Mecanisme de acționare a șuruburilor cu bilă - precizie la preîncărcare

Mecanisme de acționare a șuruburilor cu bilă transformă mișcarea rotativă în mișcare liniară precisă sau invers. Acestea sunt adesea utilizate ca element de acționare. Precizia poziționării este esențială atunci când utilizați mecanismele de acționare a șuruburilor cu bilă. O modalitate de a crește precizia de poziționare a unui mecanism de acționare a șuruburilor cu bilă este reducerea jocului dintre arborele principal și piuliță cu o preîncărcare. Cu toate acestea, deoarece această preîncărcare modifică și ușurința de mișcare a sistemului, există mecanisme de acționare a șuruburilor cu bilă cu preîncărcare reglabilă. Sistemul poate fi preîncărcat, astfel încât jocul axial permis între piulița cu bilă și arborele principal filetat să fie obținut fără a limita prea mult mișcarea liberă. Preîncărcarea poate obține o precizie de poziționare de câțiva micrometri. În acest articol, veți afla cum funcționează acest lucru și ce clase de precizie există.

Ce este un mecanism de acționare a șuruburilor cu bilă?

Un mecanism de acționare a șuruburilor cu bilă, numit și mecanism de acționare a șuruburilor conducătoare cu bilă de recirculare, transformă mișcarea rotativă în mișcare liniară. În forma sa cea mai simplă, un mecanism de acționare a șuruburilor cu bilă constă dintr-un șurub conducător și o piuliță. Bilele se rostogolesc între ele pe o șină de recirculare pentru a reduce frecarea. Sistemele mai complexe constau, de exemplu, dintr-un sistem cu piulițe duble sau au dispozitive de protecție. Mecanismele de acționare a șuruburilor cu bilă sunt foarte precise și capabile să transfere forțe ridicate cu pierderi reduse la frecare, fiind ideale pentru controlul mișcării în aplicații industriale și mașini precum mașinile CNC sau roboții. Cu ajutorul lor, de exemplu, dispozitivele de fixare ale piesei de prelucrat pot fi poziționate foarte precis. Lubrifierea corectă este esențială pentru operarea mecanismelor de acționare a șuruburilor cu bile (mai multe informații despre Lubrifierea mecanismelor de acționare a șuruburilor cu bilă – Lubrifianți, zone de aplicare și informații generale).

Pentru informații mai detaliate despre funcția, designul și clasele de precizie ale mecanismelor de acționare a șuruburilor cu bilă, consultați articolul nostru despre Mecanisme de acționare a șuruburilor cu bile – Funcție/structură/tipuri/clase de precizie.

Ce este preîncărcarea?

Preîncărcarea este înțeleasă ca introducerea intenționată a unei forțe într-un sistem sau o componentă înainte de a fi expusă la o sarcină externă. Aceasta garantează stabilitatea și fiabilitatea funcțională. Se poate aplica o presarcină, de ex., pe articulații filetate, arcuri, rulmenți cu șurub conducător, dar și pe un mecanism de acționare a șuruburilor cu bilă.

Șuruburile cu bilă tind să fie elastice și au joc axial în trenul de acționare. Jocul axial este intervalul de mișcare neutilizat sau jocul de retur al unui șurub conducător, care este creat de spațiul dintre bilele lagărului și filetul șurubului conducător și șinele din piulița filetată.

Datorită jocului axial, mecanismul de acționare a șurubului cu bilă se deplasează între pozițiile (+) și (-). Pentru preîncărcările într-o direcție, acest lucru nu duce încă la imprecizie de poziționare, deoarece bilele sunt presate pe o parte a flancului filetului. Totuși, de îndată ce apare o schimbare de direcție sau o inversare a sarcinii axiale, nu se mai oferă precizia de poziționare absolută.

• F_r = Efect de forță radială
• M = moment de îndoire, de ex., din cauza unei instalări aliniate greșit

Este introdusă o preîncărcare pentru a minimiza acest efect nedorit. Luarea în considerare a toleranțelor dimensionale este esențială la reglarea preîncărcării. Toleranțele lagărelor sau ale filetelor sunt reglate, astfel încât să nu mai existe joc, ceea ce optimizează precizia de poziționare și rigiditatea sistemului. De obicei, acesta este introdus între șurubul conducător și piulița dublă, de exemplu, prin utilizarea a două piulițe care sunt prinse una de cealaltă. Tensiunea arcului între piulițe poate fi reglată de obicei folosind un inel filetat.

Termenul de preîncărcare este definit și în standarde. JIS 1192, de exemplu, definește preîncărcarea ca fiind forța exercitată intern asupra mecanismelor de acționare a șuruburilor cu bilă, prin utilizarea unui grup de bile de oțel decalate axial sau a unei perechi de piulițe pentru a reduce jocul și a crește rigiditatea mecanismului de acționare a șuruburilor cu bilă. Cu toate acestea, preîncărcarea excesivă poate afecta, de exemplu, durata de viață a mecanismului de acționare a șuruburilor cu bilă. Prin urmare, cantitatea de preîncărcare trebuie luată în considerare în detaliu.

Tipuri de preîncărcare

În general, există două tipuri de preîncărcare: radială și axială. Preîncărcarea radială este o forță aplicată perpendicular pe axa de rotație, de ex., pe inelele lagărelor dintr-un lagăr rulant. Aceasta asigură un contact uniform între lagărul rulant și cursă. Preîncărcarea axială este aplicată de-a lungul axei lagărului sau a arborelui principal și împiedică jocul pe direcție longitudinală. Preîncărcarea axială este utilizată pentru mecanismele de acționare a șuruburilor cu bilă.

Importanța forței de preîncărcare

Utilizarea unei preîncărcări are următoarele avantaje:

• Rigiditatea se îmbunătățește, ceea ce optimizează, la rândul său, capacitatea de încărcare și repetabilitatea.
• Durata de viață crește. Cu toate acestea, trebuie să aveți grijă ca preîncărcarea să nu fie prea ridicată, deoarece, în caz contrar, poate avea un efect negativ.
• Vibrațiile și zgomotele sunt minimizate, ceea ce este relevant, de exemplu, pentru aplicațiile care necesită o mișcare silențioasă.
• Jocul este minimizat, rezultând un control mai precis al mișcării și o poziționare mai precisă. Acest lucru este important, printre altele, pentru mașinile CNC sau pentru robotică.

La calcularea forței de preîncărcare necesare, trebuie luate în considerare și clasele de toleranță necesare ale componentelor care trebuie fabricate (consultați Clasele de toleranță în conformitate cu ISO 22081 și DIN ISO 2768: Utilizare optimizată a toleranțelor generale).

Calcularea forței de preîncărcare

Forța de preîncărcare a piuliței reprezintă întotdeauna o sarcină constantă pe mecanismul de acționare a șuruburilor cu bilă. Prin urmare, este important să găsiți o forță de preîncărcare care, în același timp, să nu exercite o presiune excesivă asupra transmisiei șurubului cu bilă, îndeplinindu-și în același timp scopul. În acest scop, poate fi luată în considerare, în special, sarcina de funcționare preconizată. Forța de preîncărcare poate fi calculată, de exemplu, din valoarea nominală dinamică a sarcinii. Aceasta indică la ce sarcini poate rezista mecanismul de acționare a șuruburilor cu bilă pentru a obține o durată de viață de 1 milion de rotații.   Aceasta este specificată de producător. Valorile nominale ale sarcinii sunt, de exemplu, standardizate în ISO 281. Pentru piulițele cu șurub cu bilă cu contact în 4 puncte, 5-8% din indicele de sarcină dinamică are sens pentru preîncărcare și 8-10% pentru contactul în 2 puncte. Alte valori se aplică pentru determinări în conformitate cu standardul ANSI.

Diverse metode de preîncărcare

Există diverse metode de reglare a preîncărcării, cum ar fi piulițele cu șurub cu bilă cu preîncărcare reglabilă. În această variantă, un arc este montat între două piulițe, care presează piulițele pe partea stângă și dreaptă a cursei arborelui principal. Preîncărcarea poate fi ajustată suplimentar cu un inel filetat. Preîncărcarea poate fi realizată automat și prin utilizarea sistemelor hidraulice. Diferitele metode sunt prezentate în detaliu mai jos:

Piuliță dublă preîncărcată cu arc

Selectarea tensiunii corecte a arcurilor este esențială pentru optimizarea preîncărcării (consultați Selectarea arcurilor de tensionare și a arcurilor de compresie – Prezentare generală/utilizări/exemple de aplicații). Piulița dublă acționată cu arc este o opțiune bună pentru mecanismele de acționare a șuruburilor cu bilă mici. Cele două piulițe sunt amplasate într-o carcasă într-o manieră fixă rotativ, unde sunt împinse separat de un arc fixat între ele. Arcul se asigură că preîncărcarea rămâne întotdeauna aceeași, chiar și în cazul uzurii sau din cauza toleranțelor de fabricație. Preîncărcarea în sine este, de asemenea, comparativ mică. Dezavantajele piuliței duble acționate cu arc sunt că în general acestea sunt mai complexe și mai mari, iar alinierea este mai dificilă. Forțele nu mai pot fi transferate în toate direcțiile: arcul se poate răsuci dacă forțele depășesc forța de preîncărcare.

Instalarea bilelor cu o supradimensionare definită

Bilele pot fi montate cu o supradimensionare definită dacă sunt utilizate piulițe standard individuale în mecanismul de acționare a șuruburilor cu bilă.   Acest lucru duce la un așa-numit contact în patru puncte între patru puncte ale bilei și piuliță. Acest lucru duce la o creștere semnificativă a frecării.

• (1) Șurub conducător (secțiune transversală)
• (2) Piuliță (secțiune transversală)

Din cauza frecării ridicate, această metodă trebuie utilizată cu o preîncărcare sau un joc mic. Eficiența se deteriorează oarecum, iar răspunsul la toleranțele de producție este, de asemenea, mai mare cu acest tip de preîncărcare. Pentru șuruburile cu ghidaj deosebit de lungi, nu are rost să instalați piulițele simple preîncărcate. Avantajele sunt: eficiență și design compact.

Instalarea unei singure piulițe cu decalaj al pasului

Un decalaj al pasului poate fi selectat în continuare pentru piulițe individuale. Aceasta implică instalarea unei piulițe cu un pas al filetului care se abate ușor de la arborele principal. Acest decalaj definit cauzează deplasarea poziției elementelor de rulare în filetul arborelui principal, fapt care duce la un contact în două puncte. Această metodă este adecvată pentru preîncărcarea medie.

• (1) Șurub conducător (secțiune transversală)
• (2) Piuliță (secțiune transversală)

Instalarea unui element distanțier pentru piulițe duble

O variantă de preîncărcare mai complexă este de a instala un sistem cu piuliță dublă cu un element distanțier.

• (1) Șurub conducător (secțiune transversală)
• (2) Piuliță (secțiune transversală)
• (3) Element distanțier

Două piulițe filetate sunt prinse una de cealaltă prin intermediul unui element distanțier, ceea ce are ca rezultat un contact în două puncte. Prin urmare, frecarea crește foarte puțin. Jocul axial este aproape complet eliminat, ceea ce contribuie la rigiditatea și precizia mecanismului de acționare a șuburilor cu bilă. Această metodă este viabilă pentru preîncărcare medie și ridicată. Elementele distanțiere permit reglaje simple ale preîncărcării, de aceea sunt potrivite pentru sarcini variabile.