Uma porca esférica rotativa converte o movimento rotativo da porca em um deslocamento linear ao longo de um eixo do parafuso que normalmente é fixado contra a rotação. Sua principal função é fornecer movimento linear eficiente e preciso, evitando a necessidade de girar um eixo de parafuso longo ou pesado.
Este arranjo é particularmente útil em eixos de curso longo e alta velocidade, onde a rotação do parafuso pode criar inércia rotacional excessiva, vibração ou chicote do parafuso. No entanto, um sistema de porca rotativa requer um rolamento, acionamento e estrutura de montagem dedicados ao redor da porca.
As porcas esféricas mostradas acima ilustram estruturas comuns de porcas. Um sistema completo de porca rotativa também requer uma caixa de rolamento e um mecanismo de acionamento adequados.
Como funciona uma porca esférica giratória
Um eixo de fuso de esfera convencional geralmente gira o parafuso enquanto evita a rotação da porca. A porca então se move ao longo do parafuso e carrega a mesa da máquina ou outro componente móvel.
Um sistema de porca esférica rotativa inverte esse arranjo. O eixo do parafuso é mantido contra a rotação, enquanto a porca esférica é suportada por rolamentos e acionada por um motor, correia dentada, engrenagem ou outra transmissão rotativa. À medida que a porca gira, ela se desloca ao longo do parafuso estacionário ou produz um movimento linear relativo entre o parafuso e o alojamento da porca, dependendo do layout da máquina.
As esferas circulantes rolam entre as pistas do parafuso e da porca, reduzindo o atrito de deslizamento e transferindo a carga axial. Uma revolução da porca produz um deslocamento linear igual ao avanço do fuso de esferas.
Por exemplo, com um avanço de 10 mm, uma rotação completa produz 10 mm de deslocamento linear teórico:
Curso linear = Número de voltas da porca × avanço do fuso de esferas
Parafuso giratório e porca rotativa comparados
| Recurso | Sistema de parafuso giratório | Sistema giratório de porca esférica |
|---|---|---|
| Componente rotativo | Eixo do parafuso | Porca esférica |
| Componente estacionário | A porca esférica é impedida de girar | O parafuso é impedido de girar |
| Conexão de unidade típica | Motor conectado à extremidade do parafuso | Motor ou acionamento por correia conectado ao alojamento da porca |
| Limitação de velocidade do eixo longo | Afetado pela velocidade crítica do parafuso e chicote | O parafuso não gira, reduzindo as preocupações com o chicote do parafuso |
| Estrutura de acionamento | Geralmente mais simples | Requer rolamentos de porca e uma caixa rotativa dedicada |
Reduzindo chicote de parafuso em eixos longos
Quando um eixo de parafuso longo gira, a força centrífuga pode fazer com que ele se desvie de seu centro de rotação. Esse comportamento é comumente chamado de chicote de parafuso. A velocidade de rotação permitida diminui à medida que o comprimento do parafuso não suportado aumenta.
Se o parafuso operar próximo ou acima de sua velocidade crítica, o eixo poderá sofrer vibração, ruído, instabilidade de posicionamento e danos aos rolamentos de suporte do parafuso. Aumentar o diâmetro do parafuso ou adicionar suportes intermediários pode ajudar, mas essas alterações podem aumentar o tamanho e a complexidade do sistema.
Uma porca rotativa mantém o longo eixo do parafuso estacionário. Isto elimina a rotação do parafuso como fonte direta de vibração de velocidade crítica, tornando o arranjo útil para certos eixos de longo curso que devem operar em velocidades lineares relativamente altas.
O sistema não está livre de limitações de velocidade. A velocidade permitida da porca, a capacidade de circulação da esfera, o desempenho do lubrificante, a velocidade do rolamento e o valor DN ainda devem ser avaliados.
Reduzindo a inércia rotacional
Um eixo de parafuso longo pode ter uma inércia rotacional substancial. O motor deve acelerar e desacelerar todo o eixo durante cada movimento, o que pode aumentar o torque necessário do motor e reduzir a resposta do eixo.
Em um sistema de porca rotativa, apenas o conjunto da porca, seus rolamentos de suporte e os componentes de acionamento conectados giram. Dependendo das dimensões e do layout, isso pode reduzir a inércia rotativa e melhorar o desempenho de aceleração e desaceleração.
A vantagem real deve ser confirmada através de cálculo. Um grande conjunto de alojamento de porca rotativa, polia e rolamento também pode ter uma inércia considerável, portanto o projeto não deve ser selecionado apenas com base em uma suposição geral.
Transmitindo carga axial com eficiência
Como um fuso de esferas convencional, uma porca esférica rotativa utiliza contato rolante entre as esferas e as pistas helicoidais. Isto proporciona menor atrito e maior eficiência mecânica do que um parafuso deslizante comparável.
A porca transmite força axial entre o parafuso estacionário e o conjunto móvel. Sua capacidade de carga depende do diâmetro do parafuso, avanço, tamanho da esfera, número de circuitos carregados, geometria da pista e pré-carga – e não simplesmente da rotação da porca.
Um arranjo de porca rotativa não aumenta automaticamente a carga nominal do fuso de esferas. A porca e o parafuso selecionados ainda devem atender aos cálculos de carga dinâmica, carga estática, rigidez e vida útil exigidos.
Mantendo a precisão do posicionamento
A precisão de posicionamento do eixo completo é influenciada pela precisão do avanço do parafuso, folga axial, pré-carga, rigidez do rolamento de suporte, alinhamento de montagem, expansão térmica e feedback do sistema de controle.
A pré-carga pode reduzir a folga axial e melhorar a rigidez, mas a pré-carga excessiva aumenta o torque de atrito, a temperatura e o desgaste. Leia mais sobrepré-carga em uma porca esférica rotativa.
Os rolamentos de suporte de porca também são importantes. Eles devem controlar o movimento radial e axial enquanto permitem que a porca gire suavemente. A folga ou a deformação neste arranjo de rolamentos podem reduzir o desempenho de posicionamento de todo o eixo.
Partes principais de um conjunto de porca rotativa
Um mecanismo completo de porca rotativa normalmente inclui mais do que uma porca esférica e um eixo de parafuso:
- Um eixo de parafuso esférico fixado contra rotação
- Uma porca esférica adequada para a carga, avanço e velocidade necessários
- Uma carcaça de porca rígida
- Rolamentos de suporte radial e axial ao redor da porca
- Um motor, acoplamento, correia dentada ou engrenagem
- Um fornecimento de lubrificação ou método de manutenção
- Um mecanismo para evitar que o parafuso gire
- Guias lineares para apoiar e restringir a carga em movimento
O fuso de esferas deve transmitir movimento axial em vez de transportar cargas radiais ou de tombamento da mesa da máquina. Estas cargas deverão ser suportadas por guias lineares devidamente instaladas.
Quando vale a pena considerar uma porca esférica rotativa?
Um projeto de porca esférica rotativa pode ser considerado quando:
- O percurso necessário é longo o suficiente para que a velocidade crítica do parafuso se torne uma limitação
- O eixo requer alta velocidade linear em um curso longo
- A inércia rotativa de um parafuso longo limitaria a aceleração
- O layout da máquina permite que o motor e os rolamentos sejam dispostos em torno da porca
- A estrutura adicional de suporte de porca pode ser instalada e mantida de forma confiável
Pode não ser a melhor opção quando o curso é curto, a velocidade de operação é moderada ou a máquina requer a estrutura de acionamento mais simples possível. Nesses casos, um arranjo convencional de parafuso rotativo pode ser mais prático e económico.
Informações de seleção necessárias
Antes de selecionar um fuso de esferas para um sistema de porca rotativa, confirme:
- Curso necessário e comprimento total do parafuso
- Diâmetro do parafuso e avanço
- Velocidade linear máxima e aceleração
- Carga axial e orientação de montagem
- Precisão de posicionamento e repetibilidade necessárias
- Ciclo de trabalho e vida útil esperados
- Requisitos de pré-carga e rigidez axial
- Lubrificação e ambiente operacional
- Espaço disponível para o alojamento da porca, rolamentos e acionamento
Ambientes especiais requerem avaliação adicional. Por exemplo, revise os requisitos de lubrificação, materiais e limpeza antes de usar umporca esférica giratória em um ambiente de vácuo.
Conclusão
A função principal de uma porca esférica rotativa é converter a rotação da porca em movimento linear enquanto mantém o eixo do parafuso estacionário. Este arranjo pode reduzir as limitações do chicote de parafuso e a inércia rotacional em eixos de curso longo e alta velocidade.
No entanto, uma porca rotativa faz parte de um sistema mecânico completo e não é uma substituição direta que pode ser instalada sem reprojeto. Os rolamentos de suporte da porca, a carcaça, a conexão do acionamento, a lubrificação, o alinhamento e a restrição do parafuso devem ser todos projetados para a velocidade, carga e precisão exigidas.
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