Quando o Cremalheira e Pinhão Supera os Parafusos de Esferas e Motores Lineares para Eixos de Longo Curso

Um sistema de caixa de engrenagens, pinhão e cremalheira fornece o 7º eixo, ou movimento lateral, para um robô articulado. (Imagem: GAM.)

Puxe uma fita métrica alguns centímetros e a lâmina será rígida. Continue puxando e, em algum ponto, ela começará a flexionar e oscilar, até eventualmente empenar. É um problema que os engenheiros conhecem bem ao projetar eixos de longo curso.

Existem três formas principais de criar movimento retilíneo preciso em máquinas: cremalheira e pinhão, parafusos de esferas e motores lineares. Neste artigo, exploraremos quando a cremalheira e o pinhão são a melhor escolha — e quando outras soluções podem ser mais adequadas.

Compreendendo as três tecnologias

A cremalheira e o pinhão funcionam engrenando uma roda dentada rotativa, chamada de pinhão, contra uma barra dentada, chamada de cremalheira. Dependendo da configuração, a cremalheira se move enquanto o pinhão permanece fixo, ou o conjunto do pinhão se desloca ao longo de uma cremalheira fixa.

O parafuso de esferas opera com um conceito semelhante. Trata-se essencialmente de uma haste roscada de alta precisão com uma porca que se desloca sobre ela. Gire a haste e a porca se moverá linearmente para frente e para trás; mantenha a porca fixa e será a haste que se deslocará.

Um motor linear adota uma abordagem diferente. Imagine um motor elétrico aberto e disposto de forma plana. Uma parte contém ímãs permanentes e eletroímãs, enquanto a parte móvel possui ímãs correspondentes. Por meio da entrada de um controlador servo, a interação magnética move a carga em linha reta.

Cremalheira e pinhão versus parafusos de esferas

Em distâncias mais curtas, a cremalheira e o pinhão competem no mesmo espaço; na verdade, os parafusos de esferas podem oferecer maior precisão. Sua orientação também pode ser mais fácil de integrar em certos projetos de máquinas, dependendo do layout do equipamento.

No entanto, assim como a fita métrica, o parafuso de esferas possui um comprimento (em torno de 2 a 3 metros) no qual ocorrem problemas, sendo essa distância baseada no tamanho da haste.

“À medida que se aumenta a distância com parafusos de esferas, ocorre um fenômeno chamado ‘chicote’”, afirma Matt Ruggles, engenheiro de projeto sênior da GAM, fabricante dos EUA especializada em redutores servo e outros componentes de controle de movimento. “Basicamente, o parafuso de esferas se transforma em uma corda de pular, o que pode causar diversos problemas no seu sistema: desgaste prematuro, vibração e, por vezes, falha catastrófica.”

Diferentemente dos parafusos de esferas, a cremalheira e o pinhão são muito fáceis de personalizar quanto ao comprimento.

“A vantagem é que a cremalheira e o pinhão podem basicamente escalar infinitamente”, diz Ruggles. “Você pode cortar um pedaço de cremalheira para um comprimento menor ou montar vários trechos de cremalheira juntos para obter um curso muito mais longo.”

Cremalheira e pinhão versus motores lineares

Os motores lineares possuem duas vantagens principais: velocidade e controle altamente preciso. No entanto, como um motor linear depende do fluxo magnético, a rigidez pode ser mais difícil de gerenciar. Os ímãs também introduzem outras complicações.

“Já tive experiências em que pessoas fazendo instalações, com chaves nos bolsos, as magnetizavam”, afirma Ruggles. “Pode ser muito constrangedor quando, de repente, o relógio de pulso começa a atrair objetos. Isso pode afetar o ambiente em que estão trabalhando, onde podem acumular cavacos e outros detritos ao se deslocarem.”

Ambas as tecnologias podem ser escaladas para distâncias maiores, mas o custo por metro para estender um motor linear é muito mais elevado — os ímãs permanentes e eletroímãs envolvidos são caros, em comparação com a adição de outro trecho de cremalheira. Os motores lineares também exigem energia constante apenas para manter a posição, e seu consumo de energia está diretamente relacionado à força de alimentação que possuem.

Por outro lado, a cremalheira e o pinhão não são magnetizados. As forças de retroacionamento significam que o sistema mantém a posição assim que o motor para, e o freio integrado do motor cuida do restante sem consumo contínuo de energia. Os componentes tendem a ser menos onerosos também.

“Você precisa comprar a cremalheira e o pinhão, além de geralmente uma caixa de engrenagens e um motor, mas esse custo combinado geralmente é inferior à implementação do motor linear”, afirma Ruggles. “Você pode obter um sistema muito mais rígido e forças de alimentação muito maiores pelo custo, tamanho do pacote e consumo de energia.”

A cremalheira e o pinhão possuem um único ambiente em que apresentam limitações: salas limpas. Os dentes da engrenagem precisam de lubrificação para funcionar adequadamente, o que significa graxa exposta ao ambiente. Isso pode ser mitigado com coberturas, vedações e a escolha correta do lubrificante, mas isso adiciona complexidade.

Os parafusos de esferas têm o mesmo problema, embora possam ser protegidos com foles e soluções semelhantes. Os motores lineares não possuem partes móveis expostas, portanto, não há nada a vedar ou cobrir, tornando-os a melhor opção para ambientes de sala limpa, como na fabricação médica ou de semicondutores.

A GAM vende a cremalheira em barras padrão de um metro, que podem ser encadeadas, e também pode cortar a cremalheira em comprimentos menores. Barras mais longas estão disponíveis mediante pedido especial. Para engenheiros que avaliam a seleção de componentes, a equipe da GAM pode ajudar a identificar os componentes e quantidades adequados para atender aos requisitos de cada aplicação.

“É uma daquelas coisas em que você obtém o que investe”, afirma Ruggles. “Se você dedicar tempo, instalar com precisão e cuidado, obterá um sistema de cremalheira e pinhão, parafuso de esferas, etc., operando muito bem. Se você montar as coisas às pressas, poderá ter problemas.”

Para saber mais sobre cremalheira e pinhão, visite a GAM.