A escolha do fuso de esferas errado pode levar a uma falha prematura, a um tempo de inatividade dispendioso e a um investimento desperdiçado. Sem uma avaliação adequada, o seu sistema de movimento pode ser afetado. Aqui está um guia comprovado de 6 passos para o ajudar a fazer a seleção correta.

A seleção do fuso de esferas envolve a avaliação dos requisitos de velocidade, carga e vida útil para garantir um desempenho e fiabilidade ideais. Calculando o binário e compreendendo as velocidades de encurvadura e críticas, os engenheiros podem selecionar o parafuso ideal.

Explore cada fator em detalhe para evitar erros na conceção do seu movimento linear.

Velocidade de rotação

A velocidade de rotação de um fuso de esferas é um parâmetro primário que afecta diretamente a eficiência e o desempenho do sistema. A velocidade de rotação é normalmente definida em rotações por minuto (RPM) e deve ser considerada em relação aos requisitos dinâmicos do sistema.

Velocidades de rotação mais elevadas permitem um movimento mais rápido da carga, mas também podem aumentar a produção de calor e o desgaste. Os projectistas devem assegurar que o material, a lubrificação e a construção do parafuso podem suportar a velocidade pretendida. Além disso, a velocidade excessiva pode levar a vibração axial ou ressonância, especialmente em fusos de esferas mais longos. É por isso que a velocidade máxima segura, frequentemente recomendada pelo fabricante, não deve ser excedida.

O cálculo da velocidade de rotação também envolve a compreensão do ciclo de funcionamento da aplicação. Se o seu sistema funcionar a uma velocidade de pico intermitente, pode tolerar RPMs máximas mais elevadas do que as aplicações contínuas de alta velocidade. Consulte sempre as especificações do fabricante relativamente às classificações de velocidade antes de finalizar a seleção.

Velocidade crítica

A velocidade crítica é a velocidade à qual um fuso de esferas começa a entrar em ressonância ou a vibrar excessivamente. Isto ocorre devido ao facto de a frequência natural do veio coincidir com a frequência de funcionamento. Se a velocidade crítica se aproximar ou for excedida, pode resultar numa falha catastrófica devido à deflexão do veio, desalinhamento ou sobrecarga do rolamento.

A velocidade crítica (Nc) depende do comprimento não suportado do veio, do seu diâmetro, das condições de fixação da extremidade e do módulo do material. Os engenheiros utilizam fórmulas como:

Nc = (k × D × √E / L²)

Onde:

• k é uma constante que depende do tipo de suporte final,

• D é o diâmetro do veio,

• E é o módulo de elasticidade,

• L é o comprimento não suportado.

A redução dos comprimentos sem suporte ou a utilização de suportes intermédios pode aumentar a velocidade crítica. A regra geral é operar a não mais de 80% da velocidade crítica por segurança. Isto é especialmente importante para sistemas de montagem horizontal ou aplicações de longo curso.

Carga de encurvadura

A encurvadura é uma falha por compressão que ocorre quando o eixo se deforma devido à carga axial, particularmente em parafusos longos ou sem suporte. A carga de encurvadura (Pb) deve ser superior à carga de compressão máxima prevista na aplicação.

Este valor é frequentemente calculado utilizando a fórmula de Euler para pilares longos e delgados:

Pb = (π² × E × I) / (K × L)²

Onde:

• I é o momento de inércia,

• K é uma constante baseada nas condições finais,

• L é o comprimento efetivo.

Para evitar a encurvadura, certifique-se de que o eixo do fuso de esferas é suportado corretamente e que a carga aplicada permanece dentro dos limites de segurança. Para aplicações verticais ou vãos sem suporte, os cálculos de encurvadura tornam-se especialmente críticos. Ao selecionar um fuso de esferas, verifique sempre a classificação da carga axial em relação ao limite de encurvadura calculado.

Comparação dos factores de carga de encurvadura do fuso de esferas

Velocidade média e carga média

Para estimar o tempo de vida útil e o comportamento térmico do fuso de esferas, é necessário compreender a velocidade média e a carga média ao longo de um ciclo de funcionamento. Em vez de utilizar valores de pico, os engenheiros devem calcular os valores da raiz quadrada média (RMS) para a carga e a velocidade, de modo a avaliar o desempenho com maior exatidão.

A velocidade média afecta a produção de calor devido ao atrito, enquanto a carga média determina a vida à fadiga. Por exemplo, a utilização intermitente com carga elevada pode não ser tão crítica como o funcionamento contínuo com carga reduzida.

Utilize esta abordagem:

Carga média (Fa) = √[(F₁² × t₁ + F₂² × t₂ + ... + Fn² × tn) / T]

Velocidade média (Va) = [(V₁ × t₁ + V₂ × t₂ + ... + Vn × tn) / T]

Onde:

• F é a carga,

• V é a velocidade,

• t é o tempo em cada fase,

• T é o tempo total do ciclo.

Este cálculo é essencial para aplicações dinâmicas como as máquinas CNC ou os robots pick-and-place.

Vida útil

A vida útil de um fuso de esferas é normalmente expressa em termos do número de rotações ou da distância percorrida antes da falha por fadiga. Os fabricantes fornecem frequentemente classificações de vida útil, tais como L10 ou B10, que indicam o tempo de vida útil a que os parafusos 90% podem funcionar sem falhas sob condições definidas.

A vida útil depende de vários factores:

• Capacidade de carga dinâmica (Ca)

• Carga axial aplicada (Fa)

• Ambiente de funcionamento (temperatura, contaminação, lubrificação)

A vida básica (L10) pode ser calculada através da seguinte fórmula

L10 = (Ca / Fa)³ × 10⁶ rotações

Se o parafuso estiver pré-carregado, ou se existirem cargas de choque, deve ser aplicado um fator de correção. Uma lubrificação adequada e ambientes limpos aumentam significativamente a vida útil.

Tabela de estimativa de vida útil do fuso de esferas

O planeamento da manutenção e as expectativas de garantia dependem em grande medida deste cálculo.

Cálculo do binário

O binário é a força que faz com que o parafuso rode e accione a porca (ou vice-versa). Para mover uma determinada carga, os engenheiros devem determinar o binário de arranque e o binário de funcionamento. Isto assegura que o motor é dimensionado corretamente e evita o bloqueio ou o sobreaquecimento.

O binário de base (T) necessário para deslocar uma carga axial (Fa) pode ser calculado por:

T = (Fa × chumbo) / (2π × η)

Onde:

• Fa é a carga axial (N),

• Chumbo é o passo do parafuso (mm),

• η é o rendimento (normalmente 0,85 a 0,95 para os fusos de esferas).

Não se esqueça de incluir o binário adicional necessário para ultrapassar a pré-carga, o atrito e a inércia. Em sistemas de alta velocidade, o binário dinâmico pode também ter de ter em conta a aceleração e a desaceleração.

A escolha de um motor com binário insuficiente é uma falha de conceção comum. Certifique-se de que alinha as especificações do motor com os valores calculados para um funcionamento suave e fiável.

Conclusão

Dominar a seleção do fuso de esferas implica equilibrar a velocidade, a carga e a vida útil. Siga estes seis passos críticos para garantir que o seu sistema funciona no seu melhor.Para mais informações, contactar [email protected]