Rolamentos aerostáticos
O gás pressurizado atua como lubrificante no espaço entre as partes móveis dos mancais. O colchão de gás transporta a carga sem qualquer contacto entre as partes móveis. Normalmente, o gás comprimido é fornecido por um compressor. Um objetivo principal do fornecimento de pressão de gás no espaço é fazer com que a rigidez e o amortecimento da almofada de gás atinjam o nível mais alto possível. Além disso, o consumo de gás e a uniformidade do seu fornecimento no espaço são cruciais para o bom desempenho dos rolamentos aerostáticos.
O fornecimento de gás à interface entre os elementos móveis de um rolamento aerostático pode ser conseguido com vários métodos diferentes:[4].
Não existe um método único ideal para alimentar o filme. Todos eles têm vantagens e desvantagens específicas para cada aplicação.[5].
Os volumes mortos referem-se em particular às câmaras e canais existentes nos mancais aerostáticos convencionais para distribuir o gás e aumentar a pressão comprimida dentro do espaço. Em rolamentos de gás poroso (sinterizado), as cavidades internas também são consideradas volume morto.[6].
Com rolamentos aerostáticos convencionais de bico único, o ar comprimido flui através de alguns bicos relativamente grandes (0,1 a 0,5 mm de diâmetro) para o espaço intermediário do rolamento. O consumo de gás, portanto, permite apenas uma certa flexibilidade, de modo que as características do rolamento (força, momentos, superfície de apoio, altura do entreferro do rolamento, amortecimento) só podem ser ajustadas de forma insuficiente. No entanto, para permitir uma pressão uniforme do gás mesmo com apenas alguns bicos, os fabricantes de rolamentos aerostáticos adotam técnicas de construção. Ao fazer isso, esses rolamentos geram volumes mortos (volume de ar não compressível e, portanto, de baixa pressão). Na verdade, este volume morto é muito prejudicial para a dinâmica do suporte de gás e causa vibrações autoexcitadas.[7].
O sistema de pré-compressão consiste em uma câmara ao redor do bocal central. Normalmente, a proporção desta câmara está entre 3% e 20% da superfície de apoio. Mesmo com uma profundidade de câmara de 1/100 mm, o volume morto é muito elevado. Na pior das hipóteses, esses rolamentos pneumáticos consistem em uma superfície de rolamento côncava em vez de uma câmara. Sua principal desvantagem é que eles apresentam rigidez muito baixa quando a peça rotativa se inclina.[8].
Normalmente, os rolamentos aerostáticos convencionais são fabricados com câmaras e canais. Este projeto assume que com um número limitado de bicos, o volume morto deve diminuir enquanto distribui uniformemente o gás dentro do espaço intermediário. A maioria das concepções refere-se a estruturas de canais especiais. Os rolamentos aerostáticos com estruturas de microcanais sem câmara são fabricados desde o final da década de 1980. No entanto, esta técnica também tem de gerir problemas de volume morto. À medida que a altura do vão aumenta, a carga e a rigidez do microcanal diminuem. Como no caso de acionamentos lineares de alta velocidade ou fusos de alta frequência, isso pode causar sérias desvantagens.[9].
Os rolamentos aerostáticos com microbocal perfurados a laser usam técnicas computadorizadas de projeto e fabricação para otimizar o desempenho e a eficiência. Essa tecnologia permite aos fabricantes maior flexibilidade na produção, otimizando seus projetos para uma determinada aplicação. Em muitos casos, os engenheiros podem criar rolamentos pneumáticos que se aproximam do limite teórico de desempenho.
Em vez de alguns bicos grandes, os rolamentos aerostáticos com muitos microbicos evitam volumes mortos dinamicamente desvantajosos. Os volumes mortos referem-se a todas as cavidades nas quais o gás não pode ser comprimido durante a diminuição do espaço. Eles aparecem quando a baixa pressão do gás estimula a vibração. Exemplos dos benefícios alcançados são: acionamentos lineares com acelerações superiores a 1.000 m/s² (100 g) ou acionamentos de impacto com ainda mais de 100.000 m/s² (10.000 g) devido ao alto amortecimento em combinação com alta rigidez dinâmica; movimentos subnanométricos devido a menores erros induzidos por ruído; e transmissão de gás ou vácuo sem juntas para acionamentos rotativos e lineares através da abertura graças ao fornecimento de ar guiado.
Os rolamentos aerostáticos de micro-bicos alcançam uma distribuição de pressão eficaz e quase perfeita dentro do espaço intermediário com um grande número de micro-bicos. Seu diâmetro típico está entre 0,02 mm e 0,06 mm. A seção transversal mais estreita desses bicos está localizada exatamente na superfície do rolamento. Desta forma, a tecnologia evita volumes mortos na superfície do mancal de ar de suporte e na área dos bicos de alimentação de ar.
Os microbicos são perfurados automaticamente com um feixe de laser proporcionando máxima qualidade e repetibilidade. Os comportamentos físicos dos rolamentos pneumáticos demonstram baixa variação dimensional para volumes de produção grandes e pequenos. Ao contrário dos rolamentos convencionais, com esta técnica os rolamentos pneumáticos não requerem fabricação manual ou dispendiosa.
As vantagens da tecnologia de rolamento de ar com microbocal incluem:
Algumas dessas vantagens, como alta flexibilidade, excelentes propriedades estáticas e dinâmicas combinadas e excitação de ruído muito baixo, provam ser únicas entre todos os outros rolamentos aerostáticos.[10][11].
Os rolamentos pneumáticos padrão são oferecidos com vários suportes para fixação em um mecanismo: