Acoplamento elástico sem folga

Esqueça (quase tudo) que você sabia sobre acoplamentos. Aquele ditado que diz que devemos sempre nos aprimorar e estar atualizados, nunca foi tão real na Mecatrônica como nos dias de hoje. Os conceitos antigos de componentes eletromecânicos devem atualmente ser reciclados e adaptados à nova realidade de mercado, para se agregarem às características necessárias de modo a inseri-los no novo conceito da Automação Industrial atual e, sem querer fazer, um trocadilho: deixar a Mecatrônica “atual”.

Seria ineficaz considerarmos em um projeto um motor de passo ou servomotor de alta precisão, se os componentes ligados a eles como: acoplamentos, redutores, posicionadores, fusos de esferas, guias lineares, etc., não conseguissem manter no sistema o nível de precisão e “repetibilidade” tão almejados (e por estas características, sempre bem mais caros).

Foi por essa razão que as empresas que se especializaram em produtos e serviços voltados à Automação Industrial estão comercializando produtos particularmente dedicados a este nicho da precisão, tais como os acoplamentos sem folga que vamos abordar neste artigo. Lembramos que um componente simples e muitas vezes negligenciado em suas aplicações, pode tornar-se um elemento preocupante e motivo de muitas horas paradas nos equipamentos de fábrica, caso eles sejam projetados sem se considerar as novas variáveis de projeto como “repetibilidade”, precisão, resolução, folga, etc., ou pelo menos as variáveis que vieram a tona nos últimos anos.

Podemos exemplificar com um dos elementos de máquina mais difundidos nos dias de hoje: o fuso. Num passado mais remoto, os fusos trapezoidais dominavam as aplicações. Com o passar do tempo, veio o fuso de esferas recirculantes, logo depois surgiu uma categoria mais precisa, a dos fusos retificados, e com ela a categoria dos fusos de esferas retificados e pré-carregados, mostrando que os processos exigem e o mercado reage criando ou barateando processos.

A evolução rápida e invisível da eletrônica de drives digitais com rápidas acelerações e velocidades de trabalho altas e precisas alteraram drasticamente as exigências a demanda dos acoplamentos elásticos no que tange a precisão, folga e “repetibilidade”.

Não devemos esquecer as funções principais dos acoplamentos: compensar os desalinhamentos, não forçar os rolamentos dos motores ou mancais a eles ligados, evitar a transmissão de vibrações ou cargas a equipamentos delicados, etc., mas devemos aliar a estes conceitos as características especiais que os inserirão no universo da automação de precisão, na mesma classe de periféricos como encoders, resolvers, tacos, fusos pré-carregados, guias pré-carregadas, entre outros.

Atualmente as máquinas são projetadas para serem menores, leves, rápidas, silenciosas e mais precisas. Nesse mesmo trilho seus componentes, como os motores, devem ser menores (com ou sem redutores de precisão) alcançando altas velocidades (5000 ou 6000 rpm), precisões centesimais e torques de 100 ou 200 Nm, que eram proibitivos ou de alto custo, há 20 anos atrás.

Os “designs” antigos dos acoplamentos são totalmente incompatíveis com essa realidade. Por exemplo: os acoplamentos de “grade” ou de engrenagem, amplamente usados no mercado brasileiro, trabalham com “molas” de cromo-vanádio, que impedem certa propagação de choques e vibrações, mas apresentam folgas e um grande desgaste, impedindo sua utilização em processos repetitivos.

Os acoplamentos tipo “JAW”, muito encontrados em bombas centrífugas e unidades hidráulicas são muito resilientes para partidas de alta dinâmica (não considerando aí sua alta folga natural). Mesmo os acoplamentos de ultimas gerações como é o caso dos acoplamentos de lâmina que apresentam alta rigidez e baixa inércia, têm sua aplicação restrita a cargas baixas, visto que o parafuso que une as lâminas pode se desgastar em aplicações de altas cargas e gerará uma folga no sistema. Sem mencionar ainda o elevado custo de sua manutenção devido ao grande número de componentes e da qualidade especial dos mesmos, citadas mais abaixo desse artigo.

Uma aplicação corrente em motores de passo, motores DC e encoders é o acoplamento em hélice, entretanto, ele não é totalmente rígido em termos de torção e traz problemas ao ser empregado em sistemas com reversão freqüente em altas acelerações e desacelerações. A versão em aço inoxidável ameniza o problema, porém, trazendo a tona o problema do aumento da inércia e do custo.

Como já descrevemos antes, o melhor acoplamento dependerá do tipo de aplicação e, na quase a totalidade das vezes, teremos que escolher certas características em detrimento das outras. As intersecções entre os modelos de mercado serão muitas e o projetista deverá escolher aquele que melhor se adapte a sua aplicação, a ponto de que o tópico decisivo poderá ser um detalhe como o de facilidade de montagem ou baixo custo de manutenção.

Vamos citar algumas características que podem ser necessárias em várias aplicações, que necessitem de um acoplamento nos dias de hoje:

Compensação para desalinhamento axial, radial e angular;

  • – Folga zero;
  • – Baixa inércia;
  • – Alta rigidez;
  • – Vida alta sem materiais de desgaste;
  • – Não transmissão de choques e vibrações;
  • – Absorver dilatações dos eixos do motor e do sistema;
  • – Confinar um motor e isolá-lo (de uma ambiente a prova de explosão, contaminado, etc.);
  • – Adequação a espaços pequenos e fácil montagem;
  • – Isolamento elétrico do equipamento;
  • – Propriedade de funcionar como um fusível mecânico nos torques elevados;
  • – Suportar altas temperaturas ou ambientes agressivos.

Hoje, no mercado focalizado para automação industrial, poderemos encontrar mais de 30 modelos diferentes de acoplamentos, mas a nossa intenção aqui será abordar com praticidade e objetividade os mais comumente encontrados nas fábricas e industrias no Brasil.

ACOPLAMENTOS MAGNÉTICOS

Vamos começar com este tipo de acoplamento – visto na figura 1, por achar que os mesmos sejam os mais desconhecidos e por suas particularidades e aplicações ímpares que, muitas vezes, são a única solução do engenheiro ou projetista.

Como o leitor já deve estar imaginando, o acoplamento magnético utiliza a força de campos magnéticos que se alternam para transmitir um torque (de alta intensidade) de maneira suave e com uma característica única: ele não precisa de contato mecânico para essa transmissão (veja na figura 1 que um polímero ou vidro encontra-se entre o ponto do motor e do equipamento). Observe que contaminantes externos não alteram a eficiência do produto, permitindo encapsular as flanges e lavar toda a máquina, por exemplo.

Figura 1 – Acoplamentos magnéticos.

Permite-se um “gap” entre as duas flanges (movida e motora), o que permite isolar um motor comum para trabalho em uma área classificada, por exemplo, ou seu emprego em ambientes de extrema temperatura, onde o acionamento precise ser constantemente refrigerado, ou até mesmo em aplicações onde o equipamento deva estar submerso em água ou em banho de óleo. Vale aí ressaltar que quanto maior for o gap, menor será o torque transmitido.

Outra variação construtiva de tal acoplamento é sua utilização como limitador de torque. A vantagem da aplicação deste tipo de acoplamento em processos contínuos sujeitos a travamentos constantes é que tanto o motor quanto a carga ficam protegidos do sobretorque, não prejudicando o sistema.

Um bom exemplo prático da aplicação destes acoplamentos, que pode ser observado na figura 2, é no fechamento de tampas de garrafas de colas, refrigerantes, sucos, águas, etc. Nessa aplicação o acoplamento age como um limitador de torque, a máquina gira a tampa até seu final de curso, o endurecimento fará simplesmente que o processo de fechamento se interrompa, e que o torque dado (pré-estabelecido) seja garantido. Como já citamos anteriormente, este torque desejado no fechamento da garrafa é obtido no próprio equipamento onde há uma escala graduada no corpo do acoplamento, ao girar-se esta escala o operador estará grosseiramente afastando ou aproximando os ímãs. Produtos químicos, por exemplo, são fechados com torques maiores, que impedem uma criança de abri-los com certa “facilidade”.

Como nesse processo não há contato físico entre as partes, a vida do equipamento é quase infinita, possibilitando um elevadíssimo número de ciclos sem manutenção e com alta repetibilidade.

Figura 2 – Aplicação do acoplamento magnético para fechamento de garrafa.

ACOPLAMENTOS DE FOLE

Os acoplamentos de fole são ideais para aplicações de folga zero e alta rigidez torsional, como é o caso das aplicações em sistemas que empregam acionamentos por servomotores. A baixa inércia do corrugado do fole possibilita respostas rápidas e sem folga, enquanto que possibilita a compensação axial de 0,5 mm; 0,2 mm radial e 1,5 graus angular.

O fole age como uma junta de dilatação para compensar as alterações térmicas dos eixos dos servos que se aquecem em altas velocidades como 3.000 ou 6.000 rpm. Podem ser fornecidos com 2 pacotes de corrugados para acomodar mais desalinhamentos, tanto no sentido lateral (o mais desejado) como no axial.

O único problema que podemos citar desse acoplamento é a dificuldade que temos em checar as condições de instalação visualmente. Os fabricantes de máquinas optam por usar sistemas a laser ou matrizes para checagem dimensional dos eixos que vão receber os acoplamentos. Isto porque se as especificações de tabela dos acoplamentos de fole não forem seguidas (como torque, velocidade, desvios, etc.), a fadiga do fole e sua conseqüente quebra será inevitável num pequeno espaço de tempo de sua instalação.

Outro ponto negativo deste tipo de acoplamento é que ele não tem partes móveis ou de desgaste, o que significa que toda a peça deverá ser trocada em caso de falha do produto, com uma parada maior de produção para tanto.

Segundo Sergio Araújo Lacerda, engenheiro responsável pelos projetos de mesas coordenadas XYZ da Kalatec Automação, o acoplamento de fole é, junto com o acoplamento de insertos poliméricos e o modelo Oldham (que abordaremos adiante), os acoplamentos mais utilizados na automação industrial nos dias de hoje.

Ainda segundo ele, sua experiência no projeto e fabricação de mesas coordenadas XYZ (figura 3) permite dizer que o acoplamento de fole apresenta em sua falha duas características visíveis.

Figura 3 – Aplicação do Oldham com mesa XY.

A primeira é a falha na crista do corrugado, que é geralmente relacionada a um excesso de torque ao qual o acoplamento foi submetido (nisso há de se considerar que nos bons fabricantes, os acoplamentos podem suportar, por pequenos períodos de tempo, até 2,5 vezes o torque nominal do motor, o que nos leva a concluir que o erro de dimensionamento do produto foi grosseiro). A outra característica de falha, segundo o engenheiro Lacerda, é a trinca na base de uma das corrugações, em um perímetro descontinuado (não chegando a separar partes). Esta falha denota a fadiga do material por desalinhamento além dos aceitáveis pelo acoplamento. Ele chama a atenção que esta na falha é muito fácil de ver quando os acoplamentos de fole são empregados com encoders, onde não se atentou para os limites máximos de desalinhamento. Segundo ele, existe também uma tendência simplista de se utilizar o projeto de juntas de expansão, adaptando-as para uso como acoplamentos, sem a devida atenção para sua elevada ciclagem.

Uma vantagem desse acoplamento é que a característica de folga zero é mantida até o final de sua vida, visto que ele não tem peças de desgaste como o acoplamento de membrana, Oldham ou o de insertos poliméricos, além de poder ser empregados em projetos de altas velocidades, na ordem de 10 000 rpm e altas temperaturas de até 120º C . Outro problema que podemos encontrar no emprego dos acoplamentos de fole com o servomotor que atinge altas velocidades como 6000 rpm, é a ressonância. A freqüência de ressonância de um acoplamento de fole pode ser calculada pela seguinte formula:

Onde:

  • Fres = freqüência na qual o acoplamento terá ressonância para uma ligação motor-máquina
  • Gdyn = rigidez torsional do acoplamento dada pelo fabricante (Nm/rad)
  • J MACHINE= inércia refletida ou inércia da carga (kg.m2)
  • J MOTOR= inércia do motor (kg.m2)

O casamento de frequências de ressonância gera altas vibrações no equipamento, danosas a outros componentes como freios e embreagens, pinhão e coroa-sem-fim, fuso de esferas, guias lineares e mesmo os motores de passo, e servos que têm seus núcleos magnéticos colados e muito fragilizados frente a vibrações .

Este tipo de experiência foi vivenciada pelo engenheiro Edílson Cravo, da Filial São Paulo da empresa Kalatec. Num projeto e construção de um espalhador de fio para uma empresa do ramo de fabricação de condutores, após a fabricação e instalação do espalhador, a vibração era tamanha que chegava a comprometer a precisão do espalhador, feito por um motor de passo. “A vibração era tamanha que o motor de passo se perdia e os fios se remontavam na extremidade”, explica Edilson (figura 4).

Figura 4 – Espalhador de fios que teve seu projeto alterado devido a problemas de ressonância do motor.

A solução encontrada foi a de trocar o acoplamento original Oldham por de insertos poliméricos, visto que o drive do motor de passo empregado não permitia a variação de sua resolução (alternativa mais comum nesses casos), e também porque as alterações da freqüência natural do espalhador mostravam-se difíceis de fazer pela simplicidade e sobriedade do projeto.

Na prática, a freqüência natural de um equipamento fica entre 300 e 400 MHz e é menor que as dos acoplamentos, onde o problema da vibração é evitado, mas existem ainda aquelas aplicações onde algum componente adicionado ao equipamento venha a provocar esse problema .

ACOPLAMENTOS COM INSERTOS DE POLÍMEROS

Este tipo de acoplamento (figura 5) apresenta 3 componentes básicos, os dois cubos laterais e o inserto fabricado por diversos tipos de polímeros como poliuretano injetado e com diversas durezas (exemplo: 80, 92 e 98 ShoreA), com um controle dimensional rígido. Este conjunto é montado com interferência e concedendo folga zero ao acoplamento.

Figura 5 – Acoplamentos com insertos de polímeros.

Muito empregados com servos, motores de passo, mesas XYZ, encoders, resolvers e tacos, esses acoplamentos funcionam como amortecedores de vibração devido ao inserto intermediário resiliente, evitando problemas com a já citada ressonância. Isso sem falar num isolamento elétrico no caso de um curto ocasionado pelo motor ou pelo drive de controle, e limites altos de rotação de 40.000 rpm, não esquecendo do seu baixo custo se comparado aos outros acoplamentos.

Como exemplo do explicado podemos citar um drive que tenha que chegar de zero a 2000 rpm em 10 segundos, isto passa a gerar uma ressonância muito alta de 800 Hz ou mais. Esse problema, se não for corrigido pelo fabricante do equipamento por meio de filtros ou mesmo com a alteração do PID do motor, jogará uma vibração difícil de corrigir mecanicamente no conjunto. Uma solução fácil e barata é o acoplamento de insertos, este acoplamento tem um desalinhamento radial geralmente limitado a 0,1mm, mas concede um grande amortecimento das vibrações sem perder a precisão e ainda trazendo vantagens como a instalação em lugares com limitação de espaço ou a característica de na manutenção, só substituir o polímero intermediário do conjunto.

ACOPLAMENTOS OLDHAM

Este tipo de acoplamento (figura 6) é muito similar ao anterior, compõe-se de 3 partes, sendo que a peça intermediária e flutuante é um acetal, além dos 2 cubos de alumínio, solidários aos eixos de entrada e saída de torque. Esses cubos apresentam canais defasados de 90 graus, nos quais o acetato (ou Teflon) se acomoda com uma pequena interferência, e desliza ao absorver os desalinhamentos e sem gerar folgas ao sistema. Esse grau de liberdade concede ao acoplamento acomodar grandes desalinhamentos tanto radiais (0,25 mm) como angulares (0,5 graus).

Neste modelo temos também as características do isolamento elétrico, agindo inclusive como um fusível mecânico, com a ruptura do acetal nos torques altos.

As rotações de trabalho já são limitadas para o máximo de 4000 rpm, sendo que as aplicações mais comuns são aquelas com motores de passo, bombas, posicionadores, etc. A temperatura de trabalho já fica limitada aos 60 graus Celsius.

Figura 6 – Acoplamentos Oldham.

São indicados para aplicações onde haja pouco espaço de montagem ou onde 1 acionamento tenha que trabalhar em vários pontos.

Um cliente fabricante de cereais queria, em parte do seu processo, fazer uma mistura (blend) de cereais. Esta deveria ser feita em um carrossel rodeado de gôndolas, se assemelhando muito com uma “roda gigante”. Estas gôndolas deveriam ser posicionadas com exatidão de exatamente 45º, e após posicionadas deveriam ser giradas de 360º ou 720º de acordo com o produto processado.

A solução mais econômica encontrada pela empresa foi a de utilizar 2 motores de passos, um HUB e um acoplamento Oldhan, similar ao visto na figura 6. Com um motor central, a “roda gigante” era girada de 45º e posicionada até o acoplamento de um motor de passo localizado na base dessa “roda gigante”; aí um acoplamento Oldhan “bipartido” com parte do mesmo no motor em um eixo solidário à gaiola de giro, era responsável pelo acoplamento dos sistemas e seus giros de 1 ou 2 voltas.

ACOPLAMENTO DE LÂMINAS

Figura 7 – Acoplamento de lâminas.

Os acoplamentos de membrana ou acoplamentos de lâminas apresentam ótimas características de velocidade e capacidade de transmissão de torque, podendo ser aplicados para até 25000 rpms. Feitos basicamente de lâminas de um material de alta resiliência, são utilizados em feixes (3 ou 4 lâminas para dar a rigidez necessária ao conjunto), dispensam lubrificação externa e sua integridade pode ser checada visualmente. Os bons fabricantes, sabendo dessa peculiaridade do acoplamento, já os fornecem balanceados para elevadas rotações, o que impede sua excessiva vibração após sua montagem. A temperatura de trabalho também é alta devido a sua composição metálica: 120 ºC. Os desalinhamentos máximos permissíveis são de 4 graus angulares e 0,4 mm radial.

O acoplamento de lâminas pode ser fornecido com um ou dois estágios de lâminas , da mesma forma que o modelo de fole. A peça intermediária aos dois foles melhora a característica de absorver desalinhamentos laterais do acoplamento, que passa a trabalhar agora com o mesmo principio de um eixo cardan.

Seu lado negativo é que esse modelo apresenta vários componentes e sua manutenção é cara, uma vez que o material de maior valor agregado (as lâminas), deverão ser todas trocadas para garantir a boa funcionalidade do acoplamento reformado.

As aplicações são variadas como: servos, geradores de pulso, mesas XYZ, dinamômetros, eixos não suportados , etc.

Em resumo, uma seleção criteriosa deverá ser feita para evitar que um componente considerado secundário em um projeto, não se torne a fonte de dores de cabeça em um projeto mais complexo. Considerando-se fatores-chaves como temperatura de operação, o problema com a ressonância, vida, velocidade de trabalho, além daqueles que já vêm a nossa mente quando falamos de acoplamentos que são os desalinhamentos, poderemos fazer a escolha certa e duradoura para tal componente.

Eng Samir Kassouf  – Gerente de Engenharia  KALATEC AUTOMACÃO.

 Matéria originalmente publicada na revista Mecatrônica Atual; Ano: 3; N° 19; Nov / Dez – 2004

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