Um motorredutor harmónico consegue eliminar totalmente a folga através da deformação elástica, do engate de múltiplos dentes e da pré-carga permanente. O gerador de ondas remodela a flexspline, mantendo os seus dentes firmemente engrenados com a spline circular. Como os dentes permanecem totalmente engrenados durante a rotação e a inversão da carga, a caixa de engrenagens consegue eliminar a folga que causa o jogo.
O que é a folga num motorredutor?
A folga é o pequeno espaço entre os dentes das engrenagens em contacto. Nos sistemas de engrenagens tradicionais, é normalmente necessária uma certa folga para lubrificação, expansão térmica, tolerância de fabrico e rotação suave.
No entanto, esta folga pode causar erros de movimento. Quando o motor inverte a direção, o eixo de entrada pode rodar ligeiramente antes de o eixo de saída responder. Este atraso é chamado de folga.
Em aplicações de precisão, a folga pode levar a:
- Erro de posicionamento
- Vibração
- Ruído
- Baixa repetibilidade
- Precisão reduzida no controlo do movimento
- Movimento instável das articulações do robô
Por exemplo, se um braço robótico utilizar uma caixa de engrenagens com folga, o braço poderá não parar exatamente onde o controlador o comanda. Isto pode afetar a precisão da montagem, a estabilidade da preensão e o desempenho geral do robô.
Estrutura básica de um motor de engrenagem harmónica
Um motor de engrenagem harmónica combina um motor elétrico com um redutor harmónico. O redutor harmónico consiste principalmente num gerador de ondas, numa flexspline e numa spline circular. A Harmonic Drive descreve a engrenagem de ondas de deformação como um sistema baseado na mecânica elástica dos metais, utilizando estas três partes básicas para alcançar características de folga zero e uma estrutura compacta.
| Componente | Estrutura | Função na ausência de folga |
| Gerador de Ondas | Came elíptico com rolamento | Deforma a flexspline numa elipse |
| Flexspline | Copo fino e flexível com dentes externos | Encaixa-se firmemente na spline circular |
| Espline circular | Anel rígido com dentes internos | Proporciona um engate fixo da engrenagem |
| Motor | Servomotor, motor de passo ou motor BLDC | Proporciona rotação de entrada |
| Flange/eixo de saída | Ligado a flexspline ou estrutura de saída | Proporciona velocidade reduzida e binário elevado |
A principal diferença em relação às caixas de engrenagens comuns é que um dos componentes da engrenagem é flexível. Esta flexibilidade permite que os dentes da engrenagem mantenham o contacto sem depender de folga.
Como funciona o mecanismo de engrenagem harmónica
O motor aciona o gerador de ondas. O gerador de ondas elíptico fica dentro da flexspline. Quando gira, força a flexspline a deformar-se numa elipse.
A flexspline tem dentes externos, enquanto a spline circular tem dentes internos. A flexspline engata com a spline circular em dois pontos opostos da elipse. A Harmonic Drive explica que a flexspline é ligeiramente mais pequena e tem menos dentes do que a spline circular, frequentemente com uma diferença de dois dentes. À medida que o gerador de ondas gira, cada rotação completa move a flexspline nessa diferença de dentes.
Isto permite uma grande redução de velocidade em espaços limitados. Mais importante ainda, os dentes não estão engatados de forma solta. São pressionados para o engate por deformação elástica.
Como se consegue a ausência de folga
A Deformação Elástica Elimina a Folga entre os Dentes
Numa caixa de velocidades tradicional, existe folga porque os dentes precisam de espaço livre. Num motor de engrenagem harmónica, a flexspline é deformada elasticamente pelo gerador de ondas. Esta deformação empurra os dentes da flexspline contra os dentes da spline circular.
Como a flexspline é flexível, consegue manter um contacto próximo entre os dentes durante a rotação. Isto reduz ou elimina a folga que normalmente cria a folga entre os dentes.
Em termos simples, a caixa de engrenagens não depende de um espaçamento frouxo entre os dentes. Utiliza pressão elástica controlada para manter os dentes das engrenagens engatados.
Vários Dentes Engatam Simultaneamente
As engrenagens retas tradicionais ou as engrenagens planetárias transmitem frequentemente a carga através de um número limitado de dentes. Um redutor de engrenagem harmónica engata muitos dentes em áreas de contacto mais amplas.
A Harmonic Drive observa que a flexspline e a ranhura circular se engatam em duas regiões ao longo do eixo principal da elipse do gerador de ondas, e não apenas num único ponto. O engate contínuo dos dentes ao longo do eixo principal permite uma folga nula nas redutoras de engrenagens de onda de tensão.
Este engate de múltiplos dentes melhora a repartição da carga, reduz a folga local dos dentes e aumenta a rigidez torcional.
A pré-carga permanente mantém os dentes em contacto
Outra razão importante é a pré-carga. Num sistema de engrenagens harmónicas, a flexspline é continuamente pressionada contra a spline circular pelo gerador de ondas.
Esta pré-carga mantém um contacto apertado entre os dentes durante a inversão da carga. A Harmonic Drive SE afirma que, devido à pré-carga permanente, as engrenagens Harmonic Drive não apresentam folga nos dentes, mesmo quando a carga é invertida.
É por isso que os motores de engrenagem harmónica são adequados para aplicações que requerem movimentos frequentes para a frente e para trás, tais como articulações de robôs e plataformas de posicionamento de precisão.
A Flexspline compensa pequenos erros
Como a flexspline é elástica, consegue absorver pequenas variações de fabrico e montagem melhor do que um par de engrenagens completamente rígido. Isto ajuda a manter um engate suave e reduz a folga.
No entanto, isto não significa que o flexspline seja fraco. O flexspline foi concebido para ser radialmente flexível, mas torcionalmente rígido. Isto significa que pode deformar-se em forma, mantendo a transmissão precisa do binário.
Folia zero vs. elevada rigidez torcional
A folga zero não significa que a caixa de engrenagens não tenha qualquer deformação elástica. Esta é uma distinção importante.
A folga refere-se à holgura mecânica livre entre os dentes das engrenagens. A rigidez torcional refere-se ao grau de torção da saída sob carga.
Um motor de engrenagem harmónica pode ter folga zero, mas ainda assim apresentar uma pequena deflexão elástica sob torque. Isto é normal para qualquer transmissão mecânica. Para sistemas de alta precisão, os engenheiros devem considerar tanto a folga como a rigidez torcional.
| Item | Significado | Efeito no movimento |
| Folga | Folga livre entre os dentes da engrenagem | Provoca perda de movimento durante a mudança de direção |
| Rigidez torcional | Resistência à torção sob carga | Afeta o posicionamento sob binário |
| Erro de transmissão | Diferença entre a posição de saída ideal e a real | Afeta a precisão e a suavidade |
| Repetibilidade | Capacidade de regressar à mesma posição | Afeta a precisão e a estabilidade do movimento |
Para as articulações dos robôs, a ausência de folga ajuda a eliminar a frouxidão, enquanto a elevada rigidez torcional ajuda a articulação a resistir à torção sob carga externa.
Por que razão a ausência de folga é importante no controlo de movimento
Melhor precisão de posicionamento
Nos sistemas servo, o controlador envia comandos de posição precisos. Se a caixa de engrenagens tiver folga, o codificador do motor pode indicar movimento, mas o lado de saída pode não se mover imediatamente. Isto cria um erro de posicionamento.
Um motor de engrenagem harmónica reduz este problema porque a saída responde de forma mais direta ao movimento do motor.
Maior repetibilidade
A repetibilidade garante que o sistema regressa à mesma posição. A ausência de folga ajuda a melhorar a repetibilidade, uma vez que há menos folga aleatória durante as mudanças de direção.
Isto é importante para:
- Braços robóticos
- Manuseamento de pastilhas semicondutoras
- Eixos rotativos CNC
- Equipamento de imagiologia médica
- Sistemas de ajuste ótico
- Máquinas de inspeção
Inversão de direção mais suave
Muitas máquinas de precisão requerem mudanças frequentes de direção. Se houver folga, cada inversão pode causar impacto, vibração ou movimento instável.
Um motor de engrenagem harmónica proporciona uma inversão mais suave, uma vez que os dentes permanecem engatados sob pré-carga.
Maior estabilidade das articulações dos robôs
Nos robôs, a folga pode fazer com que as articulações pareçam soltas. Em robôs humanóides, robôs colaborativos ou robôs cirúrgicos, a folga nas articulações pode reduzir a segurança e a qualidade do movimento.
Os motores de engrenagem harmónica ajudam as articulações dos robôs a moverem-se com maior precisão, a manterem melhor a posição e a responderem de forma mais natural.
Motor de engrenagem harmónica vs. motores de engrenagem tradicionais
| Característica | Motor de engrenagem harmónica | Motor de engrenagem planetária | Motor de engrenagem reta | Motor de engrenagem sem-fim |
| Folga | Zero ou quase zero | Baixa a média | Médio | Médio |
| Engate dos dentes | Vários dentes em engate elástico | Contatos múltiplos entre engrenagens | Contato limitado entre os dentes | Contato deslizante |
| Relação de redução | Elevada num único estágio | Média a alta | Normalmente mais baixo | Médio a alto |
| Compacidade | Muito compacto | Compacto | Simples, mas maior para relações elevadas | Frequentemente mais volumoso |
| Precisão | Excelente | Boa | Moderada | Moderada |
| Melhor utilização | Robótica, automação de precisão, aeroespacial | Automação geral | Transmissão simples | Transmissão de binário a baixa velocidade |
Um motor de engrenagem planetária também pode proporcionar um bom binário e um tamanho compacto, mas normalmente requer uma maquinação muito precisa e várias fases para reduzir a folga. Um motor de engrenagem harmónica consegue uma folga baixa ou nula principalmente através da sua estrutura elástica de onda de deformação.
Principais vantagens dos motores de engrenagens harmónicas sem folga
Alta precisão
A folga zero permite que a saída do motor siga o comando de entrada com maior precisão. Isto é útil para máquinas que requerem um posicionamento angular preciso.
Design compacto
Os motores de engrenagem harmónica podem atingir elevadas relações de redução numa única fase. A Harmonic Drive SE afirma que as engrenagens de onda de deformação podem atingir relações de redução de 30:1 a 160:1 com apenas três componentes, enquanto as soluções específicas para o cliente podem atingir relações mais elevadas.
Elevada densidade de binário
Como muitos dentes partilham a carga, os motores de engrenagem harmónica podem transmitir um binário elevado num corpo compacto. É por isso que são adequados para articulações de robôs e módulos de automação compactos.
Movimento suave
O engate contínuo dos dentes ajuda a reduzir a vibração e melhora a suavidade do movimento. Isto é valioso para aplicações que requerem um funcionamento silencioso e um movimento estável.
Áreas de aplicação
Os motores de engrenagem harmónica são amplamente utilizados em indústrias de precisão onde o controlo da folga é fundamental.
| Aplicação | Por que é importante a ausência de folga |
| Robôs humanóides | Melhora a estabilidade das articulações, o equilíbrio ao andar e a precisão dos movimentos |
| Braços de robôs industriais | Permite um posicionamento preciso e movimentos repetíveis |
| Equipamento de semicondutores | Permite movimentos precisos de manuseamento e inspeção de wafers |
| Dispositivos médicos | Proporcionam movimentos suaves, controlados e precisos |
| Sistemas aeroespaciais | Suporta mecanismos de precisão compactos e fiáveis |
| Instrumentos óticos | Ajuda a obter um ajuste angular preciso |
| Mesas rotativas CNC | Melhora a precisão de indexação e a qualidade de usinagem |
Equívocos comuns sobre o zero de folga
Fuga zero não significa erro zero
Um motor de engrenagem harmónica pode eliminar a folga entre os dentes, mas podem ainda existir outros erros. Estes podem incluir erro do codificador, erro de afinação do controlo, deformação dos rolamentos, desalinhamento do eixo e deflexão elástica relacionada com a carga.
Falta de folga não significa capacidade de carga ilimitada
Se o motorredutor for sobrecarregado, a precisão e a vida útil podem ainda ser afetadas. A seleção correta do binário é importante.
O “zero backlash” requer uma instalação adequada
Mesmo um motor de engrenagem harmónica de alta qualidade pode ter um desempenho insatisfatório se a superfície de montagem for irregular, o eixo estiver desalinhado ou a carga não for devidamente suportada.
Como selecionar um motor de engrenagem harmónica sem folga
Ao escolher um motor de engrenagem harmónica, os compradores não devem limitar-se a perguntar se este tem folga zero. Devem também avaliar todo o sistema de movimento.
Os fatores de seleção importantes incluem:
- Binário nominal
- Binário de pico
- Relação de redução
- Rigidez torcional
- Precisão de posicionamento
- Repetibilidade
- Capacidade de carga do rolamento de saída
- Tipo de motor
- Resolução do encoder
- Ciclo de trabalho
- Espaço de instalação
- Requisitos de vida útil
Para aplicações de gama alta, é igualmente importante verificar a inércia da carga, a aceleração, a carga de choque, o desempenho térmico e as condições de lubrificação.
