Napędy ze śrubami kulowymi - Dokładność dzięki wstępnemu obciążeniu

Napędy ze śrubami kulowymi przekształcają ruch obrotowy w precyzyjny ruch liniowy lub odwrotnie. Są one często używane jako element napędowy. Dokładność pozycjonowania ma kluczowe znaczenie w przypadku stosowania napędów ze śrubami kulowymi. Jednym ze sposobów zwiększenia dokładności pozycjonowania napędu ze śrubą kulową jest zmniejszenie luzu między wrzecionem a nakrętką przy użyciu obciążenia wstępnego. Ponieważ jednak obciążenie wstępne zmienia również swobodę ruchu systemu, są napędy ze śrubami kulowymi z regulowanym obciążeniem wstępnym. Układ taki można wstępnie obciążyć w takim stopniu, że dopuszczalny luz osiowy między nakrętką kulkową a gwintowanym wrzecionem osiąga się bez nadmiernego ograniczania swobody ruchu. Dzięki obciążeniu wstępnym można osiągnąć dokładność pozycjonowania rzędu kilku mikrometrów. W tym artykule dowiesz się, jak to działa i jakie są klasy dokładności.

Co to jest napęd ze śrubą kulową?

Napęd ze śrubą kulową, zwany również śrubą kulową z recyrkulacją, przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy. W najprostszej postaci napęd ze śrubą kulową składa się ze śruby napędowej i nakrętki. Kule toczą się między nimi po torze recyrkulacyjnym, aby zmniejszyć tarcie. Bardziej złożone systemy, na przykład, składają się z podwójnego systemu nakrętek lub mają urządzenia zabezpieczające. Napędy ze śrubami kulowymi są bardzo precyzyjne i zdolne do przenoszenia dużych sił przy niskich stratach tarcia, dzięki czemu idealnie nadają się do sterowania ruchem w zastosowaniach przemysłowych i maszynach, takich jak obrabiarki CNC lub roboty. Z ich pomocą, na przykład, mocowanie przedmiotu obrabianego można ustawić bardzo dokładnie. Prawidłowe smarowanie jest niezbędne do obsługi napędów ze śrubami kulowymi (więcej informacji na temat Smarowanie śrub kulowych - Środki smarne, obszary zastosowań i informacje ogólne

Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat funkcji, budowy i klas precyzji napędów ze śrubami kulowymi, zobacz nasz artykuł na temat Napędy ze śrubami kulowymi – funkcja / budowa / typy / klasy dokładności

Czym jest obciążenie wstępne?

Obciążenie wstępne oznacza celowe wprowadzenie siły do systemu lub komponentu przed wystawieniem go na działanie obciążenia zewnętrznego. Gwarantuje stabilność i niezawodność funkcjonalną. Obciążenie wstępne można stosować np. do połączeń gwintowanych, sprężyn, łożysk śrub napędowych, ale także do napędów ze śrubami kulowymi.

Śruby kulowe są zwykle sprężyste i mają luz osiowy w układzie napędowym. Luz osiowy to nieużywany zakres ruchu lub luz śruby napędowej, który powstaje jako szczelina między kulkami łożyska a gwintem śruby napędowej i torowiskiem w nakrętce gwintowanej.

Ze względu na luz osiowy napęd ze śrubą kulową przesuwa się między położeniami (+) i (-). W przypadku obciążeń wstępnych w jednym kierunku nie prowadzi to jeszcze do niedokładności pozycjonowania, ponieważ kulki są dociskane do jednej strony boku gwintu. Jednakże, gdy tylko nastąpi zmiana kierunku lub odwrócenie obciążenia osiowego, absolutna dokładność pozycjonowania nie jest już utrzymana.

• F_r = Efekt siły promieniowej
• M = moment zginający, np. z powodu nieprawidłowego wyrównania instalacji

Obciążenie wstępne wprowadza się, aby zminimalizować ten niepożądany efekt. Podczas regulacji obciążenia wstępnego trzeba wziąć pod uwagę tolerancje wymiarowe. Tolerancje łożyska lub gwintu są regulowane w taki sposób, że nie ma już luzu, co optymalizuje dokładność pozycjonowania i sztywność systemu. Zwykle jest wprowadzane między śrubą napędową a podwójną nakrętką, np. za pomocą dwóch nakrętek, które są dociskane do siebie nawzajem. Napięcie sprężyny pomiędzy nakrętkami można zwykle regulować za pomocą pierścienia gwintowanego.

Termin obciążenie wstępne jest również zdefiniowany w normach. Norma JIS 1192, na przykład, definiuje obciążenie wstępne jako siłę wywieraną wewnętrznie na napędy ze śrubami kulowymi za pomocą grupy osiowo przesuniętych stalowych kulek lub pary nakrętek w celu zmniejszenia luzu i zwiększenia sztywności napędu ze śrubą kulową. Jednak nadmierne obciążenie wstępne może również wpływać na żywotność napędu ze śrubą kulową. Dlatego należy dokładnie rozważyć ilość obciążenia wstępnego.

Rodzaje obciążenia wstępnego

Ogólnie rzecz biorąc, są dwa rodzaje obciążenia wstępnego: promieniowe i osiowe. Wstępne obciążenie promieniowe to siła przyłożona prostopadle do osi obrotu, np. do pierścieni łożyskowych w łożysku tocznym. Zapewnia to równomierny kontakt między łożyskiem tocznym a bieżnią. Obciążenie wstępne osiowe jest stosowane wzdłuż osi łożyska lub wrzeciona i zapobiega luzowi w kierunku wzdłużnym. W przypadku napędów ze śrubami kulowymi stosowane jest wstępne obciążenie osiowe.

Znaczenie siły obciążenia wstępnego

Stosowanie obciążenia wstępnego ma następujące zalety:

• Sztywność poprawia się, co z kolei optymalizuje nośność i powtarzalność.
• Wydłuża się żywotność. Należy jednak zadbać o to, aby obciążenie wstępne nie było zbyt duże, ponieważ w przeciwnym razie może to mieć niekorzystny wpływ.
• Wibracje i hałas są zminimalizowane, co jest na przykład istotne w przypadku zastosowań wymagających cichego ruchu.
• Luiz jest zminimalizowany, co skutkuje bardziej precyzyjną kontrolą ruchu i pozycjonowaniem. Jest to ważne między innymi w przypadku obrabiarek CNC lub robotyki.

Przy obliczaniu niezbędnej siły obciążenia wstępnego należy również wziąć pod uwagę wymagane klasy tolerancji wytwarzanych komponentów (patrz Klasy tolerancji zgodnie z normami ISO 22081 i DIN ISO 2768: Zoptymalizowane wykorzystanie tolerancji ogólnych

Obliczanie siły obciążenia wstępnego

Siła obciążenia wstępnego nakrętki zawsze stanowi stałe obciążenie napędu ze śrubą kulową. Dlatego ważne jest, aby znaleźć siłę obciążenia wstępnego, która nie wywiera nadmiernego nacisku na napęd ze śrubą kulową, a jednocześnie spełnia swoje zadanie. W tym celu można wziąć pod uwagę w szczególności oczekiwane obciążenie robocze. Siłę obciążenia wstępnego można na przykład obliczyć na podstawie wartości obciążenia dynamicznego. Wskazuje to, jakie obciążenia może wytrzymać napęd ze śrubą kulową, aby osiągnąć żywotność 1 miliona obrotów.   Jest ono określone przez producenta. Obciążenia znamionowe są na przykład znormalizowane w ISO 281. W przypadku nakrętek ze śrubą kulową o 4-punktowym styku, 5-8% dynamicznego obciążenia ma sens w przypadku wstępnego obciążenia i 8-10% w przypadku 2-punktowego kontaktu. Inne wartości mają zastosowanie do oznaczeń zgodnych ze standardem ANSI.

Różne metody wstępnego obciążania

Są różne metody regulacji obciążenia wstępnego, takie jak nakrętki śrub kulowych z regulowanym obciążeniem wstępnym. W tym wariancie sprężyna jest zamontowana między dwiema nakrętkami i dociska nakrętki do lewej i prawej strony bieżni wrzeciona. Obciążenie wstępne można dodatkowo regulować za pomocą pierścienia gwintowanego. Obciążenie wstępne można również osiągnąć automatycznie za pomocą układów hydraulicznych. Różne metody szczegółowo przedstawiono poniżej.

Podwójna nakrętka wstępnie obciążona sprężyną

Wybór właściwego napięcia sprężyny ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji obciążenia wstępnego (patrz Wybór sprężyn naciągowych i naciskowych – przegląd / zastosowania / przykłady zastosowań). Podwójna nakrętka obciążona sprężyną jest dobrym rozwiązaniem dla małych napędów ze śrubami kulowymi. Dwie nakrętki są umieszczone w obudowie tak, aby nie mogły się obracać i są odpychane przez sprężynę zaciśniętą między nimi. Sprężyna zapewnia, że obciążenie wstępne pozostaje zawsze takie samo, nawet w przypadku zużycia lub z powodu tolerancji produkcyjnych. Samo obciążenie wstępne jest również stosunkowo małe. Wady podwójnej nakrętki obciążonej sprężyną polegają na tym, że jest ona na ogół bardziej złożona i większa, a wyrównanie jest trudniejsze. Siły nie mogą być już przenoszone we wszystkich kierunkach: sprężyna może ustąpić, jeśli siły przekraczają siłę obciążenia wstępnego.

Instalowanie kulek z określonym nadwymiarem

Kulki można montować z określonym nadwymiarem, jeśli w napędzie ze śrubą kulowej używane są pojedyncze nakrętki standardowe.   Powoduje to tzw. czteropunktowy kontakt pomiędzy czterema punktami kulki a nakrętką. Prowadzi to do znacznego wzrostu tarcia.

• (1) Śruba napędowa (przekrój poprzeczny)
• (2) Nakrętka (przekrój poprzeczny)

Ze względu na duże tarcie, metoda ta powinna być stosowana przy małym obciążeniu wstępnym lub luzie. Sprawność nieco się pogarsza, a reakcja na tolerancje produkcyjne jest również wyższa przy tego typu obciążeniu wstępnym. W przypadku szczególnie długich śrub prowadzących nie ma więc sensu instalowanie wstępnie obciążonych pojedynczych nakrętek. Zalety: sprawność i kompaktowa konstrukcja.

Instalowanie pojedynczej nakrętki z przesunięciem skoku

Przesunięcie skoku można nadal wybrać dla pojedynczych nakrętek. Polega to na zainstalowaniu nakrętki o skoku gwintu, który nieznacznie odbiega od wrzeciona. Tak zdefiniowane przesunięcie powoduje przesunięcie położenia elementów tocznych w gwincie wrzeciona, co skutkuje dwupunktowym stykiem. Ta metoda jest odpowiednia do średniego obciążenia wstępnego.

• (1) Śruba napędowa (przekrój poprzeczny)
• (2) Nakrętka (przekrój poprzeczny)

Instalowanie elementu dystansowego do nakrętek podwójnych

Bardziej złożonym wariantem wstępnego obciążenia jest zamontowanie układu podwójnych nakrętek z elementem dystansowym.

• (1) Śruba napędowa (przekrój poprzeczny)
• (2) Nakrętka (przekrój poprzeczny)
• (3) Element dystansowy

Dwie gwintowane nakrętki są dociskane od siebie przez element dystansowy, co powoduje dwupunktowy kontakt. W rezultacie tarcie wzrasta bardzo nieznacznie. Luz osiowy jest prawie całkowicie wyeliminowany, co przyczynia się do sztywności i precyzji napędu ze śrubą kulową. Ta metoda jest opłacalna w przypadku średniego i wysokiego obciążenia wstępnego. Elementy dystansowe umożliwiają prostą regulację obciążenia wstępnego, dlatego nadają się do zmiennych obciążeń.