Componentes de Movimento

Um guia sobre rolamentos (bearings), buchas (bushings) e eixos (axles/shafts), incluindo a mecânica por trás da transmissão de torque através de eixos. Esta página também contém dicas sobre como fabricar e montar essas peças.

Rolamentos Radiais (Radial Bearings)

Rolamentos radiais são o tipo de componente de movimento mais importante e comum, utilizado por praticamente todas as equipes. O uso mais comum de rolamentos é permitir que eixos girem livremente com uma conexão de baixo atrito. Eles são incrivelmente importantes para garantir que um eixo possa girar suavemente, e são muito mais eficazes nisso do que outras opções como buchas. Rolamentos são recomendados em aplicações de baixo torque, mas suportam altas velocidades.

Existem outras aplicações para rolamentos, como em bearing blocks de elevadores onde deslizam ao longo de uma superfície para reduzir o atrito; no entanto, esta seção é dedicada especificamente ao uso de rolamentos em sistemas rotacionais.

Nota

Um eixo montado sobre rolamentos não é um componente estrutural ou rígido, o que significa que ele não pode sustentar uma estrutura por si só, ao contrário de um espaçador rigidamente parafusado.

Rolamento com flange (flanged bearing) utilizado em roletes no robô de 2024 da 1678.

Existem vários tipos de rolamentos usados na FRC®. Quase todos os rolamentos na FRC são rolamentos de esferas (ball bearings), o que significa que eles giram por meio de pequenas esferas contidas na estrutura do rolamento.

Rolamentos com Flange (Flanged Bearings)

São os tipos mais comuns de rolamentos. Eles possuem uma flange que permite que sejam montados com segurança em placas, ficando assim apoiados por um dos lados. São utilizados em uma ampla variedade de aplicações, como caixas de redução (gearboxes), roletes (rollers), etc.

Rolamentos Padrão (Standard Bearings)

São essencialmente os mesmos rolamentos, mas sem a flange. Costumam ser usados em locais onde uma flange não cabe ou não é necessária. Podem ser usados na maioria das mesmas aplicações que os flanged bearings, mas requerem cuidados adicionais para retenção e montagem.

Rolamento padrão em uma gearbox. A placa possui um rebaixo parcial (pocket) para que o rolamento não caia, sendo retido por um eixo personalizado.

Rolamentos de Agulha (Needle Bearings)

Rolamentos de agulha são um tipo especial de rolamento muito mais fino que rolamentos padrão ou com flange. Podem ser usados em locais onde não há espaço para um rolamento comum e são quase sempre usados com eixos redondos. Como resultado, são uma opção comum para uso com roletes de dead axle, pois podem ser inseridos sob pressão (press fit) nas tampas terminais (end caps).

Rolamento de agulha usado em roletes de dead axle no intake de 2025 da 1540. Permite que o rolete gire em torno de um eixo rígido.

Rolamentos X-Contact

Rolamentos X-Contact operam com casos de uso e aplicações completamente diferentes dos rolamentos de esferas convencionais. Eles costumam ter um diâmetro muito maior do que a maioria dos rolamentos. Como consequência, são comumente usados em módulos swerve ou turrets para permitir a rotação livre desses sistemas. Rolamentos X-Contact também são montados de forma diferente em comparação aos rolamentos típicos.

Rolamento X-Contact em um módulo swerve MK4. Permite que a roda gire livremente em azimute.

Configuração do rolamento X-Contact. A esfera tem contato em 4 pontos em vez de 2 em rolamentos padrão.

Configuração de rolamento de esferas padrão. A esfera possui contato em 2 pontos verticalmente.

Essa configuração permite que os rolamentos X-Contact suportem muito mais carga axial (thrust) do que rolamentos comuns, o que significa que suportam cargas laterais/axiais em vez de apenas radiais. Isso é muito útil em locais com muito peso aplicado verticalmente contra o rolamento, como em módulos swerve onde os rolamentos precisam suportar todo o peso do robô.

Buchas (Bushings)

Um tipo comum de componente de rotação usado na FRC são as buchas (bushings). Buchas são frequentemente usadas para aplicações de alto torque e baixa velocidade, como em pivôs com dead axle. Elas são muito mais simples do que rolamentos de esferas; em vez de usar esferas para o movimento rotacional suave, os eixos simplesmente giram sobre uma superfície autolubrificante (como latão ou bronze). Embora os rolamentos sejam a solução preferida na maioria dos casos por reduzirem o atrito e suportarem cargas de maneira mais eficaz, em aplicações de baixa velocidade as buchas têm a vantagem de serem menores e mais leves. Elas geralmente possuem uma flange, mas outros formatos podem ser adquiridos em fornecedores industriais.

Bucha montada no shooter de 2024 da 1678, permitindo que pivote livremente em torno de um eixo.

Outros Rolamentos

Existe uma grande variedade de rolamentos com uso mais limitado na FRC, como rolamentos axiais (thrust bearings) ou rolamentos lineares (linear bearings). Esses tipos geralmente têm casos de uso específicos menos comuns na FRC. Mais informações podem ser encontradas no site da McMaster-Carr, um fornecedor industrial de referência.

Eixos (Axles / Shafts)

Eixos (axles ou shafts) são usados para transmitir torque em transmissões de potência e facilitar o movimento rotacional. Eles são um dos componentes mais importantes na FRC e permitem a montagem de tudo: de roletes e rodas a pivôs e braços. Existem muitos tipos de eixos de vários fornecedores, mas eles podem ser classificados por material, diâmetro e perfil (por exemplo, redondo vs hex). É fundamental considerar essas variáveis ao projetar mecanismos, pois elas afetam imensamente o produto final.

Eixo hexagonal arredondado (rounded hex) típico de 1/2” sobre dois rolamentos, retido com parafusos.

Material

Quase todos os eixos são feitos de alumínio ou aço. O alumínio é o material preferido na maioria dos casos por sua facilidade de fabricação e usinagem, com duas ligas principais usadas na FRC: 6061 e 7075.

7075 é usado na maioria dos eixos hexagonais (frequentemente eixos maciços). O alumínio 7075 é útil quando se deseja maior resistência mecânica, porém é mais difícil de cortar e trabalhar. Além disso, pesa ligeiramente mais que o alumínio 6061.

6061 é usado em tubos churro e na maioria dos eixos redondos ou tubulares de grande diâmetro. Embora seja ligeiramente menos resistente que o 7075, ainda é muito útil e tem a vantagem de ser mais fácil de cortar e usinar.

O aço é útil quando o diâmetro do eixo precisa ser menor e ainda assim transmitir alto torque, como em sistemas de pivô e caixas de redução, mas geralmente a melhor prática é evitar usá-lo desnecessariamente. O aço também pesa significativamente mais que o alumínio, o que precisa ser levado em conta no limite de peso do robô.

Atenção

Eixos de aço geralmente exigem ferramentas de usinagem diferentes das usadas para alumínio. Na montagem, pode ser mais difícil deslizar rodas e outros componentes em um eixo de aço do que em um de alumínio. Por mais resistente que seja, tenha cautela ao usá-lo em todo lugar. Não é recomendado projetar diretamente para eixos de aço, mas sim usá-los como substitutos diretos caso o alumínio se mostre insuficiente.

Diâmetro

Os diâmetros dos eixos na FRC variam bastante. A maioria varia de 3/8” a 1” de diâmetro, mas é possível obter eixos ainda maiores de fornecedores industriais. A maior parte da resistência à torção e flexão de um eixo vem de seu diâmetro externo, o que significa que tubos ocos de grande diâmetro oferecem uma excelente relação resistência/peso.

A regra prática é: quanto maiores o torque e a carga, maior deve ser o diâmetro do eixo. Se for usado um eixo muito fino, independentemente do material, ele poderá torcer ou empenar sob cargas elevadas. Para braços longos em balanço (cantilever), eixos largos de 2”+ proporcionam excelente estabilidade e resistência. Por outro lado, eixos menores são úteis em locais onde a resistência não é crítica, ajudando a economizar peso.

Eixo hexagonal de aço de 1/2” retorcido. Foi usado para pivotar uma carga extremamente pesada.

Perfil

Existem vários tipos de perfis de eixo. Um dos mais comuns na FRC é o perfil hexagonal (hex), excelente por sua capacidade de transmitir forças rotacionais com facilidade sem peças adicionais; engrenagens, polias e outros componentes de transmissão só precisam de um furo hexagonal para girar junto com ele. Há dois tipos de eixos hexagonais: arredondados (rounded hex) e padrão (regular hex). A diferença é que os cantos do eixo rounded hex são chanfrados significativamente para caber em rolamentos padrão de furo redondo/hex.

Isso contrasta com os perfis redondos (round), onde uma chaveta (keyway) ou pino é necessário para acoplar o giro ao eixo. No entanto, perfis redondos são ideais para sistemas de dead axle, onde o eixo não precisa girar.

Outros perfis incluem:

MAXSpline / SplineXL: Marcas da REV e WCP. Semelhante ao hex, mas com diâmetro externo muito maior, podendo ser usado tanto para sistemas de live axle quanto de dead axle. Capaz de transmitir quantidades enormes de torque devido ao seu grande diâmetro.

Churro / Hex-Lite: Marcas da AndyMark e WCP. Muito parecido com hex e quebra um galho, mas o hex padrão é a opção preferida.

Vários tipos de perfis. Da esquerda para a direita: Churro, Hex (padrão), MAXSpline, Redondo (1”).

Dicas de Fabricação e Montagem

Esta seção apresenta dicas e erros comuns com componentes de movimento. Também aborda como montar rolamentos e eixos de forma eficaz.

Retenção de Rolamentos

A maioria dos rolamentos pode ser prensada sob pressão (press fit) em peças metálicas, como os rolamentos com flange e rolamentos de agulha. Outros podem exigir montagens especiais para evitar que saiam da posição, como rolamentos padrão, que devem ser retidos por uma placa.

Para rolamentos instalados em policarbonato ou materiais flexíveis similares, é uma boa prática incluir retenção mecânica adequada usando “chapeuzinhos” (bearing hats) parafusados ao material para manter o rolamento no lugar. Isso é necessário devido à flexibilidade do policarbonato, que pode se deformar e deixar os rolamentos saltarem para fora, sendo especialmente crítico se não houver espaçadores apoiando a placa adequadamente. Esses retentores podem ser adquiridos em fornecedores COTS ou impressos em 3D.

Retentor de rolamento (bearing hat) impresso em 3D no end effector de 2025 da 1540.

Retenção de Eixos (Shaft Retention)

Eixos sempre devem ser retidos para que não escorreguem para fora dos rolamentos. Existem várias formas de realizar essa retenção.

Parafuso e Arruela (Bolt and Washer)

Fazer rosca (macho/tap) na ponta do eixo e colocar um parafuso com arruela é geralmente a melhor prática. Isso garante que o eixo fique devidamente retido entre os rolamentos sem ocupar espaço útil ao longo do eixo, como visto na imagem de exemplo. No entanto, isso exige que o eixo tenha furo central / seja oco, portanto nem todos os eixos aceitam essa solução de imediato.

Dica

Trava-rosca (Loctite) deve ser usado para manter o parafuso no lugar, mas NUNCA use trava-rosca perto de policarbonato! O contato com produtos químicos anaeróbicos destrói o policarbonato, causando trincas irreversíveis.

Anéis de Fixação / Abraçadeiras de Eixo (Shaft Collars)

Shaft collars são considerados uma forma rápida e fácil de reter eixos. Eles abraçam o eixo fixando-se por aperto para não deslizar. A vantagem é que o comprimento do eixo não precisa ser pré-determinado com precisão milimétrica, ao contrário da fixação com parafuso e arruela, o que os torna excelentes para protótipos e montagens rápidas. No entanto, costumam não ser a melhor prática definitiva e devem ser usados quando estritamente necessários. Além disso, são quase exclusivamente usados para perfis hex e MAXSpline/SplineXL.

Shaft collar em um eixo hexagonal de 1/2”.

Shaft collars podem ser úteis em cenários onde há bastante espaço livre no eixo. Em vez de enfileirar dezenas de espaçadores, duas abraçadeiras podem ser fixadas na parte interna entre os rolamentos para reter o eixo. Se as flanges dos rolamentos estiverem voltadas uma para a outra, essa é uma forma eficaz de reter todo o eixo usando apenas um collar (embora esse método ainda exija espaçadores adequados, como visto no exemplo da 2910).

Shaft collar retendo um eixo hex de 1/2” nos eixos do climb da 2910. Observe que as flanges dos rolamentos apontam uma para a outra, com apenas um lock collar utilizado.

Anéis de Retenção e Travas (Clips and Rings / Circlips)

Outra forma de reter eixos é com anéis de retenção (snap rings / retaining rings). Eles são uma excelente prática e podem ser mais convenientes do que parafusos nas pontas; para eixos redondos, são incrivelmente úteis. No entanto, exigem recursos de usinagem, como acesso a um torno mecânico para abrir o canal (groove), algo que nem todas as equipes possuem.

Canal usinado no eixo do braço de 2025 da 1540, permitindo a instalação de um anel elástico de retenção (retaining ring).

Eixos Rebaixados / Torneados (Turned Down Axles)

Outra forma de reter eixos é usinar (tornear) parcialmente um rebaixo no próprio eixo. Essa ponta rebaixada se assenta no furo do rolamento enquanto o restante mantém o perfil original com ombro de apoio. Isso retém o eixo sem necessidade de ferramentas extras como parafusos ou collars, mas exige capacidade de usinagem, geralmente em torno.

Eixo hex customizado na caixa de redução do pivô da 6328 em 2023. Note que o ombro do perfil hex mantém o rolamento retido.

Nota

Ao usar rolamentos com flange, certifique-se de que as flanges estejam apontando para dentro, uma de frente para a outra. Com o espaçamento correto no eixo, isso permite que tanto o eixo quanto os rolamentos fiquem devidamente retidos.

Retenção de Eixo em Dead Axles

Eixos fixos (dead axles) devem ser montados rigidamente a uma peça para fornecer rigidez estrutural. Para eixos com furo roscado, basta parafusá-los diretamente em uma placa, mas com outros eixos redondos o processo exige um pouco mais de cuidado. A fixação pode ser feita de várias maneiras:

Plugs, Blocos ou Shaft Collars COTS: Para sistemas MAXSpline/SplineXL, a forma típica de montagem é usar blocos de fixação retidos com shaft collars. Estes são específicos de cada fornecedor, como os plugs usinados em tarugo (billet) da WCP. Para mais informações, consulte a documentação da WCP ou a documentação da REV.

Tube Nuts (Porcas Estrela / Buchas Expansivas para Tubo): Inseridas sob pressão ou batidas para dentro de eixos tubulares redondos, as tube nuts são ideais para aplicações de baixa carga como roletes de dead axle. Elas permitem parafusar os eixos diretamente em uma placa. São preferidas por serem facilmente encontradas como COTS, porém exigem precisão ao serem inseridas; qualquer desalinhamento pode causar problemas no funcionamento do mecanismo.

Dica

Para melhorar a precisão e resistência das tube nuts, experimente colocar duas em cada extremidade. Isso ajuda a alinhar melhor o eixo e a suportar cargas maiores, o que é especialmente importante em pivôs de maior porte.

Peças Usinadas em Tarugo (Billet Parts): Muitas equipes criam plugs usinados sob medida (billet) para fixar dead axles ou até mesmo substituí-los. Embora sejam significativamente mais resistentes que tube nuts, exigem muito mais recursos de fabricação do que a maioria das equipes dispõe.

Plug tubular usinado sob medida no pivô do robô de 2025 da 2910. Sustenta uma extremidade do dead axle customizado de 2.5” OD.

Dica

Se você tem interesse em plugs usinados e dispõe de um torno mecânico, é possível fazer uma versão torneada usando espaçadores de estoque. Um espaçador comum com diâmetro maior que o diâmetro externo (OD) do eixo pode ser usinado como um plug com flange similar aos plugs da 2056. Esse plug pode ser prensado no tubo e travado com um pino elástico (roll pin) ou parafuso. Veja a discussão da 2056 no Chief Delphi para mais detalhes.

Plugs usinados nas extremidades do dead axle do braço do robô de 2025 da 2056.

Tolerâncias

É essencial ter em mente as tolerâncias dos vários componentes para garantir uma montagem sem problemas. Frequentemente, cada fabricante tem suas próprias tolerâncias. Por exemplo, um eixo hex da WCP pode ter uma tolerância ligeiramente diferente de um rolamento da REV Robotics, e pode não deslizar com facilidade naquele rolamento.

Quaisquer peças fabricadas, como peças impressas em 3D, devem ter folga de tolerância suficiente para que possam deslizar suavemente no eixo. A folga recomendada é de 0,005” a 0,010” (aproximadamente 0,12 mm a 0,25 mm). Componentes que transmitem torque, como polias e engrenagens, devem ter tolerâncias mais justas, enquanto outros componentes, como espaçadores, podem ter mais folga.

Eixos Personalizados (Custom Axles)

Se a sua equipe possui capacidade de usinagem (como torno mecânico) ou pode terceirizar a fabricação, usinar eixos sob medida pode ser muito vantajoso.

Alguns fornecedores, como WCP ou AndyMark, vendem eixos customizados prontos. Esses eixos de saída (output shafts) são muito úteis em certos cenários. No entanto, geralmente não são obrigatórios e servem principalmente para facilitar a montagem ou atender a restrições específicas de espaço e peso.