ou seja, o menos rígido, que é decisivo para a rigidez global do conjunto motriz e uma rigidez demasiado elevada pode levar a vibrações indesejadas no circuito de controlo que não podem ser suficientemente amortecidas.

É certo que o cálculo da rigidez global, mesmo para acionamentos de motores de engrenagens, não é assim tão simples, mas os engenheiros de projeto da KTR oferecem o seu apoio para estas tarefas.

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