Um sistema de cremalheira e pinhão é uma variação do pinhão e cremalheira tradicional que substitui o pinhão dentado (engrenagem) por um pinhão gaiola que incorpora rolos suportados por rolamentos.
Cada rolo do pinhão é suportado por dois rolamentos de agulhas, o que elimina o atrito de deslizamento que ocorre nos sistemas tradicionais de cremalheira e pinhão. Isto reduz significativamente o calor e o desgaste do pinhão, com uma eficiência de até 99%.
O perfil do dente da cremalheira também é único. Ele é criado colocando pontos espaçados uniformemente em torno de um círculo e, à medida que o círculo rola sobre uma superfície plana, seguindo esses pontos até atingir a superfície. Os caminhos criados por esses pontos são curvas cicloidais que formam um perfil semelhante a um dente. A seguir, rolos, que funcionam como dentes do pinhão, são colocados em cada ponto do aro. À medida que o círculo rola mais uma vez sobre uma superfície plana, os rolos modificam as curvas para criar os dentes reais da engrenagem. O resultado é um perfil de dente que permite que os roletes do pinhão se aproximem dos dentes tangentemente, de modo que rolem suavemente ao longo da face do dente. Isto não apenas reduz significativamente o ruído, mas o design do dente pode ser modificado para permitir que dois ou mais rolos sejam carregados em oposição (pré-carregados), praticamente eliminando a folga.
Pontos equidistantes ao redor de um círculo formam curvas cicloidais à medida que o círculo rola sobre uma superfície plana. Os rolos posicionados nesses mesmos pontos mudam as curvas à medida que o círculo volta para a superfície plana. Isso cria o perfil do dente da cremalheira, que é ainda modificado para permitir que vários rolos do pinhão engatem em oposição, criando uma pré-carga.
Crédito da imagem: Nexen Group, Inc.
Quando instalados e usados corretamente, alguns modelos de cremalheira e pinhões podem atingir uma precisão de posicionamento de ±30 μm, e a precisão de posicionamento não se deteriora até que os rolamentos de agulha cheguem ao fim de sua vida útil. Os rolamentos de rolos de agulhas são lubrificados permanentemente e vedados, portanto não necessitam de lubrificação.
Para resistência à corrosão, as cremalheiras e os corpos do pinhão podem ser feitos de aço inoxidável, aço cromado duro ou aço niquelado. E alguns modelos podem funcionar sem lubrificação da cremalheira ou do pinhão, desde que a velocidade não ultrapasse 0,5 m/s. Os racks também podem ser feitos de material termoplástico, que é autolubrificante e resiste à corrosão de diversos tipos de contaminantes e produtos químicos.
Considerações de montagem e operação
Para funcionar adequadamente e proporcionar vida útil ideal ao sistema, os sistemas de pinhão e cremalheira de rolos exigem pré-carga constante em todo o seu comprimento. Isto significa que a cremalheira e o sistema de guia linear (por exemplo, trilho perfilado) devem ser montados paralelamente um ao outro. Se a cremalheira e a guia convergirem (se moverem em direção uma à outra) em qualquer ponto, a pré-carga no pinhão será excessiva, o que pode causar ruído e emperramento, resultando em menor vida útil do rolamento do pinhão. Se a cremalheira e a guia divergirem (se afastarem uma da outra) em qualquer ponto, a pré-carga do pinhão será reduzida ou perdida, resultando em folga do sistema, ruído e redução da vida útil do sistema.
O alinhamento entre a cremalheira e a guia linear é fundamental para garantir a correta manutenção da pré-carga do pinhão.
Aplicações e usos
Os pinhões de cremalheira e de rolos muitas vezes podem alcançar melhor precisão de posicionamento e repetibilidade do que os sistemas tradicionais de cremalheira e pinhão (sem componentes adicionais, como pinhões separados ou pinhões duplos). Eles podem ser fornecidos em comprimentos muito maiores que os fusos de esferas, com capacidades de velocidade de até 11 m/s, independentemente do comprimento.
Os motores lineares oferecem as capacidades de longo comprimento e alta velocidade dos sistemas de pinhão e cremalheira, mas os motores com núcleo de ferro são frequentemente necessários para aplicações dinâmicas com cargas elevadas, o que significa que as forças dentadas devem ser mitigadas e o resfriamento pode ser necessário. Os acionamentos por correia também podem fornecer cursos longos e altas velocidades, mas com rigidez e capacidade de carga muito mais baixas.
Comparado a essas alternativas, o “ponto ideal” para um sistema de cremalheira e pinhão poderia ser descrito como uma aplicação que requer curso longo, alta velocidade de deslocamento e boa capacidade de força de impulso, tudo isso mantendo boa precisão de posicionamento e repetibilidade. Exemplos são unidades de transferência de robôs, robôs de pórtico e grandes equipamentos de usinagem ou corte, como cortadores a jato de água. E uma aplicação com qualquer combinação desses requisitos, ocorrendo em um ambiente de sala limpa ou que exija uma resistência à corrosão muito alta, também seria adequada para um sistema de cremalheira e pinhão.
