Torque inicial do parafuso esférico versus torque de operação: por que são diferentes?

O torque inicial do parafuso esférico e o torque de operação descrevem diferentes condições operacionais. O torque inicial deve iniciar a rotação e acelerar o eixo, enquanto o torque operacional mantém o sistema em movimento após a estabilização do movimento.

Em um sistema de fuso de esferas montado corretamente, o torque de partida pode ser moderadamente maior que o torque de funcionamento constante. No entanto, um grande aumento de torque, uma forte resistência-dependente da posição ou um aumento contínuo da corrente do motor podem indicar lubrificação inadequada, pré-carga excessiva, resistência de vedação, problemas de rolamento-de suporte ou desalinhamento de instalação.

Compreender de onde vem o torque ajuda a distinguir a resistência normal do fuso de esferas de um problema mecânico em desenvolvimento.

1. O que é o torque inicial do fuso de esferas?

O torque inicial é o torque necessário no momento em que o fuso de esferas começa a girar a partir do repouso. Também é chamado de torque de ruptura em alguns contextos de engenharia e manutenção.

O torque inicial pode incluir:

• Torque necessário para mover a carga axial externa
• Torque necessário para acelerar a massa em movimento
• Torque necessário para acelerar o fuso de esferas, o acoplamento e o rotor do motor
• Arrasto interno da pré-carga do fuso de esferas
• Resistência de vedações de porca e limpadores
• Suporta-resistência aos rolamentos e à{1}}vedação de óleo
• Resistência da graxa antes de começar a circular
• Resistência à guia, à corrente-do cabo e à vedação da máquina-

O torque inicial não é necessariamente um valor fixo. Ele pode mudar com a temperatura, condição de lubrificação, posição do parafuso, direção de deslocamento e quanto tempo a máquina permaneceu parada.

2. O que é o torque de funcionamento do fuso de esferas?

O torque de operação é o torque necessário após o parafuso esférico começar a se mover. Ele pode ser avaliado durante aceleração,-deslocamento em velocidade constante ou desaceleração, portanto a condição operacional deve ser declarada ao comparar valores.

Para análise prática, o torque de funcionamento pode ser dividido em duas condições:

Torque de funcionamento durante a aceleração

O motor deve continuar acelerando a massa em movimento e os componentes giratórios. O torque pode permanecer próximo do valor inicial até que a velocidade alvo seja alcançada.

Torque de funcionamento constante

Depois que o eixo atinge uma velocidade constante, o torque de aceleração torna-se aproximadamente zero. O motor precisa principalmente superar a carga de trabalho externa e a resistência mecânica do sistema de fuso de esferas.

É por isso que o torque de funcionamento constante é geralmente menor que o torque de partida ou de aceleração.

3. Torque inicial versus torque de execução

Comparação	Torque inicial	Torque de funcionamento constante
Condição operacional	O eixo começa a se mover a partir do repouso	O eixo se move a uma velocidade aproximadamente constante
Torque de aceleração	Normalmente incluído	Aproximadamente zero em velocidade constante
Resistência à graxa	Pode ser maior após uma parada longa ou em baixa temperatura	Pode diminuir após a redistribuição do lubrificante
Verificação do motor	Verifique o pico de torque	Verifique o torque contínuo e RMS
Sintoma típico se excessivo	Pico atual de inicialização ou falha na movimentação	Calor contínuo, alta corrente ou velocidade instável

4. Componentes básicos do torque do fuso de esferas

O torque total do motor durante a partida pode ser representado conceitualmente como:

Em velocidade constante, a equação se torna aproximadamente:

Onde:

• T_carregaré o torque necessário para superar a carga axial externa.
• T_{aceleração linear}é o torque necessário para acelerar a mesa móvel e a carga útil.
• T_{inércia rotativa}é o torque necessário para acelerar o fuso de esferas, o acoplamento e outras peças rotativas.
• T_arrastarinclui pré-carga da porca esférica, vedações, lubrificação e resistência interna ao rolamento.
• T_outroinclui rolamentos de suporte, guias, correntes de cabos e outras resistências de máquinas.

Esta distinção é importante porque o próprio fuso de esferas pode ser responsável por apenas parte do torque medido do motor.

5. Cálculo do torque a partir da carga axial

O torque necessário para converter o movimento rotativo em força axial pode ser estimado usando:

Este cálculo não inclui automaticamente o torque de pré-carga da porca, vedações, rolamentos de suporte ou inércia rotativa. Esses componentes adicionais de torque devem ser considerados separadamente.

Por exemplo, suponha que um fuso de esferas mova uma carga axial de 1.000 N com um avanço de 10 mm e uma eficiência de acionamento estimada de 0,90:

Se o torque de funcionamento constante medido for 2,10 N·m, os 0,33 N·m adicionais poderão ser provenientes do arrasto da porca esférica, dos rolamentos de suporte, das vedações e de outras resistências da máquina.

Se o torque de partida atingir 3,00 N·m, a diferença também pode incluir torque de aceleração e maior resistência do lubrificante na partida. O resultado deve ser analisado separando as condições operacionais em vez de assumir que o fuso de esferas está com defeito.

6. Como a pré-carga do fuso de esferas afeta o torque

A pré-carga do fuso de esferas remove ou reduz a folga axial interna, mantendo o contato controlado entre as esferas e as pistas. Isto melhora a rigidez e a precisão da reversão, mas também aumenta a resistência interna ao rolamento.

Uma pré-carga mais alta geralmente produz:

• Folga axial inferior
• Maior rigidez do sistema
• Melhor estabilidade de reversão
• Maior torque de arrasto
• Maior corrente do motor
• Mais calor friccional em velocidade

Uma porca pré-carregada pode, portanto, parecer mais apertada do que uma porca do tipo folga-mesmo quando ambos os produtos estão funcionando corretamente.

No entanto, mais pré-carga nem sempre é melhor. A pré-carga excessiva pode causar aquecimento anormal, redução da velocidade máxima, maior demanda do motor e menor vida útil do fuso de esferas.

O torque de pré-carga deve ser avaliado usando as especificações do fabricante para o diâmetro real do parafuso, avanço, tipo de porca e nível de pré-carga. Um único padrão universal-de toque não pode ser aplicado a todos os fusos de esferas.

7. Resistência de vedação e limpador

As vedações da porca do parafuso esférico ajudam a limitar a entrada de poeira e contaminantes, ao mesmo tempo que retêm o lubrificante dentro da porca. Como os lábios de vedação entram em contato ou seguem de perto a superfície do parafuso, eles contribuem para a resistência ao funcionamento.

A resistência da vedação pode tornar-se mais perceptível quando:

• Os selos são novos
• O material de vedação é relativamente rígido
• A temperatura operacional é baixa
• A superfície do parafuso está seca
• As vedações estão contaminadas ou danificadas
• A vedação não é adequada para a geometria do parafuso

Uma quantidade pequena e consistente de arrasto do selo pode ser normal. A resistência que muda bruscamente em uma posição do parafuso ou produz danos visíveis na vedação requer inspeção.

8. Como a lubrificação muda o torque inicial

A lubrificação reduz o contato com o metal e promove uma circulação suave da esfera, mas o tipo, a quantidade, a temperatura e a condição do lubrificante também afetam o torque de arrasto.

Viscosidade da graxa

Uma graxa de alta-viscosidade ou alta{1}}consistência pode criar mais resistência do que um lubrificante mais leve, especialmente durante a inicialização. O lubrificante deve ser selecionado de acordo com a carga, velocidade, temperatura e requisitos do fabricante do fuso de esferas.

Baixa temperatura

A graxa torna-se mais resistente ao movimento à medida que a temperatura cai. Um fuso de esfera que opera normalmente em uma oficina quente pode exigir um torque de partida visivelmente maior em um ambiente frio.

Gordura excessiva

Encher demais a porca pode causar agitação da graxa. As bolas devem empurrar o excesso de graxa pelo sistema de circulação, aumentando o arrasto e a temperatura.

Lubrificação insuficiente

Muito pouco lubrificante também pode aumentar a resistência porque os contatos rolantes e as vedações operam sem uma película lubrificante adequada. Pode causar ruído, aumento de temperatura e desgaste progressivo.

Longos períodos sem movimento

Após uma longa parada, o lubrificante pode não ser mais distribuído uniformemente pela área de trabalho. O torque inicial pode mudar temporariamente até que o movimento lento-de curso completo o redistribua.

Para seleção detalhada de lubrificantes e princípios de manutenção, consulteLubrificação de fuso de esferas: óleo versus graxa e práticas de manutenção.

9. Por que um novo fuso de esferas pode parecer mais apertado

Um novo parafuso de esfera pode ter um arrasto maior ou mais perceptível do que um conjunto do tipo folga desgastado-porque seu contato-com-a pista, a pré-carga, as vedações e o lubrificante ainda estão em sua condição original.

Um novo fuso de esferas pode parecer uniformemente apertado devido a:

• Pré-carga de porca especificada
• Novo contato de vedação
• Graxa fresca que ainda não foi distribuída
• Baixa temperatura durante a inspeção
• Rolamentos de suporte que também são pré-carregados

A resistência uniforme é diferente da ligação. Um parafuso montado corretamente deve girar suavemente sem pontos apertados repentinos, arranhões, cliques metálicos ou grandes variações de torque ao longo do curso.

Não acione deliberadamente um parafuso esférico anormalmente apertado em alta velocidade para "desgastá-lo". Primeiro confirme as especificações do produto, lubrificação e condições de instalação.

10. Desalinhamento de instalação e alto torque

Um parafuso de esfera é projetado principalmente para suportar força axial. Não deve ser forçado a compensar um motor desviado, unidades de suporte desalinhadas ou um alojamento de porca esférica posicionado incorretamente.

Problemas comuns de alinhamento incluem:

• O eixo do motor e o parafuso esférico não são coaxiais.
• O acoplamento está instalado com desvio excessivo ou erro angular.
• As unidades de rolamento fixas e apoiadas não estão alinhadas.
• O alojamento da porca puxa a porca esférica lateralmente.
• O eixo do parafuso não está paralelo às guias lineares.
• Os assentos do rolamento ou ressaltos do eixo não correspondem às dimensões do-suporte final.
• Os parafusos de montagem são apertados antes que a montagem possa se auto-alinhar.

O desalinhamento geralmente produz torque que muda com a posição do parafuso. Por exemplo, o eixo pode girar facilmente perto de uma extremidade, mas ficar tenso perto do centro ou da extremidade oposta.

Nessa situação, aumentar a potência do motor não elimina a causa mecânica. Isso pode permitir que a máquina continue se movendo enquanto acelera o desgaste da porca, dos rolamentos de suporte e do acoplamento.

11. Os rolamentos de apoio também podem aumentar o torque

O alto torque nem sempre é causado pela porca esférica. Unidades de suporte de extremidade-fixas geralmente usam rolamentos de contato-angulares para controlar o movimento axial. A disposição dos rolamentos e a pré-carga influenciam a resistência rotacional.

O torque do-rolamento de suporte pode se tornar excessivo devido a:

• Pré-carga excessiva do rolamento
• Orientação incorreta do rolamento
• Porca de travamento apertada demais
• Quantidade inadequada de graxa
• Rolamento incorreto-ajuste do assento
• Contaminação ou danos nos rolamentos
• Extremidades fixas e apoiadas sendo forçadas para fora do alinhamento

Se o parafuso esférico girar suavemente antes de a contraporca de suporte ser apertada, mas ficar apertado depois, o conjunto-do rolamento de suporte deverá ser verificado antes de trocar a porca esférica.

12. Torque inicial nos eixos horizontais e verticais

Eixo horizontal

Num eixo horizontal, as guias lineares normalmente suportam o peso da mesa móvel. O torque inicial do fuso de esferas é determinado principalmente pela aceleração, força do processo, resistência da guia e arrasto interno do sistema.

Eixo vertical

Num eixo vertical, o motor também deve vencer a gravidade durante o movimento ascendente. O torque inicial pode, portanto, ser substancialmente maior do que em um eixo horizontal semelhante.

Um eixo vertical pode retroceder-quando o torque do motor é removido. O cálculo do torque não substitui a necessidade de um freio de motor, contrapeso ou sistema de retenção de carga mecânica-adequado.

13. Como medir o torque de arrasto do parafuso esférico

O torque de arrasto é melhor medido sob uma condição claramente definida. Registre se a medição inclui apenas a porca esférica, os rolamentos de suporte, as vedações, o acoplamento ou o eixo completo da máquina.

Um procedimento prático de inspeção é:

1. Torne a máquina segura e remova forças externas do processo.
2. Para eixos verticais, apoiar mecanicamente a carga antes de desconectar o motor ou freio.
3. Desconecte o motor ou acoplamento se o teste tiver como objetivo isolar o conjunto mecânico.
4. Use um instrumento de medição de torque-de faixa baixa adequado na extremidade do parafuso.
5. Gire o parafuso lentamente na direção direta e registre o pico inicial.
6. Continue girando a uma velocidade baixa estável e registre o torque de funcionamento.
7. Repita o teste na direção inversa.
8. Meça em diversas posições ao longo do curso utilizável.
9. Repita depois que o lubrificante e o conjunto atingirem uma temperatura estável.

A medição deve ser repetida nas mesmas condições ao comparar diferentes parafusos ou monitorar alterações ao longo do tempo.

A corrente do motor pode fornecer informações úteis sobre a condição, mas não é automaticamente igual ao torque do parafuso esférico. A conversão requer o torque do motor constante e deve considerar o inversor, o motor, o acoplamento e a condição completa do eixo.

14. Como interpretar a medição

Torque uniforme em todo o curso

A resistência consistente pode indicar pré-carga normal, arrasto da vedação ou resistência à lubrificação. Compare o valor com a especificação do produto ou máquina.

Uma posição apertada

Um aumento de torque localizado pode indicar danos ao eixo, contaminação, defeitos na pista, flexão local ou distorção de instalação.

O torque aumenta em direção a uma extremidade

Isso pode indicar desalinhamento da unidade de suporte-, deslocamento do alojamento da porca-ou perda de paralelismo entre o fuso de esferas e as guias lineares.

O torque é alto em ambas as direções após a instalação do suporte

Verifique a pré-carga do rolamento da extremidade-fixa, a contraporca, o ajuste do rolamento e o alinhamento das duas unidades de suporte.

O torque de partida é alto quando frio, mas diminui após vários ciclos

A viscosidade do lubrificante e a rigidez da vedação podem estar contribuindo. Confirme se a graxa é adequada para a temperatura operacional mínima.

O torque de funcionamento continua a aumentar

Um aumento contínuo é mais preocupante do que um breve pico de inicialização. Pare e inspecione quanto a problemas de lubrificação, pré-carga excessiva, desalinhamento, danos nos rolamentos ou aquecimento anormal.

15. Resistência normal ou problema?

Observação	Possível interpretação
Resistência suave e uniforme	Pode ser pré-carga normal, vedação ou arrasto do lubrificante
Breve aumento de inicialização em baixa temperatura	Verifique a classificação da temperatura do lubrificante e a quantidade de graxa
Ponto apertado repentino na mesma posição	Inspecione o alinhamento, contaminação e condição da pista
Mudanças de torque após apertar o alojamento da porca	Possível desalinhamento do-alojamento da porca
Mudanças de torque após apertar a contraporca de suporte	Possível problema de pré-carregamento-de suporte
Alto torque de funcionamento com aumento de temperatura	Pare e inspecione o conjunto completo

16. Qual torque deve ser usado na seleção do motor?

A seleção do motor não deve usar apenas torque de partida ou apenas torque de operação. O ciclo de movimento completo deve ser verificado.

• Torque máximo do motordeve cobrir inicialização, aceleração, desaceleração e picos curtos de força-de processo.
• Torque contínuodevem abranger o movimento sustentado e as condições de retenção, quando aplicável.
• Torque RMSdeve permanecer dentro da capacidade térmica do motor durante todo o ciclo de trabalho.
• Torque disponível na velocidade de operaçãodeve ser verificado a partir da curva de velocidade-de torque do motor.

Adicionar um fator de segurança é útil, mas não deve ser usado para ocultar resistências mecânicas desconhecidas. O arrasto do parafuso esférico, o torque do rolamento-de suporte, a resistência da guia e as forças externas devem ser estimados ou medidos separadamente sempre que possível.

17. Solução de problemas de torque inicial excessivo

Se o torque de partida for maior que o esperado, verifique o sistema nesta ordem:

1. Confirme se o eixo está horizontal ou vertical e se o cálculo da carga está correto.
2. Verifique as configurações de aceleração, velocidade do motor e perfil-de movimento.
3. Confirme o tipo de porca esférica e a pré-carga especificada.
4. Inspecione o tipo de lubrificante, quantidade, condição e faixa de temperatura.
5. Verifique as vedações e os limpadores quanto a danos ou contaminação.
6. Gire o parafuso esférico antes de conectar o alojamento da porca para identificar alterações na montagem.
7. Verifique a pré-carga do rolamento da extremidade-fixa e a condição da contraporca.
8. Verifique o alinhamento entre o motor, o acoplamento e o fuso de esferas.
9. Verifique o paralelismo entre o fuso de esferas e o sistema de guia linear.
10. Meça o torque em diversas posições e em ambas as direções.

Substituir o motor por um modelo maior não deve ser a primeira resposta ao torque inexplicável. Se a resistência mecânica for anormal, um motor mais forte poderá apenas retardar a falha enquanto aumenta a tensão no acoplamento, na porca e nos rolamentos de suporte.

Conclusão

O torque inicial do parafuso esférico é normalmente maior que o torque de funcionamento constante porque o motor deve iniciar o movimento, acelerar os componentes móveis e rotativos e superar a resistência inicial da pré-carga, vedações, lubrificante e rolamentos de suporte.

A diferença deve ser suave, repetível e consistente com o fuso de esferas selecionado e o projeto da máquina. Grande variação de torque, pontos apertados localizados, torque de funcionamento crescente ou calor excessivo não devem ser descartados como comportamento normal de interrupção-.

A avaliação confiável exige que a carga externa, a aceleração, o arrasto do parafuso esférico, a resistência do rolamento-de suporte e o alinhamento completo da máquina sejam considerados separadamente. Isto permite selecionar o motor correto e identificar problemas mecânicos antes que causem desgaste prematuro.

Suprimentos DLYparafusos de esferaem diferentes diâmetros, cabos, estruturas de porca, condições de pré-carga e graus de precisão. A usinagem final e as unidades de suporte correspondentes também podem ser confirmadas de acordo com o layout da máquina.

Para inspeção e cuidados de rotina, consulte oGuia de manutenção de fusos de esferas laminadas.

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