A caixa de engrenagens cicloidal

Basicamente, a caixa de engrenagens cicloidal é uma caixa de engrenagens que utiliza um movimento cicloidal para realizar sua rotação. É um projeto muito simples e eficiente que pode ser usado em diversas aplicações. Uma caixa de engrenagens cicloidal é frequentemente usada em aplicações que exigem a movimentação de cargas pesadas. Ela apresenta diversas vantagens em relação à caixa de engrenagens planetária, incluindo a capacidade de suportar cargas e velocidades maiores.

Efeitos dinâmicos e inerciais de uma caixa de engrenagens cicloidal

Diversos estudos foram conduzidos sobre os efeitos dinâmicos e inerciais de uma caixa de engrenagens cicloidal. Alguns deles focam nos princípios de funcionamento, enquanto outros se concentram no modelo matemático da caixa de engrenagens. Este artigo examina o modelo matemático de uma caixa de engrenagens cicloidal e compara seu desempenho com medições em condições reais. É importante dispor de um modelo matemático adequado para projetar e controlar uma caixa de engrenagens cicloidal. Uma caixa de engrenagens cicloidal é uma caixa de engrenagens de dois estágios com um disco cicloidal e uma engrenagem anular que gira em torno de seu próprio eixo.
O modelo matemático é composto por mais de 1,6 milhão de elementos. Cada par de engrenagens é representado por um modelo reduzido com 500 modos próprios. A frequência própria da engrenagem cilíndrica de dentes retos é de 70 kHz. O modelo modalmente reduzido se ajusta bem à caixa de engrenagens cicloidal.
O modelo matemático foi validado utilizando o software ABAQUS. Um disco cicloide foi discretizado para produzir um modelo bastante preciso, que requer 400 pontos de elemento por dente. O modelo também foi verificado por meio de análise de elementos finitos estática (FEA). Em seguida, foi utilizado para modelar a fricção estática das engrenagens em todos os quadrantes. Esta é uma nova abordagem para modelar a fricção estática em uma caixa de engrenagens cicloide. Demonstrou-se que o modelo produz resultados comparáveis ​​aos do modelo EMBS. Os resultados também foram corroborados pelo modelo de simulação multicorpos elástico, que apresentou um bom ajuste para as forças de contato e a magnitude do disco da engrenagem cicloide. Constatou-se também que a precisão de transmissão entre o disco da engrenagem cicloide e a engrenagem anular é de aproximadamente 98,5%. No entanto, esse valor é inferior à precisão de transmissão do par de engrenagens anulares. O erro de transmissão do modelo corrigido é de cerca de 0,3%. A menor precisão de transmissão deve-se à menor quantidade de deformação elástica nos flancos dos dentes.
É importante notar que as forças de contato mais precisas para cada dente de uma caixa de engrenagens cicloide não são suaves. A força de contato em um único dente começa com um aumento linear e termina com uma queda acentuada. Ela não é tão suave quanto a força de contato em um contato pontual, razão pela qual foi comparada à força de contato em um contato elíptico. No entanto, o contato em um contato elíptico ainda é relativamente pequeno, e o modelo EMBS não consegue capturá-lo.
O modelo de elementos finitos (MEF) para o disco cicloide possui cerca de 1,6 milhão de elementos. A parte mais importante do modelo MEF é a discretização do disco cicloide. É crucial realizar a discretização do disco da engrenagem cicloide com extrema precisão devido ao alto grau de vibração a que ele é submetido. O disco cicloide deve ser discretizado com alta resolução para que os resultados sejam comparáveis ​​aos de uma análise de elementos finitos estática. O modelo deve ser o mais preciso possível para simular com exatidão as forças de contato entre o disco cicloide e a engrenagem anular.

Cinemática de um acionamento cicloidal

Utilizando um sistema de coordenadas arbitrário, podemos observar o movimento dos componentes em uma caixa de engrenagens cicloidal. Observamos que o disco cicloidal gira em torno de pinos fixos em um círculo, enquanto o eixo seguidor gira em torno da came excêntrica. Além disso, vemos que o eixo de entrada está montado excentricamente no rolamento.
Observamos também que o disco cicloidal gira independentemente em torno do rolamento excêntrico, enquanto o eixo seguidor gira em torno de um eixo de simetria. Podemos concluir que o disco cicloidal desempenha um papel fundamental na cinemática de uma caixa de engrenagens cicloidal.
Para calcular a eficiência do redutor cicloidal, utilizamos um modelo baseado na rigidez não linear dos contatos. Nesse modelo, a não linearidade do contato é governada pela não linearidade da força e pela deformação no contato. Demonstramos que a eficiência do redutor cicloidal aumenta com o aumento da carga. Além disso, a eficiência depende da velocidade de deslizamento e das deformações da carga normal. Esses fatores são considerados as variáveis-chave para determinar a eficiência do acionamento cicloidal.
Também consideramos a eficiência do redutor cicloidal em função do torque e da velocidade de entrada. Podemos calcular a eficiência dividindo o torque resultante na engrenagem anular pelo torque de saída. A eficiência pode ser ajustada para se adequar a diferentes condições de operação. A eficiência do acionamento cicloidal aumenta com o aumento da carga.
A caixa de engrenagens cicloidal é uma caixa de engrenagens de múltiplos estágios com um eixo central pequeno e um eixo central grande. Possui 19 dentes e arruelas de latão. Os discos externos movem-se em oposição ao disco central e estão defasados ​​em 180 graus. O disco central tem o dobro da massa do disco externo. O disco cicloidal possui nove lóbulos que se movem um lóbulo por revolução do eixo de transmissão. O número de pinos no disco deve ser menor que o número de pinos nos discos adjacentes.
O eixo de entrada aciona um rolamento excêntrico que transmite a potência para o eixo de saída. Além disso, o eixo de entrada aplica forças ao disco cicloidal através do rolamento intermediário. O disco cicloidal avança então em passos de 360 ​​graus/pivô/rolamento. Os pinos do eixo de saída movem-se nos orifícios, fazendo com que o eixo de saída gire continuamente. O eixo de entrada aplica um movimento senoidal para manter a velocidade constante do eixo base. Essa onda senoidal provoca pequenos ajustes no eixo seguidor. As forças aplicadas às buchas internas fazem parte do mecanismo de equilíbrio.
Além disso, podemos observar que a transmissão cicloidal é capaz de transmitir um torque maior do que a engrenagem planetária. Isso se deve ao maior comprimento axial da engrenagem cicloidal e ao menor diâmetro do furo da engrenagem anular. Também é possível obter um encaixe perfeito entre a coroa fixa e o disco, o que é conseguido através do encaixe dos dentes entre a coroa fixa e o disco. O disco cicloidal geralmente é projetado com uma cicloide curta para minimizar as forças de desbalanceamento em altas velocidades.

Comparação com caixas de engrenagens planetárias

Em comparação com as caixas de engrenagens planetárias, a caixa de engrenagens cicloidal apresenta algumas vantagens. Essas vantagens incluem: baixa folga, melhor capacidade de sobrecarga, design compacto e a capacidade de operar em uma ampla gama de aplicações. A caixa de engrenagens cicloidal tornou-se popular no mercado de robótica multieixos. Ela também é cada vez mais utilizada em juntas universais e posicionadores.
Uma caixa de engrenagens cicloidal é composta por quatro componentes básicos: um disco cicloidal, um flange de saída, uma engrenagem anular e um anel fixo. O disco cicloidal é acionado por um eixo excêntrico, que avança em um movimento de 360° com pivô e roletes. O flange de saída é um disco com pinos fixos que transmite a potência para o eixo de saída. A engrenagem anular é um anel fixo e o eixo de entrada é conectado a um servomotor.
A caixa de engrenagens cicloidal é projetada para controlar a inércia em situações altamente dinâmicas. Essas caixas de engrenagens são geralmente usadas em robôs e posicionadores, onde são utilizadas para posicionar cargas pesadas. Elas também são comumente usadas em uma ampla gama de aplicações industriais. Possuem alta densidade de torque e baixa folga, o que as torna ideais para cargas pesadas.
O flange de saída também foi projetado para suportar um torque de até 500 Nm. Sua velocidade de rotação é menor que a da caixa de engrenagens planetária, mas seu torque de saída é muito maior. Ela foi projetada para ser uma caixa de engrenagens de alto desempenho e pode ser usada em aplicações que exigem altas relações de transmissão e alta densidade de torque. A caixa de engrenagens cicloidal também é menos cara e tem menos folga. No entanto, a caixa de engrenagens cicloidal apresenta desvantagens que devem ser consideradas no projeto de uma caixa de engrenagens. O principal problema são as vibrações.
Em comparação com as caixas de engrenagens planetárias, as caixas de engrenagens cicloidais têm um tamanho geral menor e são menos caras. Além disso, a caixa de engrenagens cicloidal possui uma grande relação de redução em um único estágio. Em geral, as caixas de engrenagens cicloidais têm um ou dois estágios, sendo o terceiro estágio menos comum. No entanto, a caixa de engrenagens cicloidal não é o único tipo de caixa de engrenagens com essa configuração. Também é comum encontrar caixas de engrenagens planetárias com um único estágio.
Existem diversos tipos de caixas de engrenagens cicloidais, frequentemente chamadas de redutores de velocidade cicloidais. Essas caixas de engrenagens são projetadas para qualquer indústria que utilize servomotores. Elas são mais curtas que as caixas de engrenagens planetárias e possuem um diâmetro maior para o mesmo torque. Algumas também estão disponíveis com uma relação de transmissão inferior a 30:1.
A caixa de engrenagens cicloidal pode ser uma boa opção para aplicações com altas velocidades de rotação e requisitos de alto torque. Essas caixas de engrenagens também são mais compactas do que as planetárias e adequadas para aplicações de alto torque. Além disso, são mais robustas e capazes de suportar cargas de impacto. Apresentam ainda baixa folga e maior precisão e exatidão de posicionamento. São utilizadas em uma ampla gama de aplicações, incluindo robótica industrial.

editor by CX 2023-05-24