A indústria de máquinas depende de vários sistemas de engrenagens para obter movimento preciso e transmissão de potência. Engrenagens de onda de tensão e engrenagens cicloidais são duas dessas tecnologias, cada uma com características únicas.
Este artigo se aprofundará nos princípios operacionais das engrenagens de onda de deformação e cicloidais, explorando suas diferenças em folga, capacidade de torque e precisão. Compararemos seu desempenho em relação à resistência ao choque, tamanho, eficiência e custo. Além disso, forneceremos aplicações típicas e discutiremos a rigidez torcional de cada uma para ajudar sua compreensão.
O que é Strain Wave Gear
Engrenagem de onda de deformação, também conhecida como engrenagem harmônica, é um sistema de engrenagem mecânica que utiliza uma estria flexível deformada por um plugue elíptico giratório, chamado gerador de ondas, para engatar com o engrenagem interna dentes de uma ranhura circular rígida. Este método exclusivo de transmissão de energia oferece vantagens distintas, como folga zero, alta relações de transmissão, e tamanho compacto.
Os componentes centrais de um equipamento para ondas de tensão São eles: o gerador de ondas, o flexspline e o spline circular. O gerador de ondas é um disco elíptico com um rolamento de esferas, que se enreductores dentro do flexspline e o deforma em um formato elíptico. O flexspline é um cilindro fino e flexível com dentes externos que se enreductoresm no spline circular. O spline circular é um anel rígido com dentes internos. O flexspline tem um pouco menos dentes do que o spline circular, o que permite que a engrenagem atinja altas taxas de redução.
O que é engrenagem cicloidal
Uma engrenagem cicloidal é um tipo de sistema de engrenagens que usa um came ou disco excêntrico rotativo para acionar uma série de pinos ou rolos, produzindo uma redução na velocidade e um aumento no torque. O componente central do acionamento cicloidal é um disco cicloidal que tem uma série de lóbulos. Este disco é montado excentricamente em um eixo de entrada. Conforme o eixo de entrada gira, o disco cicloidal oscila, e esse movimento é usado para acionar rolos de saída, que são conectados ao eixo de saída. Os rolos de saída se enreductoresm em furos no disco cicloidal. Esses furos são ligeiramente maiores do que os rolos, permitindo o movimento necessário para acionar o eixo de saída. O design exclusivo das engrenagens cicloidais resulta em alta eficiência, baixa folga e capacidade de suportar altas cargas de choque.
Diferença entre engrenagem de onda de tensão e engrenagem cicloidal
Princípio de funcionamento
Engrenagens de onda de deformação operam com base na deformação elástica de um flexspline. O gerador de ondas faz com que o flexspline se deforme em uma forma elíptica, engatando com o spline circular em dois pontos ao longo do eixo principal. Conforme o gerador de ondas gira, os pontos de engate se movem, e a diferença nos dentes entre o flexspline e o spline circular produz uma redução na velocidade de saída e aumento no torque.
Engrenagens cicloidais, em contraste, utilizam um disco cicloidais montado excentricamente em um eixo de entrada. Este disco oscila conforme o eixo de entrada gira, acionando rolos de saída dentro do disco que, por sua vez, giram o eixo de saída. O movimento é caracterizado por um movimento excêntrico, convertendo a entrada rotacional em saída rotacional reduzida.
Folga
Engrenagens de onda de tensão são conhecidas por terem folga extremamente baixa a zero. Isso ocorre porque os dentes da engrenagem estão sempre totalmente engatados em uma região ao longo do eixo principal. Alguns fabricantes afirmam que suas engrenagens de onda de tensão têm folga absolutamente zero.
Engrenagens cicloidais, embora não atinjam folga zero, geralmente oferecem folga muito baixa, embora normalmente maior do que engrenagens de onda de deformação.
Capacidade de Torque
Engrenagens de onda de tensão são capazes de transmitir altos níveis de torque, principalmente considerando seu tamanho compacto e peso. Elas oferecem uma alta relação torque-peso, tornando-as adequadas para aplicações que exigem saídas de torque potentes em pacotes pequenos. Algumas engrenagens de onda de tensão de precisão podem lidar com um torque nominal variando de 10 Nm a mais de 7000 Nm.
Engrenagens cicloidais também são bem conhecidas por sua alta capacidade de torque, frequentemente consideradas superiores às engrenagens de onda de tensão para aplicações de carga muito alta. O design robusto e a capacidade do disco cicloidais de distribuir o estresse em vários pontos permitem que eles lidem com cargas pesadas e forças de choque de forma mais eficaz.
Precisão
Engrenagens de onda de tensão são conhecidas por sua alta precisão e repetibilidade devido ao engate constante dos dentes da engrenagem e à ausência de folga.
Engrenagens cicloidais também fornecem boa precisão, particularmente com relação à precisão de posicionamento devido à baixa folga. No entanto, sua precisão é às vezes considerada um pouco menor do que a das engrenagens de onda de deformação devido à sua geometria mais complexa e sistema pino-rolo.
Resistência a choque
Engrenagens de onda de tensão têm boa resistência ao choque devido aos múltiplos dentes engatando simultaneamente e à natureza elástica do flexspline. No entanto, elas são geralmente menos adequadas para aplicações que envolvem cargas muito altas ou forças de choque significativas quando comparadas a engrenagens cicloidais. Algumas engrenagens de onda de tensão têm uma classificação de resistência ao choque de 300 m/s².
Engrenagens cicloidais são conhecidas por sua excelente resistência a choques. O design, com seu disco cicloidais robusto e múltiplos pontos de contato, pode suportar forças repentinas ou irregulares. A estrutura pino-e-engrenagem mantém contato contínuo e distribuído de transmissão de potência, permitindo que algumas variações suportem exposição momentânea a quatro vezes seu torque nominal.
Tamanho e peso
Engrenagens de onda de deformação são muito compactas e leves, devido ao seu design que permite altas taxas de redução de engrenagem em pequenos fatores de forma. O tamanho e o peso da engrenagem não variam com a taxa de redução. Isso as torna adequadas para aplicações onde o espaço é limitado.
Engrenagens cicloidais são geralmente mais robustas e podem ser maiores e mais pesadas em comparação às engrenagens de onda de deformação para capacidade de torque semelhante, mas ainda oferecem um tamanho compacto para seu desempenho.
Avançada
Engrenagens de onda de deformação são caracterizadas por sua alta eficiência, frequentemente atingindo até 85% em operação nominal. Isso se deve principalmente ao movimento de rolamento suave do flexspline, que minimiza o desgaste. Os dentes entram em contato com um movimento quase radial puro e têm velocidade de deslizamento essencialmente zero, mesmo em altas velocidades de entrada.
Engrenagens cicloidais têm boa eficiência, com eficiência de estágio único se aproximando de 93% e eficiência de estágio duplo em torno de 86%. Embora sua eficiência possa ser ligeiramente menor do que engrenagens de onda de deformação devido ao movimento excêntrico e múltiplos pontos de contato, isso é compensado por sua excepcional durabilidade e capacidade de torque.
Custo
Engrenagens de onda de deformação podem ser mais caras devido ao seu complexo processo de fabricação e aos componentes precisos envolvidos, particularmente o flexspline e o gerador de ondas. Os drivers de custo incluem a usinagem de alta precisão dos componentes e o material usado na construção.
Engrenagens cicloidais são geralmente mais econômicas de fabricar do que engrenagens de onda de deformação, pois seus projetos são menos complexos e não exigem o mesmo nível de precisão.
Aplicações típicas
Engrenagens de onda de deformação são comumente usadas em robótica, aeroespacial, equipamentos médicos e máquinas industriais de alta precisão. Elas são frequentemente encontradas em braços robóticos, onde o posicionamento preciso é crítico, em mecanismos de satélite e em outras aplicações onde altas taxas de redução, folga zero e tamanho compacto são essenciais.
Engrenagens cicloidais são frequentemente empregadas em aplicações industriais pesadas, como sistemas de transporte, e em robótica onde alto torque e resistência a choques são necessários. Elas também são usadas em máquinas-ferramentas, sistemas de automação e outras aplicações que exigem transmissão de energia confiável e robusta.
Rigidez Torcional
A rigidez torcional é determinada medindo o ângulo de torção na saída quando a entrada é bloqueada e o torque é aplicado. Engrenagens de onda de deformação oferecem alta rigidez torcional, especialmente em projetos específicos, o que é importante para manter a precisão posicional sob carga. Algumas engrenagens de onda de deformação podem ter o dobro da rigidez torcional em comparação a outras engrenagens de onda de deformação.
Engrenagens cicloidais também têm uma boa rigidez torcional devido à sua construção robusta e aos múltiplos pontos de contato. O design do disco cicloidais e dos rolos fornece uma conexão estável e rígida entre entrada e saída, o que minimiza a deflexão torcional.
