Types de modules linéaires à crémaillère et pignon : crémaillères droites ou hélicoïdales

Crémaillèremodules linéairessont largement utilisés pour les mouvements à longue course, à grande vitesse et robustes, car la longueur d'entraînement peut être étendue sans nécessiter une longue vis rotative. Mais "module pignon et crémaillère» recouvre plusieurs structures très différentes.

La manière la plus utile de comprendretypes de modules linéaires à crémaillère et pignonconsiste à les classer par forme de dent, disposition d'entraînement, méthode de précharge, niveau de protection et architecture de la machine. Une crémaillère droite à un pignon, une crémaillère hélicoïdale à double pignon préchargé, un axe fermé à longue course et un portique lourd double face peuvent tous appartenir à la même famille de produits tout en ayant des performances très différentes.

Ce guide explique les principales conceptions de modules de rack et montre où les racks droits, les racks hélicoïdaux, les entraînements à pignon simple et double, les configurations de rack simple et double face, les structures ouvertes/fermées et les configurations robustes s'adaptent le mieux.

Les modules à crémaillère et pignon peuvent être classés en plusieurs dimensions

• Crémaillère à dents droites ou hélicoïdales
• Entraînement à un ou deux pignons
• Entraînement en rack simple ou double face
• Module ouvert, semi-fermé ou fermé
• Structure standard, large ou robuste
• Chariot simple ou chariot à portique
• Moteur simple ou double moteur synchronisé
• Section de rack unique ou longue course à plusieurs sections

Important:ce sont des dimensions de classification différentes. Un module peut être à la fois hélicoïdal, à double pignon, fermé et robuste.

Modules linéaires à rack droit

Une crémaillère droite utilise des dents perpendiculaires au sens de déplacement. Le pignon conjugué a également des dents droites.

Les avantages typiques incluent :

• Géométrie dentaire simple
• Fabrication et inspection faciles
• Bonne efficacité
• Aucun composant de poussée d'engrenage axial à partir de l'angle d'hélice
• Large disponibilité
• Mouvement économique à longue course

Là où les modules de rack droits sont couramment utilisés

• manutention des matériaux
• Automatisation des entrepôts
• Grands axes de transfert
• Systèmes de portiques généraux
• Chargement des machines
• Longs déplacements où un bruit modéré et une douceur sont acceptables

Modules linéaires à rack hélicoïdal

Une crémaillère hélicoïdale utilise des dents inclinées par rapport au sens de déplacement. Le pignon hélicoïdal correspondant s'engage progressivement plutôt que sur toute la largeur de la dent en une seule fois.

Cela peut fournir :

• Engagement dentaire plus fluide
• Rapport de contact plus élevé dans de nombreuses conceptions
• Ondulation de transmission réduite
• Bruit d'impact réduit à qualité et conditions de fonctionnement équivalentes
• Bonne adéquation pour les mouvements de précision à longue course

Les crémaillères hélicoïdales créent également une force axiale

Parce que les dents sont inclinées, le pignon produit une composante de force axiale. Les roulements, l'arbre de sortie de la boîte de vitesses et la structure de montage du moteur doivent être conçus pour réagir à cette force.

Hélicoïdal ne signifie pas automatiquement « plus précis ».La précision dépend toujours de la qualité de la crémaillère, de la qualité du pignon, du jeu de la boîte de vitesses, de la précharge, de l'installation et du retour d'information.

Rack droit ou hélicoïdal : comparaison rapide

Modules à crémaillère à pignon unique

Un système à pignon unique utilise un pignon engrenant avec une crémaillère pour générer un mouvement linéaire.

Il s'agit de l'architecture de disque la plus simple et elle est courante dans les cas suivants :

• Un jeu modéré est acceptable
• La boîte de vitesses offre déjà un jeu suffisamment faible
• Le mouvement est principalement unidirectionnel
• Le coût et la simplicité sont importants
• L'application est orientée transport plutôt que contournage de précision

Qu'est-ce qui limite la précision d'un simple pignon ?

Les performances d'inversion dépendent de :

• Jeu de boîte de vitesses
• Jeu de pignon à crémaillère
• Faux-rond du pignon
• Réglage de l'entraxe
• Rigidité de montage

Modules de crémaillère à double pignon

Un système à double pignon utilise deux pignons sur la même crémaillère. Les deux entraînements peuvent être sollicités mécaniquement ou électroniquement l'un contre l'autre pour réduire le jeu efficace.

Les raisons courantes d'utiliser des pignons doubles incluent :

• Comportement d'inversion amélioré
• Rigidité en torsion plus élevée
• Jeu efficace réduit
• Positionnement de haute précision sur de longues courses
• Contournage sur grandes machines

Précharge mécanique à deux pignons

Deux pignons peuvent être préchargés mécaniquement de sorte que leurs flancs de dents entrent en contact avec les côtés opposés des dents de la crémaillère.

Cela peut réduire la liberté de mouvement lors d’une inversion de direction.

La précharge doit être contrôlée avec soin car une précharge excessive peut augmenter :

• Frottement des engrenages
• Chaleur
• Usure des dents
• Charge de la boîte de vitesses

Précharge électronique à double pignon

Dans les systèmes préchargés électroniquement, deux servomoteurs appliquent un couple contrôlé dans des directions opposées tout en produisant la force axiale nette requise.

Cette architecture peut fournir :

• Suppression active du jeu
• Rigidité d'entraînement élevée
• Réglage flexible de la précharge

Mais il ajoute également :

• Deux moteurs ou canaux d'entraînement
• Complexité du contrôle
• Charge thermique due au couple de précharge
• Plus de travaux de mise en service

Pignon simple vs pignon double

Entraînement à crémaillère unilatéral

Une disposition de rack sur un seul côté utilise un rack le long d'un côté de la structure mobile.

Ceci est courant pour les chariots étroits et les modules à axe unique où le système de guidage peut résister au moment de lacet induit par l'entraînement.

Les avantages incluent :

• Architecture simple
• Nombre de composants inférieur
• Coût inférieur
• Entretien facile

Entraînement en rack double face

Une disposition de rack sur deux côtés place les racks des deux côtés d'un large portique ou d'une structure de machine. Chaque côté possède généralement son propre pignon et souvent son propre moteur/boîte de vitesses.

Ceci est fondamentalement différent d'un système de précharge à double pignon sur une crémaillère.

Le lecteur double face est utile pour :

• Portiques larges
• Traverses lourdes
• Machines-outils grand format
• robots cartésiens
• Systèmes de palettisation à grande course

Pourquoi les portiques larges ont besoin d'un entraînement double face

Si un portique large est entraîné d'un seul côté, la force d'entraînement peut tordre ou casser la traverse.

L'entraînement double face répartit la force de manière plus symétrique et réduit :

• Inclinaison du portique
• Déséquilibre de chargement du guide
• Torsion de la traverse

Cependant, les deux côtés doivent rester synchronisés.

L'entraînement double face nécessite un équerrage électronique et mécanique

Un portique à double entraînement doit gérer :

• Prise en charge indépendante
• Synchronisation du moteur
• Carré de la traverse
• Correspondance du pas de rack
• Parallélisme des guides

Le contrôle ne peut pas corriger complètement un mauvais alignement mécanique.La synchronisation électronique doit maintenir un portique correctement construit et non compenser une structure gravement tordue.

À crémaillère simple ou à crémaillère double, ce n'est pas la même chose qu'à pignon simple ou double

Modules ouverts à crémaillère et pignon

Un module ouvert laisse la zone de crémaillère, de pignon ou de guidage plus accessible.

Les avantages incluent :

• Inspection facile
• Lubrification facile
• Alignement facile des racks
• Remplacement pratique
• Complexité de couverture réduite

Les conceptions ouvertes sont courantes dans les enceintes de machines protégées ou dans les environnements industriels propres.

Modules à crémaillère et pignon fermés

Les conceptions fermées utilisent des couvercles, des profilés, des bandes d'acier ou des boîtiers externes pour réduire la contamination directe du système de crémaillère et de guidage.

Les avantages potentiels comprennent :

• Meilleure protection contre les débris
• Aspect extérieur plus propre
• Contact accidentel réduit
• Environnement de lubrification plus contrôlé

Mais « fermé » ne signifie pas automatiquement étanche à l’eau, à la poussière selon un indice IP spécifique ou certifié pour salle blanche.

Conceptions semi-fermées

Les modules semi-fermés équilibrent la protection avec l’accès pour la maintenance.

Ils peuvent être utiles lorsque :

• Une protection modérée contre la poussière est nécessaire
• L’inspection des racks doit rester facile
• Le coût doit rester inférieur à celui d’un système entièrement fermé

Modules de rack ouverts ou fermés

Modules de rack standard

Les modules à usage standard sont conçus pour l'automatisation générale où les exigences de charge, de poussée et de moment sont modérées.

Les applications typiques incluent :

• Transfert de matériaux
• Conditionnement
• Mouvement général du portique
• Manutention en entrepôt
• Pick-and-place à axe long

Modules à crémaillère et pignon robustes

UNmodule de rack robusteutilise généralement une combinaison de :

• Module de rack plus grand
• Pignon plus grand
• Boîte de vitesses à couple plus élevé
• Espacement des guides plus large
• Guides linéaires plus grands
• Chariot et structure de base plus solides
• Entraînement double face

Les charges lourdes doivent être définies par la charge réelle des dents, la capacité de guidage, le couple de la boîte de vitesses et la rigidité structurelle plutôt que par l'apparence seule.

Que signifie « module d'engrenage »

Dans la terminologie des engrenages, le module décrit la taille des dents. Un module d'engrenage plus grand signifie généralement des dents plus grandes et peut supporter une charge dentaire plus élevée lorsque d'autres facteurs de conception sont adaptés.

Mais l’augmentation du module affecte également :

• Diamètre du pignon
• Rapport de transmission
• Engagement dentaire
• Espace
• Résolution par tour de moteur

Par conséquent, un module plus grand n’est pas automatiquement meilleur pour chaque axe à forte charge.

Modules de rack de précision à pas fin

Les modules de rack orientés vers la précision peuvent utiliser un pas plus petit, une qualité de rack supérieure et un montage étroitement contrôlé.

Ils peuvent être utiles pour :

• Inspection
• Usinage
• Découpe laser
• Métrologie grand format

La précision dépend de la chaîne complète : crémaillère, pignon, boîte de vitesses, précharge, montage et retour d'information.

Conceptions à grande vitesse à grand pignon

Pour un régime de pignon donné, un diamètre primitif plus grand produit une course plus linéaire par tour.

Cela peut réduire le régime moteur/boîte de vitesses requis pour une vitesse linéaire cible.

Mais un pignon plus gros nécessite aussi plus de couple pour une même poussée linéaire :

T = F × r

Ainsi, le diamètre du pignon crée un compromis vitesse-poussée similaire au diamètre de la poulie dans les systèmes à courroie.

Modules de crémaillère basés sur une boîte de vitesses

Les entraînements à crémaillère utilisent fréquemment un réducteur planétaire ou autre entre le servomoteur et le pignon.

La boîte de vitesses peut fournir :

• Couple de sortie plus élevé
• Meilleure utilisation de la vitesse du moteur
• Correspondance d'inertie

Mais il ajoute également :

• Contrecoup
• Conformité en torsion
• Perte d'efficacité
• Coût

La qualité de la boîte de vitesses est donc un élément majeur des performances du module à crémaillère.

Configurations de pignon à entraînement direct

Certains systèmes entraînent le pignon avec peu ou pas de réduction, en particulier là où une vitesse élevée et une faible complexité mécanique sont des priorités.

Cela nécessite un dimensionnement minutieux du moteur car le moteur doit fournir directement le couple de pignon requis.

Modules de rack multi-sections à longue course

L’un des principaux avantages de l’entraînement par crémaillère est que le rack peut être assemblé à partir de plusieurs sections.

Cela permet :

• Voyage multimètre
• Extension de machine modulaire
• Transport et installation plus faciles
• Remplacement de sections individuelles de rack

Les joints à crémaillère doivent préserver la continuité des dents

L’installation multi-sections doit contrôler :

• Continuité du pitch
• Phase dentaire
• Hauteur du rack
• Alignement latéral
• Rectitude de montage

De mauvais joints peuvent créer des impacts, du bruit et des erreurs de positionnement périodiques.

Rack de précision vs rack standard

La précision du rack n'est pas la même que la précision de l'axe

Le positionnement final dépend également :

• Qualité du pignon
• Faux-rond du pignon
• Jeu de boîte de vitesses
• Montage en rack
• Rectitude du guidage
• Châssis de machine
• dilatation thermique
• Système de rétroaction

La précision au niveau de l'axe doit être validée sur le trajet réel.Un rack de haute qualité ne garantit pas à lui seul une précision élevée de la machine.

Modules de rack à chariot unique

Une architecture à chariot unique est courante pour un outil, un dispositif ou un axe mobile.

Il fournit :

• Contrôle simple
• Structure mobile compacte
• Intégration facile

Systèmes à chariots multiples et à chariots indépendants

Les racks longs peuvent également supporter plusieurs chariots mobiles, chacun avec son propre entraînement.

Cela peut être utile pour :

• Plusieurs têtes de traitement
• Stations de prise en charge indépendantes
• Grandes lignes de production

L'architecture d'évitement des collisions et de contrôle devient importante lorsque plusieurs wagons partagent la même zone de déplacement.

Modules de rack horizontaux

Le montage horizontal est la disposition la plus courante.

Les contrôles clés comprennent :

• Masse en mouvement
• Accélération
• Poussée requise
• Charge de moment de guidage
• Rétention de lubrification

Modules de rack verticaux

Les entraînements à crémaillère peuvent également être utilisés verticalement, mais la gravité et la sécurité doivent être incluses.

Vérifier:

• Force de gravité
• Frein moteur
• Retour en arrière de la boîte de vitesses
• Énergie régénératrice
• Protection mécanique antichute

Ne présumez pas que la friction de la boîte de vitesses fournit une fonction de maintien de sécurité.

Modules rack pour systèmes cartésiens XYZ

L'entraînement à crémaillère est particulièrement utile sur le long axe X d'un système cartésien.

Une architecture mixte courante est :

• Axe X à crémaillère et pignon pour de longues courses
• Axe Y à vis à billes pour un positionnement croisé précis
• Vis à billes ou axe Z à vérin électrique selon fonction

Chaque axe doit être sélectionné pour ses propres exigences de mouvement.

Modules de rack pour grands portiques

Les grands portiques combinent souvent :

• Racks double face
• Deux servomoteurs
• Boîtes de vitesses
• Rails de guidage largement espacés
• Traverse rigide

Cette structure est courante dans l'usinage, le traitement laser, la palettisation et l'automatisation grand format.

Modules de précision hélicoïdaux à double pignon

Pour les applications nécessitant un positionnement fluide sur de longues courses avec un faible jeu, une architecture possible est la suivante :

• Crémaillère hélicoïdale
• Pignons doubles préchargés
• Boîte de vitesses à faible jeu
• Système de guidage de précision
• Codeur linéaire direct si nécessaire

Cela peut fournir des performances élevées, mais c'est également plus coûteux et plus complexe qu'un module standard à pignon unique à crémaillère droite.

Modules économiques droits à pignon unique

Lorsque l’application nécessite principalement un transport fiable sur de longues distances, une crémaillère droite avec un pignon peut constituer une solution pratique et peu complexe.

Les priorités typiques sont :

• Long voyage
• Précision modérée
• Entretien simple
• Contrôle des coûts

Modules de portique double face robustes

Pour les portiques très larges ou lourds, une architecture robuste courante est la suivante :

• Support des deux côtés
• Servo-réducteur des deux côtés
• Grand module d'engrenage
• Guides linéaires haute capacité
• Poutre rigide en acier ou en aluminium renforcé

Le partage de charge et la synchronisation sont essentiels.

Comment faire correspondre le type de module à l'application

Erreurs courantes de sélection du type de module de rack

En supposant que le support hélicoïdal signifie toujours une plus grande précision

La géométrie hélicoïdale améliore la douceur de l'engagement, mais la précision finale dépend toujours de la qualité de la crémaillère, de la précharge, de la boîte de vitesses, du montage et du retour d'information.

Confondre pignon double et crémaillère double face

Le double pignon contrôle généralement le jeu sur une crémaillère. Le rack double face entraîne les deux côtés d’un large portique.

Choisir une version robuste uniquement en fonction de la taille des dents

La capacité de guidage, le couple de la boîte de vitesses, la rigidité du chariot et la structure de la machine doivent également augmenter de manière appropriée.

Ignorer l'alignement des joints de crémaillère

Les longs déplacements peuvent perdre en douceur et en précision en cas de joints de section mal installés.

Utiliser une précharge excessive

Une précharge trop importante augmente la friction, la chaleur et l'usure.

En supposant que fermé signifie sans entretien

Les dents de crémaillère, les guides, les boîtes de vitesses et la lubrification doivent encore être inspectés.

Un flux de travail pratique de sélection de modules à crémaillère et pignon

1. Définir les déplacements requis.
2. Définissez la masse en mouvement et le centre de gravité.
3. Définir la vitesse et l'accélération maximales.
4. Calculez la poussée linéaire requise.
5. Définissez séparément la répétabilité et le positionnement absolu.
6. Sélectionnez la forme de dent droite ou hélicoïdale.
7. Déterminez si un pignon simple ou double est requis.
8. Déterminez si un portique large nécessite un entraînement simple ou double face.
9. Sélectionnez le module de crémaillère, la taille du pignon et le rapport de boîte de vitesses.
10. Vérifiez les charges de guidage et la capacité de moment.
11. Choisissez une protection ouverte, semi-fermée ou fermée.
12. Planifiez l’alignement des sections de crémaillère pour les longs déplacements.
13. Définir les accès de lubrification et de maintenance.
14. Validez les vibrations, le jeu et le positionnement sur toute la course.

Ce dont QRXQ a besoin pour recommander un type de module de rack

• Déplacement obligatoire
• Masse en mouvement
• Position du centre de gravité
• vitesse maximale
• Accélération
• Poussée requise
• Précision du positionnement
• Répétabilité
• Structure à chariot unique ou à portique
• Largeur d'installation disponible
• Environnement de travail
• Cycle de service quotidien

Il n’existe pas de « meilleur » type de module à crémaillère et pignon.La forme des dents, le nombre de pignons, la disposition des crémaillères, le boîtier et la structure robuste résolvent différents problèmes d'ingénierie.

QRXQ évalue les modules linéaires à crémaillère et pignon à partir de l'architecture de mouvement complète, en faisant correspondre les crémaillères droites ou hélicoïdales, les pignons simples ou doubles, l'entraînement simple ou double face, le niveau de protection et la capacité structurelle à l'application réelle à longue course.