el movimiento lineal es indispensable para mover máquinas; transporta herramientas y productos de manera eficiente y controlable. Los mecanismos que generan movimiento lineal generalmente se clasifican por su velocidad axial y aceleración, fuerzas axiales versus volumen estructural, vida, rigidez y precisión de posicionamiento.
dos sistemas lineales comunes son motores lineales y accionamientos de husillo de bolas. Los accionamientos de cremallera y piñón a menudo se pasan por alto como tecnología de última generación con una precisión de posicionamiento limitada., Sin embargo, esta suposición no es válida.
Precisión: las superficies de montaje a tierra con tolerancias ajustadas, los tratamientos de superficie resistentes al desgaste, los dientes de engranaje desbarbados individualmente y los diseños compactos y de baja masa aumentan el rendimiento. De hecho, los accionamientos de cremallera y piñón se comparan favorablemente con los motores lineales, así como con los husillos a bolas de rodillos o de rosca a tierra.
|
Descargar este artículo en .,Formato PDF este tipo de archivo incluye gráficos de alta resolución y esquemas cuando corresponda. |
los sistemas de piñón y cremallera de nueva generación ofrecen un alto rendimiento dinámico y una distancia de viaje ilimitada. Algunos incluyen servogears premium y actuadores con juego de menos de 1 arco-min., eficacia al 98,5%, y tamaños lejos más compactos que combinaciones estándar del servomotor-engranaje. Algunas unidades de piñón-engranaje preensambladas pueden incluso funcionar fiel a 10 µm, para seguridad y movimiento suave.,
Las aplicaciones típicas de piñón y cremallera incluyen máquinas de pórtico, transporte y embalaje que transportan desde unas pocas libras hasta varias toneladas. Los juegos de piñón y cremallera de próxima generación también se utilizan en máquinas de carpintería, corte de metales de alta velocidad y ensamblaje.
detalles de geometría y superficie
el rendimiento de piñón y cremallera ha mejorado con los avances tecnológicos generales. Por ejemplo, el mecanizado y rectificado de última generación han avanzado enormemente la precisión de piñón y cremallera.,
Más específicamente, algunas piezas de rack premium están grabadas con láser para un error de paso acumulado ±12 µm sobre una longitud de 500 mm, lo que permite la selección manual de la precisión del objetivo. Esto es útil para emparejar piezas de rack en paralelo, para aplicaciones de pórtico de doble accionamiento. De hecho, ese nivel de precisión permite que varios tipos de máquinas funcionen sin dispositivos de retroalimentación externos; en contraste, otros sistemas lineales requieren costosos dispositivos de retroalimentación externos para la conmutación y el posicionamiento.,
se prefiere un bastidor helicoidal con un ángulo de hélice optimizado para un funcionamiento más silencioso a velocidades más altas y una mayor capacidad de carga debido a la mayor relación de contacto del diente. El error de un solo paso entre los dientes helicoidales puede alcanzar los 3 µm. Un desplazamiento del perfil del piñón o una modificación de la adición evita el socavamiento; también equilibra las tensiones de flexión, para una mayor capacidad de carga. El engranaje helicoidal se acopla suave y silenciosamente — lo que ayuda a mejorar el acabado de la superficie, por ejemplo, al mecanizar piezas de tolerancia ajustada.
la lubricación es clave
los juegos de piñón y cremallera duran más tiempo cuando están lubricados adecuadamente., Los juegos adecuadamente engrasados también son más capaces de alcanzar la velocidad nominal más alta. Para muchos sistemas de cremallera y piñón, el método más común es un kit de lubricación automática o un dispositivo de engrase. Estos dispositivos vienen en varios tamaños o volúmenes, y se controlan electrónicamente.
Se pueden seleccionar diferentes ajustes para controlar la cantidad de grasa que fluye a lo largo del tiempo, dependiendo del ciclo de movimiento de la cremallera y el piñón. Un recipiente cargado mantiene la presión cuando no está en uso; cerrar un interruptor de dos cables activa el flujo.,
la grasa viaja a través de una manguera en un piñón de engrase hueco, un engranaje de fieltro con orificios radiales donde la grasa se aplica a la cremallera o al piñón a través de los orificios. Aquí, el diseño determina qué mitad del conjunto se engrasa activamente: por ejemplo, lubricar la rejilla para una aplicación de alta velocidad puede evitar que la grasa se desprenda.
en cualquier caso, la cantidad correcta de grasa requerida para la aplicación se puede aplicar de forma automática y precisa, Para poco mantenimiento.
integración de piñón y cremallera
las opciones de montaje abundan para los conjuntos de piñón y cremallera., Algunos bastidores utilizan superficies de montaje especiales para garantizar la precisión, mientras que otros ofrecen un rendimiento adecuado incluso con la instalación básica. La flexibilidad inherente del diseño se puede aprovechar para un mejor control: a diferencia de los motores lineales de accionamiento directo, los conjuntos de cremallera y piñón permiten ajustes en el tamaño del piñón, las relaciones de transmisión y la amortiguación, para estabilizar el control de bucle cerrado.
hay trampas: colocar los dientes del piñón y de la cremallera demasiado separados causa un retroceso, lo que degrada la precisión., El montaje comprometido o desalineado también puede dañar los cojinetes de la caja de cambios, lo que causa mayores extracciones de corriente del motor, ruido e incluso fallas. Para obtener el mejor rendimiento, un piñón debe estar adecuadamente distanciado del bastidor, montado en una superficie plana y perpendicular a la caja de cambios a una distancia de aproximadamente 25 µm para muchas aplicaciones.
Los avances en el engranaje de cremallera y piñón y la disminución de los precios de la servotecnología significan que, por lo general, los servomotores se combinan con sistemas de cremallera y piñón. Los motores paso a paso son una opción viable, pero los servomotores son preferidos por su precisión.,
precarga
a veces, los conjuntos de piñón y cremallera están precargados para eliminar el contragolpe y aumentar la rigidez. Aquí, dos piñones corren en el mismo bastidor. Un piñón maestro acciona el mecanismo como en una configuración habitual; mientras tanto, un piñón esclavo puede generar torque para aplicar una fuerza opuesta a los dientes que engancha. De esta manera, la inercia y la resistencia evitan el retroceso, incluso durante los cambios de carga; la rigidez del sistema también aumenta y aumenta la dinámica de control.
si los componentes se seleccionan correctamente, no hay inconvenientes significativos en la precarga de un sistema de piñón y cremallera., Por otro lado, la precarga mecánica en realidad puede disminuir la rigidez general de la máquina. Por ejemplo, un piñón dividido con resorte reduciría la rigidez del sistema:
tenga en cuenta que, a diferencia de la precarga electrónica más sofisticada, estos piñones tradicionales de precarga no pueden funcionar juntos; uno siempre se opone al otro, lo que reduce ligeramente la eficiencia.
en conjuntos de piñón y cremallera más sofisticados, la precarga electrónica se mantiene al máximo mientras el sistema está quieto., Los piñones maestro y esclavo, ambos accionados activamente, empujan los dientes de la cremallera hacia direcciones opuestas. Luego, cuando la máquina acelera, el piñón maestro impulsa la máquina hacia adelante, mientras que el piñón esclavo alivia la precarga de la fuerza opuesta. Cuando el sistema se ralentiza a una velocidad constante, el piñón esclavo entra en contacto con el flanco del diente equivalente al activado por el piñón maestro; luego los dos piñones conducen en la misma dirección, evitando al mismo tiempo el contragolpe.,
finalmente, cuando el sistema se desacelera, el piñón esclavo vuelve a aplicar fuerza en el flanco del diente opuesto, para ayudar a ralentizar la carga.
los husillos de piñón y cremallera versus husillos de bolas
los husillos de bolas no pueden acelerar como los conjuntos de piñón y cremallera; ni pueden mantener las mismas velocidades. Su rigidez es menor y menos constante.
los conjuntos de piñón y cremallera tienen un menor momento de inercia de masa y una mayor frecuencia natural y eficiencia sobre los husillos a bolas. Hay menos componentes para ahorrar tiempo durante la instalación., Además, la longitud es ilimitada: un ingeniero puede ejecutar estos en la medida en que el espacio de fábrica lo permita, y el único costo adicional es solo el de agregar piezas adicionales de rack.
los husillos a bolas pueden generar errores acumulativos significativos sobre la longitud total del recorrido. Por ejemplo, la desviación de más de cuatro metros de recorrido para un accionamiento por tornillo laminado puede variar entre 300 y 1.700 µm. Incluso la desviación del husillo de bolas de rosca a tierra en cuatro metros varía entre 30 y 110 µm. Con dos sistemas de piñón y cremallera emparejados, el error acumulado para la misma longitud de recorrido es de solo 12 a 40 µm., Esto hace que los conjuntos de piñón y cremallera sean adecuados para accionamientos de pórtico uniformes.
para aplicaciones con longitudes de recorrido largas, los husillos a bolas tienen momentos de inercia de gran masa que limitan la velocidad crítica y la capacidad de carga axial; incluso la eficiencia del husillo a bolas precargado solo alcanza el 90% aproximadamente. Estas aplicaciones de carrera larga se benefician de un interruptor a conjuntos de piñón y cremallera — con una eficiencia del 97%.
Las piezas adyacentes, como los rodamientos, influyen en la rigidez del husillo de bolas, Los orificios de la carcasa o las carcasas de tuercas, lo que dificulta garantizar un comportamiento estable del sistema bajo dinámica., La desviación de la rigidez del husillo dependiendo de la posición de la tuerca sobre la longitud del husillo agrava este problema.
por el contrario, los accionamientos de cremallera y piñón ofrecen una rigidez constante en toda la longitud de recorrido, además de un buen comportamiento del sistema, para un comportamiento superior del sistema de control. Finalmente, a diferencia de los sistemas de piñón y cremallera, los husillos a bolas solo permiten un portador por eje lineal y no son adecuados para aplicaciones de carrera corta. ¿Por qué? La demanda de engrase dicta que solo algunas bolas circulan a través de la tuerca.,
piñón y cremallera versus motor lineal
en comparación con los motores lineales, los sistemas de piñón y cremallera pueden ofrecer un rendimiento similar pero a un costo mucho menor. Son más pequeños, lo que permite un diseño de máquina más compacto y menos complejo. La ausencia de fuerzas magnéticas disminuye enormemente la necesidad de estructuras de soporte para absorber altas fuerzas normales, por lo que se pueden usar rieles de guía estándar. Los motores lineales tienen una eficiencia general del 90%, aunque a veces es considerablemente menor. Debido a esta ineficiencia inherente, los motores lineales a menudo requieren refrigeración por agua.,
en comparación, la cremallera y los piñones no necesitan cobertura; el sistema de guía puede estar expuesto a partículas metálicas y las restricciones de seguridad son mínimas. Los mejores juegos de piñón y cremallera tampoco requieren escalas lineales costosas y frenos externos; los dispositivos de retroalimentación del motor estándar y los frenos son suficientes.
en muchos casos, los motores lineales requieren un rediseño completo de la máquina, en parte porque las enormes fuerzas normales de la atracción entre el primario y el secundario tienen consecuencias de largo alcance., Una opción más fácil, los sistemas de piñón y cremallera listos para montar facilitan el montaje ciego para ahorrar costos adicionales — y reducen el tiempo de montaje a aproximadamente 10 minutos por metro de longitud de recorrido.
para obtener más información, llame al (888) 534-1222 o visite wittenstein-us.com. Wittenstein también ofrece seminarios web de formación gratuitos. En el sitio web, haga clic en soporte técnico y luego en seminarios web para registrarse.
Sidebar quick history lesson
Los dispositivos mecánicos de movimiento lineal — en los que se basan los conjuntos de piñón y cremallera-se remontan a la invención de la rueda en la antigua Mesopotamia., Alrededor del año 1100 A.C., los asirios comenzaron a usar plataformas de troncos rodantes para hacer que los objetos en movimiento fueran más prácticos. Después de la Edad Media, durante la Revolución Científica de 1600, las reglas y prácticas de los mundos antiguos — como las de Asiria y sus sistemas de movimiento lineal — fueron Studied y a veces adoptadas. Esta fase abrió el camino a la Revolución Industrial de los años 1700 y 1800, durante la cual los primeros dispositivos de piñón y cremallera más básicos cobraron prominencia.
una de las principales aplicaciones que impulsó la innovación de cremallera y piñón fue el transporte ferroviario., Más específicamente, en la década de 1800, los ferrocarriles congestionados se pusieron en uso en los Estados Unidos y los paisajes más empinados de Europa. Estos ferrocarriles hacen uso de coches equipados con piñones accionados que se acoplan a una cremallera dentada instalada entre las vías de un ferrocarril. Es un mecanismo de transmisión de potencia que es particularmente útil para aplicaciones de escalada. El primer tren de engranajes en el mundo — todavía en funcionamiento — es el Mount Washington Railway, New Hampshire, operado por primera vez en 1868. Otro tren de cremallera, el Vitznau-Rigi-Bahn en Suiza abrió unos años más tarde.,
hoy en día, los materiales modernos, los tratamientos y la fabricación optimizada hacen que los últimos conjuntos de piñón y cremallera funcionen igual de bien y, a menudo, mejor que los componentes electromecánicos y otros componentes lineales en una gran variedad de aplicaciones industriales exigentes.