le mouvement linéaire est indispensable aux machines en mouvement; il transporte les outils et les produits de manière efficace et contrôlable. Les mécanismes qui génèrent un mouvement linéaire sont généralement classés par leur vitesse axiale et leur accélération, leurs forces axiales par rapport au volume structurel, leur durée de vie, leur rigidité et leur précision de positionnement.
deux systèmes linéaires courants sont les moteurs linéaires et les entraînements à vis à billes. Les entraînements à crémaillère sont souvent négligés en tant que technologie de dernière génération avec une précision de positionnement limitée., Cependant, cette hypothèse n’est pas valide.
Les surfaces de montage rectifiées avec précision à des tolérances serrées, les traitements de surface résistants à l’usure, les dents d’engrenage ébavurées individuellement et les conceptions compactes à faible masse augmentent les performances. En fait, les entraînements à crémaillère se comparent favorablement aux moteurs linéaires ainsi qu’aux vis à billes à rouleaux ou à filetage au sol.
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les systèmes à crémaillère de nouvelle génération offrent des performances dynamiques élevées et une distance de déplacement illimitée. Certains comprennent servogears premium et actionneurs avec jeu inférieur à 1 arc-min., efficacité à 98,5%, et des tailles beaucoup plus compactes que les combinaisons servomotrices-engrenages standard. Certains pignons préassemblés peuvent même fonctionner à 10 µm, pour la sécurité et le mouvement en douceur.,
Les applications typiques de crémaillère incluent le portique, le transport, et les machines d’emballage qui transportent de quelques livres jusqu’à plusieurs tonnes. Les ensembles à crémaillère de nouvelle génération sont également utilisés dans le travail du bois, la coupe à grande vitesse des métaux et les machines d’assemblage.
géométrie et détails de surface
Les performances du pignon et crémaillère se sont améliorées avec les progrès technologiques généraux. Par exemple, l’usinage et le meulage de pointe ont considérablement avancé la précision à crémaillère.,
plus précisément, certaines pièces de rack haut de gamme sont gravées au laser pour une erreur de pas cumulative ±12 µm sur une longueur de 500 mm, ce qui permet de sélectionner manuellement la précision de la cible. Ceci est utile pour faire correspondre des pièces de rack en parallèle, pour les applications de portique à double entraînement. En fait, ce niveau de précision permet à plusieurs types de machines de fonctionner sans dispositifs de rétroaction externes; en revanche, d’autres systèmes linéaires nécessitent des dispositifs de rétroaction externes coûteux pour la commutation et le positionnement.,
un rack hélicoïdal avec un angle d’hélice optimisé est préféré pour un fonctionnement plus silencieux à des vitesses plus élevées et une capacité de charge plus élevée en raison du rapport de contact de dent plus élevé. L’erreur à pas unique entre les dents hélicoïdales peut atteindre 3 µm. Un changement de profil de pignon ou une modification d’addendum empêche la contre-dépouille; il équilibre également les contraintes de flexion, pour une capacité de charge plus élevée. L’engrenage hélicoïdal s’engage doucement et silencieusement – ce qui contribue à améliorer la finition de surface, par exemple, lors de l’usinage de pièces à tolérance serrée.
la lubrification est la clé
Les ensembles à crémaillère durent le plus longtemps lorsqu’ils sont correctement lubrifiés., Les ensembles graissés de manière appropriée sont également les plus capables d’atteindre la vitesse nominale la plus élevée. Pour de nombreux systèmes à crémaillère, la méthode la plus courante est un kit de lubrification automatique ou un dispositif de graissage. Ces appareils sont disponibles en différentes tailles ou volumes et sont contrôlés électroniquement.
différents paramètres peuvent être sélectionnés pour contrôler la quantité de graisse qui s’écoule dans le temps — en fonction du cycle de mouvement du pignon et crémaillère. Une cartouche chargée maintient la pression lorsqu’elle n’est pas utilisée; la fermeture d’un interrupteur à deux fils active le débit.,
la graisse se déplace à travers un tuyau dans un pignon de graissage creux, un engrenage en feutre avec des trous radiaux où la graisse est appliquée sur la crémaillère ou le pignon à travers les trous. Ici, la conception détermine quelle moitié de l’ensemble est activement graissée: par exemple, lubrifier le rack pour une application à grande vitesse peut empêcher la graisse d’être jetée.
dans tous les cas, la quantité correcte de graisse requise pour l’application peut être appliquée automatiquement et avec précision, pour peu d’entretien.
intégration à crémaillère
Les options de montage abondent pour les ensembles à crémaillère., Certains racks utilisent des surfaces de montage spéciales pour assurer la précision, tandis que d’autres offrent des performances appropriées, même avec une installation de base. La flexibilité inhérente à la conception peut être mise à profit pour un meilleur contrôle: Contrairement aux moteurs linéaires à entraînement direct, les jeux à crémaillère permettent des ajustements de la taille des pignons, des rapports de démultiplication et de l’amortissement-pour stabiliser le contrôle en boucle fermée.
Il y a des pièges: mettre les dents du pignon et de la crémaillère trop éloignées provoque un jeu, ce qui dégrade la précision., Un montage compromis ou mal aligné peut également endommager les roulements de la boîte de vitesses, ce qui entraîne une augmentation du courant du moteur, du bruit et même des pannes. Pour de meilleures performances, un pignon doit être correctement éloigné de la crémaillère, monté sur une surface plane et perpendiculaire à la boîte de vitesses à environ 25 µm pour de nombreuses applications.
Les progrès de l’engrenage à crémaillère et la baisse des prix des servotechnologies signifient que les servomoteurs sont généralement associés à des systèmes à crémaillère. Les moteurs pas à pas sont une option viable, mais les servomoteurs sont préférés pour leur précision.,
préchargement
parfois, les ensembles à crémaillère sont préchargés pour éliminer le jeu et augmenter la rigidité. Ici, deux pignons fonctionnent sur le même rack. Un pignon maître entraîne le mécanisme comme dans une configuration habituelle; pendant ce temps, un pignon esclave peut générer un couple pour appliquer une force opposée aux dents qu’il engage. De cette façon, l’inertie et la résistance empêchent le jeu, même lors des changements de charge; la rigidité du système augmente également et stimule la dynamique de contrôle.
Si les composants sont sélectionnés correctement, il n’y a pas d’inconvénients importants à précharger un système à crémaillère., D’autre part, le préchargement mécanique peut effectivement diminuer la rigidité globale de la machine. Par exemple, un pignon fendu à ressort réduirait la rigidité du système:
notez que contrairement au préchargement électronique plus sophistiqué, ces pignons de préchargement traditionnels ne peuvent pas fonctionner ensemble; l’un s’oppose toujours à l’autre, ce qui réduit légèrement l’efficacité.
dans les ensembles à crémaillère plus sophistiqués, la précharge électronique est maintenue à son maximum pendant que le système est immobile., Les pignons maître et esclave — tous deux alimentés activement — poussent sur les dents de la crémaillère dans des directions opposées. Ensuite, lorsque la machine accélère, le pignon principal entraîne la machine vers l’avant, tandis que le pignon esclave soulage la précharge de force opposée. Lorsque le système ralentit à une vitesse constante, le pignon esclave vient en contact avec le flanc de dent équivalent à celui engagé par le pignon maître; alors les deux pignons s’entraînent dans la même direction, tout en empêchant le jeu.,
enfin, lorsque le système décélère, le pignon esclave revient à appliquer une force sur le flanc de la dent adverse, pour aider à ralentir la charge.
vis à crémaillère par rapport aux vis à billes
Les vis à billes ne peuvent pas accélérer comme les jeux à crémaillère; elles ne peuvent pas non plus maintenir les mêmes vitesses. Leur rigidité est plus faible et moins constante.
Les ensembles à crémaillère ont un moment d’inertie de masse plus faible et une fréquence et une efficacité naturelles plus élevées que les vis à billes. Il y a moins de composants pour gagner du temps lors de l’installation., En outre, la longueur est illimitée: un ingénieur peut les exécuter dans la mesure où l’espace d’usine le permettra, et le seul coût supplémentaire est juste celui de l’ajout de pièces supplémentaires de rack.
les vis à billes peuvent générer des erreurs cumulatives importantes sur la longueur totale de la course. Par exemple, un écart de plus de quatre mètres de course pour un entraînement à vis laminé peut varier entre 300 et 1 700 µm. Même la déviation de vis à billes à filetage au sol sur quatre mètres varie entre 30 et 110 µm. Avec deux systèmes à crémaillère jumelés, l’erreur cumulative pour la même longueur de course n’est que de 12 à 40 µm., Cela rend les ensembles à crémaillère adaptés aux entraînements à portique même.
pour les applications avec de longues longueurs de course, les vis à billes ont des moments d’inertie de masse élevés qui limitent la vitesse critique et la capacité de charge axiale; même l’efficacité de la vis à billes préchargée n’atteint que 90% environ. De telles applications à course longue bénéficient d’un passage aux ensembles à crémaillère-avec une efficacité de 97%.
Les pièces adjacentes telles que les roulements influencent la rigidité de la vis à billes, les alésages du boîtier ou les boîtiers d’écrou, ce qui rend difficile d’assurer un comportement stable du système sous dynamique., La déviation de la rigidité de la broche en fonction de la position de l’écrou sur la longueur de la broche aggrave ce problème.
en revanche, les entraînements à crémaillère offrent une rigidité constante sur toute la longueur de course et un bon comportement du système-pour un comportement supérieur du système de contrôle. Enfin, contrairement aux systèmes à crémaillère, les vis à billes ne permettent qu’un support par axe linéaire et ne conviennent pas aux applications à course courte. Pourquoi? La demande de graissage dicte que seules quelques boules circulent à travers l’écrou.,
crémaillère par rapport au moteur linéaire
comparés aux moteurs linéaires, les systèmes à crémaillère peuvent offrir des performances similaires, mais à un coût bien moindre. Ils sont plus petits, ce qui permet une conception de la machine plus compacte et moins complexe. L’absence de forces magnétiques diminue considérablement le besoin de structures de support pour absorber des forces normales élevées, de sorte que des rails de guidage standard peuvent être utilisés. Les moteurs linéaires ont une efficacité globale de 90% – bien que parfois elle soit considérablement inférieure. En raison de cette inefficacité inhérente, les moteurs linéaires nécessitent souvent un refroidissement par eau.,
en comparaison, les crémaillères et les pignons n’ont pas besoin de couvercle; le système de guidage peut être exposé à des particules métalliques et les restrictions de sécurité sont minimes. De meilleurs ensembles à crémaillère ne nécessitent pas non plus de balances linéaires coûteuses ni de freins externes; les dispositifs de rétroaction du moteur standard et les freins suffisent.
dans de nombreux cas, les moteurs linéaires nécessitent une refonte complète de la machine — en partie parce que les énormes forces normales de l’attraction entre le primaire et le secondaire ont des conséquences de grande portée., Une option plus facile, les systèmes à crémaillère prêts à monter facilitent l’assemblage aveugle pour des économies supplémentaires-et réduisent le temps d’assemblage à environ 10 minutes par mètre de longueur de course.
pour plus d’informations, appelez le (888) 534-1222 ou visitez wittenstein-us.com. Wittenstein propose également des webinaires de formation gratuits. Sur le site web, cliquez sur support technique, puis sur webinaires pour vous inscrire.
Sidebar Quick history lesson
Les dispositifs mécaniques à mouvement linéaire — sur lesquels sont basés les jeux à crémaillère-remontent à l’invention de la roue dans L’ancienne Mésopotamie., Vers 1100 avant JC, les Assyriens ont commencé à utiliser des plates-formes à billes roulantes pour rendre les objets en mouvement plus pratiques. Après L’âge des ténèbres, pendant la révolution scientifique des années 1600, les règles et les pratiques des mondes anciens — comme celles de L’Assyrie et de ses systèmes de mouvement linéaire — ont été STutilisées et parfois adoptées. Cette phase a ouvert la voie à la révolution industrielle des années 1700 et 1800, au cours de laquelle les premiers dispositifs à crémaillère les plus élémentaires ont pris de l’importance.
Une application majeure qui a stimulé l’innovation à crémaillère a été le transport ferroviaire., Plus précisément, dans les années 1800, Les chemins de fer à crémaillère ont été mis en service aux États-Unis et dans les paysages plus raides d’Europe. Ces chemins de fer utilisent des voitures équipées de pignons motorisés qui s’engagent dans une crémaillère dentée installée entre les voies d’un chemin de fer. C’est un mécanisme de transmission de puissance particulièrement utile pour les applications d’escalade. Le premier chemin de fer à crémaillère au monde — toujours en activité — est le Mount Washington Railway, New Hampshire, exploité pour la première fois en 1868. Un autre chemin de fer à crémaillère, le Vitznau-Rigi-Bahn en Suisse a ouvert ses portes quelques années plus tard.,
Aujourd’hui, les matériaux modernes, les traitements et la fabrication optimisée rendent les derniers ensembles à crémaillère aussi performants et souvent meilleurs que les composants électromécaniques et autres composants linéaires dans une myriade d’applications industrielles exigeantes.