Dimensionar um atuador linear significa determinar a força, a velocidade e o curso necessários e, em seguida, comparar esses valores com o que os atuadores realmente podem fornecer. Você também deve considerar o ciclo de trabalho, onde ele operará e como será montado. Não se esqueça das margens de segurança, pois o ideal é que elas sejam de 1,5 a 2 vezes maiores do que os requisitos mínimos calculados.
Etapa 1: Determine os requisitos de força e calcule a entrada do motor.
A primeira coisa que você precisa determinar é quanta força de tração ou de empurrar seu atuador precisa. Existem diferentes forças em jogo, e todas elas se somam.
Força Estática
Esta é a parte simples. Pegue o peso do que você está movendo, multiplique a massa pela gravidade e adicione o atrito. Se você estiver levantando algo na vertical, a gravidade vai te resistir o tempo todo. Movendo coisas na horizontal? Aí você estará lutando principalmente contra o atrito.
Força dinâmica da inércia
É aqui que a coisa fica mais interessante. Quando você acelera ou desacelera sua carga, a inércia entra em ação, e isso exige força extra. O cálculo é bem simples:
- Força é igual à massa vezes a aceleração.
- Para calcular a aceleração, divida a velocidade desejada pelo tempo necessário para atingir esse valor.
- Os perfis de movimento triangulares (ir de zero à velocidade máxima e, em seguida, retornar imediatamente a zero) exigem as forças de aceleração mais elevadas.
- Perfis trapezoidais (aumento gradual, velocidade de cruzeiro constante e, em seguida, redução gradual) distribuem as forças e reduzem suas necessidades de pico.
Cargas angulares e fatores de segurança
Se o seu atuador empurra ou puxa em um ângulo em vez de em linha reta, você precisa calcular a componente da força ao longo da linha central do atuador. O caso mais difícil geralmente ocorre quando ele está totalmente retraído, porque é nesse ponto que o ângulo é mais acentuado.
Após somar tudo, multiplique por um fator de segurança entre 1,5 e 2. Essa margem de segurança lida com situações inesperadas e mantém o sistema funcionando de forma confiável a longo prazo.
Calcular os requisitos de entrada do motor
Depois de conhecer as forças e velocidades para cada etapa do seu ciclo, você pode calcular o que o motor precisa fornecer. Para cada etapa do ciclo, você precisará de:
Torque de entrada: Min = (F · p · 100) / (2π · ηparafuso) · 100 / (i · ηacoplador)
Onde:
- F = Força necessária nesta etapa (N)
- p = Passo da rosca (mm)
- ηparafuso = Eficiência do parafuso (%)
- i = Taxa de redução
- ηacoplador = Eficiência do acoplador (%)
Velocidade de entrada: nin = (60 · i · v) / p
Onde:
- v = Velocidade de saída do parafuso necessária nesta etapa (mm/s)
- i = Taxa de redução
- p = Passo da rosca (mm)
Esses cálculos indicam o torque e a velocidade que o motor precisa fornecer em cada ponto do ciclo, o que ajuda você Selecione o motor correto para emparelhar com o seu atuador.
Etapa 2: Defina os requisitos de velocidade e curso.
Depois de saber a força necessária, é hora de planejar como a carga realmente se move.
Comprimento do curso
Meça a distância percorrida pela carga de uma extremidade à outra. Essa distância corresponde ao curso necessário, e o atuador escolhido precisa suportar pelo menos esse curso.
Perfil de velocidade e movimento
Com que rapidez sua carga precisa se mover? Normalmente, a velocidade é medida em milímetros por segundo ou polegadas por segundo. Lembre-se: velocidade e força atuam em sentidos opostos na maioria dos atuadores. Mais força de empuxo geralmente significa menor velocidade máxima devido à configuração das engrenagens.
Determine a velocidade necessária para atingir a velocidade máxima e a rapidez com que precisa parar. Isso está diretamente relacionado aos seus cálculos de força:
- Os perfis triangulares movem-se mais rapidamente, mas exigem forças maiores.
- Os perfis trapezoidais exigem mais tempo, mas reduzem a necessidade de força máxima.
- Aceleração mais rápida sempre resulta em forças dinâmicas maiores.
Etapa 3: Verificar os requisitos de velocidade em relação aos limites do atuador
Seu atuador não funciona em um ambiente de laboratório perfeito, portanto, as condições do mundo real e os limites mecânicos são cruciais. Você precisa verificar três velocidades diferentes para garantir que o atuador suporte o que você está solicitando.
Verificação 1: Velocidade Crítica vs. Velocidade Máxima
Fusos de esferas longos podem entrar em ressonância em determinadas velocidades, algo semelhante à vibração de uma corda de guitarra. Essa velocidade crítica depende do comprimento do curso e da forma como o fuso é suportado. Você encontrará a velocidade crítica padrão (Vcr_std) na folha de dados do atuador, com base na configuração do rolamento (fixo-livre ou fixo-suporte único).
Se a sua braçada for diferente do padrão, calcule a velocidade crítica real:
Vcr_l = Vcr_std · (lstd² / ls²)
Onde:
- Vcr_std = Velocidade crítica padrão da folha de dados (mm/s)
- lstd = Comprimento padrão do curso (mm)
- ls = Seu comprimento de curso real (mm)
Certifique-se de que a velocidade máxima do ciclo permaneça abaixo dessa velocidade crítica, ou você terá vibração e desgaste acelerado.
Verificação 2: Velocidade máxima de saída versus velocidade máxima necessária
Consulte a ficha técnica de cada relação de transmissão disponível e verifique se a velocidade máxima de saída (Vp máx.) excede a velocidade máxima necessária (Vmáx.). Nem todas as relações de transmissão funcionarão, pois relações de força mais altas comprometem a capacidade de velocidade máxima.
Verificação 3: Velocidade de saída contínua versus velocidade média
Seu atuador pode suportar velocidades de pico sem problemas, mas superaquecer se a velocidade média durante todo o ciclo exceder sua classificação contínua. Calcule sua velocidade média de saída ao longo do ciclo:
Vm = Σ(vi · ti / ttot)
Onde:
- vi = Velocidade em cada etapa do ciclo (mm/s)
- ti = Tempo gasto nessa velocidade (s)
- ttot = Tempo total do ciclo (s)
Essa média ponderada indica a capacidade de velocidade contínua que você realmente precisa. Verifique se a classificação de velocidade de saída contínua (Vc máx.) para a relação de engrenagem escolhida excede essa média.
Considerações sobre o ciclo de trabalho
O ciclo de trabalho indica a porcentagem de tempo em que o atuador está em funcionamento em comparação com o tempo em que está em repouso. Um ciclo de trabalho de 25% significa que ele funciona um quarto do tempo e permanece ocioso nos outros três quartos. Para trabalhos leves, atuadores com classificação inferior podem funcionar, mas se a operação for frequente ou contínua, é necessário um atuador com classificação para ciclos de trabalho mais altos ou operação contínua.
Se um atuador for submetido a um ciclo de trabalho superior ao especificado, ele superaquece. Esse calor degrada os lubrificantes e desgasta os componentes mais rapidamente, especialmente em projetos com fusos de esferas e fusos trapezoidais, onde a lubrificação garante o funcionamento suave de todos os componentes.
Etapa 4: Verificar os requisitos de força e as condições ambientais
Agora você precisa verificar se o atuador consegue suportar as forças sem sofrer flambagem, sobrecarga ou falhas ao longo do tempo.
Verificação 1: Força de flambagem vs. Força máxima
Cursos longos sob compressão podem sofrer flambagem, assemelhando-se a uma coluna que suporta peso excessivo. A folha de dados fornece a força de flambagem padrão (Fb_std) para a configuração do rolamento. Se o seu curso for diferente do padrão, calcule a força de flambagem real:
Fb_l = Fb_std · (lstd² / ls²)
Onde:
- Fb_std = Força de flambagem padrão da folha de dados (N)
- lstd = Comprimento padrão do curso (mm)
- ls = Seu comprimento de curso real (mm)
Certifique-se de que essa força de flambagem exceda a força máxima necessária (Fmax) com uma margem confortável. Observe como golpes mais longos reduzem drasticamente a resistência à flambagem, pois o comprimento do golpe é elevado ao quadrado no denominador.
Verificação 2: Força Axial Máxima vs. Força Máxima Requerida
Para cada relação de transmissão disponível, verifique se a força axial máxima (Fp máx.) excede a força máxima necessária (Fmáx). A ficha técnica mostra esses limites para cada relação de transmissão e estágio de acionamento.
Verificação 3: Força Axial Contínua vs. Força Média
Assim como no caso da velocidade, é necessário calcular a força média ao longo do ciclo para verificar se ela não excede os limites de resistência contínua. Isso utiliza o cálculo da raiz quadrada média (RMC) porque a força afeta o desgaste de forma mais significativa do que a velocidade.
Fm = ³√[Σ(Fj³ · nj · tj / ttot) / nm]
Onde:
- Fj = Força em cada etapa do ciclo (N)
- nj = Número de mudanças de direção nesse nível de força
- tj = Tempo gasto sob essa força (s)
- ttot = Tempo total do ciclo (s)
- nm = Número total de mudanças de direção no ciclo
Verifique se a força axial contínua (Fc máx.) para a relação de transmissão escolhida excede a força média calculada.
Condições Ambientais
Pense em onde esse dispositivo realmente funcionará. A que temperaturas ele será exposto? Há poeira no ar, umidade ou produtos químicos que possam causar problemas? Tudo isso determina o nível de proteção necessário. O IP67 lida bem com poeira e breves exposições à água, enquanto o IP68 oferece maior proteção para condições mais severas.
Se você estiver lidando com ambientes corrosivos ou problemas de contaminação, procure por revestimentos protetores e construção selada. Atuadores elétricos lineares modernos geralmente vêm com Proteção IP67 De série, com classificação IP68 disponível caso necessário, além de acabamentos resistentes à corrosão que suportam ambientes industriais severos.
Expectativa de vida
Quantas vezes esse atuador precisa realizar ciclos durante sua vida útil? Os atuadores com fuso de esferas geralmente duram mais e posicionam com mais precisão do que os modelos com fuso trapezoidal, mas têm um custo inicial mais elevado. Se estivermos falando de milhões de ciclos, isso se torna muito importante.
Etapa 5: Calcular os requisitos de energia e verificar a seleção.
A verificação final consiste em garantir que seu atuador possa fornecer a potência mecânica necessária para sua aplicação.
Calcular a potência mecânica
Para cada etapa do seu ciclo, calcule a potência mecânica necessária:
Pj = (vj · Fj) / 1000
Onde:
- vj = Velocidade neste degrau (mm/s)
- Fj = Força neste degrau (N)
- O resultado está em Watts (W).
Determine a potência máxima em todas as etapas do ciclo. Essa potência de pico (Pmax) deve permanecer abaixo do limite de potência de saída do atuador (Pout_max) para a relação de engrenagem selecionada. A folha de dados mostra esses limites de potência para cada estágio de acionamento.
Compare as especificações com os modelos disponíveis.
Agora você está comparando o que calculou com o que os atuadores realmente podem fazer. Ao analisar as fichas técnicas, considere estas especificações principais:
| Especificação | O que procurar |
| Faixa de força | De 2000N a 40000N, dependendo da sua necessidade. |
| Modos de controle | Operação em modo liga/desliga, modulante ou contínua |
| Integração de sistemas | Opções de controle inteligente ou barramento de campo, se necessário. |
| Proteção Ambiental | Caixa à prova de explosão para locais perigosos |
Requisitos de energia e físicos
Verifique se os requisitos de tensão e corrente são compatíveis com a sua fonte de alimentação. Algumas coisas que você não pode ignorar:
- Consumo máximo de corrente durante a aceleração, quando o sistema utiliza a potência máxima.
- Ajuste físico tanto na posição retraída quanto na totalmente estendida.
- Espaço para montagem de suportes e quaisquer acessórios giratórios.
- Espaço para passagem de cabos e acesso para manutenção.
Estilo de montagem e recursos de segurança
Verifique se a configuração de montagem é adequada para sua aplicação. As opções comuns incluem montagens com olhal quando é necessário pivotar, montagens com flange para instalações fixas e montagens com munhão para aplicações que exigem rotação em torno do eixo central do atuador.
Procure por recursos de segurança integrados, como interruptores de limite elétricos que interrompem o movimento automaticamente e evitam danos por sobrecurso. O feedback de posição torna-se importante se você precisar de controle preciso ou se estiver integrando a um sistema automatizado. Os designs compactos modernos facilitam a instalação, mas você ainda precisa confirmar a compatibilidade com sua configuração específica.
Repita se necessário.
Se, após realizar esses cálculos, nenhuma solução atender a todos os seus requisitos, você ainda tem opções. Diminua a velocidade ou a aceleração para reduzir a força necessária. Ajuste a geometria de montagem para obter uma melhor vantagem mecânica. Ou troque a tecnologia do atuador, como, por exemplo, passar de um fuso trapezoidal para um fuso de esferas. Às vezes, uma relação de engrenagem diferente resolve vários problemas simultaneamente.
Unindo tudo
Dimensionar corretamente significa seguir estes cinco passos em ordem. Calcule as forças com as devidas margens de segurança, mapeie o perfil de movimento com os requisitos de torque e velocidade de entrada, verifique os limites críticos de velocidade e flambagem em relação ao comprimento do curso, compare as classificações contínuas com as médias calculadas usando as fórmulas adequadas e, por fim, confirme se a potência de saída e a montagem funcionam corretamente.
Provavelmente você precisará fazer algumas iterações antes de encontrar algo que atenda a todos os seus requisitos, e isso é normal. Ajuste o que for possível até chegar a uma solução que atenda às suas necessidades reais e, ao mesmo tempo, ofereça um desempenho confiável ao longo do tempo.
