Caixa de engrenagens planetárias para automação industrial: 7 fatores principais de desempenho

Em um pórtico pick-and-place, um servo motor de 750 W funcionando a 3.000 rpm deve fornecer 25 a 30 Nm no eixo de saída e parar a 0,05 mm de sua posição ensinada, 90 vezes por minuto, três turnos por dia. O inversor fornece a velocidade e a malha de controle. A caixa de engrenagens planetárias aparafusada ao flange do motor decide se esses 0,05 mm ainda são 0,05 mm após doze meses de produção ou se abriram até 0,4 mm.

Cinco fatores de desempenho decidem o resultado: folga e rigidez torcional, densidade de torque medida em relação ao fator de serviço real, perda de eficiência por estágio e o calor gerado, vida útil do rolamento de saída sob carga radial e pacote de vedação e lubrificação compatível com o ambiente da planta. Julgue mal dois deles na folha de dimensionamento e o eixo será reprojetado no chão de fábrica em vez de no papel.

Shanghai SGR Heavy Industry Machinery Co., Ltd., conhecida como SGR , constrói caixas de engrenagens planetárias, caixas de engrenagens sem-fim de envelope duplo e redutores combinados para automação industrial e máquinas pesadas, portanto, os critérios abaixo são escritos em torno do que realmente falha, desgasta ou derrapa em uma linha em funcionamento.

O que uma caixa de engrenagens planetária contribui para um eixo automatizado

Uma caixa de engrenagens planetárias multiplica o torque e divide a velocidade de entrada compartilhando a carga entre três ou mais engrenagens planetárias que entram em contato com a engrenagem solar e a coroa interna ao mesmo tempo, e essa malha simultânea impulsiona todas as vantagens e todas as armadilhas de dimensionamento que se seguem.

Uma caixa de engrenagens planetárias é um redutor coaxial no qual uma engrenagem solar central aciona várias engrenagens planetárias montadas em um suporte giratório; os planetas rolam dentro de uma coroa dentada, de modo que a carga transmitida é dividida entre vários pares de dentes em vez de uma única malha.

Três consequências são importantes em um eixo automatizado:

• A proporção por estágio varia de 3:1 a cerca de 10:1, portanto dois estágios atingem aproximadamente 100:1 e três estágios atingem 1.000:1 em um alojamento mais curto do que uma unidade helicoidal comparável.
• O compartilhamento de carga entre três a cinco engrenagens planetárias reduz a força em cada par de dentes, o que aumenta a densidade de torque e a rigidez torcional e reduz o ruído produzido por um projeto de malha única.
• Os eixos de entrada e saída ficam na mesma linha central, de modo que a unidade é montada em flange diretamente em um servo motor sem mover o eixo da máquina.

Essas mesmas propriedades criam os modos de falha. Uma unidade dimensionada apenas com torque médio irá perfurar seus dentes planetários muito antes do rolamento de saída atingir sua vida útil nominal.

Folga e rigidez torcional: o primeiro fator de desempenho

A folga é a folga angular medida no eixo de saída quando a entrada inverte a direção e se converte diretamente em erro de posicionamento: 1 minuto de arco equivale a cerca de 0,15 mm em um braço de 500 mm, 3 minutos de arco equivale a 0,44 mm e 8 a 12 arcmin de uma unidade industrial de uso geral equivale a 1,16 mm ou mais.

A ISO 1328-1:2013 define graus de precisão de engrenagem de 0 a 12, e os conjuntos planetários de grau de automação são normalmente cortados para grau 6 ou grau 7, que é o que permite uma garantia de 3 minutos de arco sem lapidação manual de cada unidade. Um conjunto de grau 5 pode ser encomendado por 1 minuto de arco, com um preço mais alto e um prazo de entrega mais longo.

A rigidez é a segunda metade da mesma especificação. A folga informa a distância que o eixo percorre antes que o caminho de carga se engate; a rigidez torcional, cotada em Nm por minuto de arco, informa até que ponto ela desvia quando a carga é aplicada. Ambos os números pertencem à folha de seleção, e a interação entre eles em um servoeixo é examinada nesta revisão do Determinantes de folga no posicionamento robótico .

Densidade de torque, fator de serviço e seleção de relação

Dimensione uma caixa de engrenagens planetárias com torque máximo em vez de torque nominal, porque um servoeixo aplica rotineiramente 200% a 300% do torque nominal por algumas centenas de milissegundos durante a aceleração e a frenagem. Uma classificação que cobre apenas o torque contínuo irá danificar os dentes do planeta no primeiro ano de uma máquina de alto ciclo.

Aplique um fator de serviço de pelo menos 1,5 para automação de turno único e 2,0 para serviço 24 horas por dia, 7 dias por semana e, em seguida, compare o resultado com a proporção que você realmente precisa. A proporção, a classe de folga e a contagem de estágios não são escolhas independentes: adicionar um estágio para atingir uma proporção mais alta custa cerca de 3 pontos percentuais de eficiência e adiciona folga em cada malha.

Caixa de engrenagens planetárias de alto torque série N Revise esta unidade da Série N ao combinar fator de serviço, relação, folga e contagem de estágios antes de confirmar o torque de pico e os cálculos de serviço ISO 6336. Ver Produto →

Quando o ciclo de trabalho incluir reversão frequente ou alta inércia refletida, confirme o pico de torque, o número de ciclos de pico por hora e os fatores de segurança da raiz do dente e do flanco calculados de acordo com a ISO 6336 antes do pedido ser liberado.

Eficiência, Calor e Ciclo de Trabalho

Cada estágio planetário perde cerca de 2% a 3% da energia que passa por ele, então uma unidade de estágio único retorna cerca de 97%, dois estágios cerca de 94% e três estágios cerca de 91%. A percentagem que falta não desaparece; sai da caixa como calor.

As classificações térmicas são cotadas para um ambiente definido, geralmente 40 graus, e uma posição de montagem definida. Uma unidade que seja termicamente adequada em condições de ar parado pode superaquecer dentro de um gabinete selado, e um fator de serviço mais alto é a solução mais barata: ela seleciona o próximo tamanho de estrutura, o que aumenta a área radiante antes de aumentar muito o custo.

Vida útil do rolamento de saída, cargas radiais e interface de montagem

O rolamento de saída, e não os dentes da engrenagem, é o primeiro componente a ficar sem margem em um eixo acionado por correia, corrente ou pinhão. A vida útil do rolamento de catálogo é calculada de acordo com a ISO 281 e normalmente citada como uma classificação L10 de 20.000 horas com carga nominal, o ponto em que 90% da população sobrevive a essa duração.

Caixa de engrenagens planetárias de alto torque montada em base coaxial série N Considere esta unidade coaxial montada em base quando a vida útil do rolamento de saída, a carga radial, a carga axial e as partidas por hora governarem o eixo acionado. Ver Produto →

Dê ao fabricante três números: a carga radial e seu ponto de aplicação ao longo do eixo de saída, a carga axial e as partidas por hora. Uma carga radial aplicada 25 mm além do previsto pode reduzir pela metade a vida útil calculada do rolamento.

Meio Ambiente, Vedação e Lubrificação

A classe de proteção e a lubrificação são decididas pela fábrica e não pela página do catálogo. IP65 de acordo com IEC 60529 é o mínimo prático onde há presença de lavagem, poeira ou partículas metálicas.

• As unidades seladas com graxa vitalícia eliminam as trocas de óleo, mas apresentam um limite térmico contínuo mais baixo do que as estruturas lubrificadas com óleo do mesmo tamanho.
• Unidades lubrificadas a óleo que funcionam com óleo de engrenagem mineral ou sintético de acordo com ISO VG 220 suportam melhor velocidades mais altas e trabalho contínuo, ao custo de um intervalo de troca de óleo.
• As áreas alimentícia, farmacêutica e de embalagens geralmente especificam lubrificantes com registro NSF H1, que devem ser escolhidos antes da montagem da unidade e não depois.
• Extremos ambientais, abaixo de 10 graus negativos ou acima de 45 graus, alteram a escolha do lubrificante e podem exigir um aquecedor ou ventilador.

Uma sequência de seleção de seis etapas para máquinas automatizadas

Combine a caixa de engrenagens com o ciclo de trabalho em seis etapas e registre o número atrás de cada etapa para que uma alteração posterior possa ser atribuída a uma decisão e não a um palpite.

Caixa de engrenagens planetárias para aplicações de transmissão giratória Use esta caixa de engrenagens planetárias ao combinar as etapas do ciclo de trabalho; se uma verificação falhar, considere um quadro maior antes de mudar para uma proporção mais baixa. Ver Produto →

Se uma etapa falhar, aumente o tamanho do quadro antes de passar para uma proporção menor; superdimensionar o quadro é reversível, subdimensionar a proporção não.

Folga, densidade de torque, eficiência, vida útil do rolamento e vedação são os cinco fatores que separam uma caixa de engrenagens planetárias que mantém a tolerância por uma década daquela que se torna um item de linha no registro de manutenção. Especificar todos os cinco em relação ao ciclo de trabalho real leva uma tarde; corrigi-los após o comissionamento ser desligado.