Golyóscsavaros hajtások – pontosság elérése előfeszítéssel

A golyóscsavaros hajtások a forgó mozgást precíz lineáris mozgássá alakítják, vagy fordítva. Azokat gyakran használják meghajtóelemként. A golyóscsavaros hajtások használatakor a pozicionálás pontossága kritikus fontosságú. A golyóscsavaros hajtás pozicionálási pontossága részben úgy növelhető, ha előfeszítéssel csökkentjük az orsó és az anya közötti játékot. Mivel azonban ez az előfeszítés megváltoztatja a rendszer mozgásának könnyedségét, léteznek állítható előfeszítésű golyóscsavaros hajtások. A rendszer olyan mértékben előfeszíthető, hogy a golyósanya és a menetes orsó közötti megengedett axiális játék a szabad mozgás túlzott korlátozása nélkül érhető el. Az előfeszítés néhány mikrométeren belül képes elérni a pozicionálás pontosságát. Ebben a cikkben megtudhatja, hogyan működik ez, és milyen pontossági osztályok léteznek.

Mi az a golyóscsavaros hajtás?

A golyóscsavaros hajtás, más néven recirkulációs golyós vezetőcsavar a forgómozgást lineáris mozgássá alakítja. Legegyszerűbb formájában a golyóscsavaros hajtás egy vezetőcsavarból és egy anyából áll. A golyók ezek között forognak egy recirkulációs pályán, a súrlódás csökkentése érdekében. Az összetettebb rendszerek például kétcsavaros rendszerből állnak vagy védőeszközöket is tartalmaznak. A golyóscsavaros hajtások rendkívül precízek, és képesek a nagy erők alacsony súrlódási veszteségekkel történő átvitelére, így ideálisan alkalmasak a mozgásvezérlésre ipari alkalmazásokban és gépekben, például CNC gépekben vagy robotokban. Segítségükkel például a munkadarabok rögízítése nagyon pontosan pozicionálható. A golyóscsavaros hajtások működtetéséhez elengedhetetlen a megfelelő kenés (további információk a Golyóscsavar-meghajtók kenése – Kenőanyagok, alkalmazási területek és általános információk).

A golyóscsavaros hajtások működésével, kialakításával és precíziós osztályaival kapcsolatos részletesebb információkért tekintse meg a Golyóscsavaros hajtások – funkció/szerkezet/típusok/precíziós osztályok című cikkünket.

Mi az előfeszítés?

Az előfeszítés úgy értelmezendő, mint egy erő célirányos bevezetése egy rendszerbe vagy komponensbe, mielőtt azt külső terhelésnek tennék ki. Ez garantálja a stabilitást és a funkcionális megbízhatóságot. Előfeszítés alkalmazható pl. menetes csatlakozásokra, rugókra, ólomcsavaros csapágyakra, de golyóscsavaros hajtásokra is.

A golyóscsavarok általában rugalmasak, és axiális játékkal redelkeznek a hajtásláncban. Az axiális játék a vezetőcsavar nem használt mozgástartománya vagy holtjátéka, amelyet a csapágy golyói és a vezetőcsavar menete, valamint a menetes anyában lévő pályák közötti hézag hoz létre.

Az axiális játék miatt a golyóscsavaros hajtás a (+) és (-) pozíciók között mozdul el. Az egyik irányba történő előfeszítés esetén ez még nem vezet a pozicionálás pontatlanságához, mivel a golyók a menetszárny egyik oldalához nyomódnak. Azonban amint az axiális terhelés iránya megváltozik vagy az megfordul, az abszolút pozicionálási pontosság már nem adott.

• F_r = Radiális erőhatás
• M = hajlítási erő, pl. rosszul beállított telepítés miatt

A nemkívánatos hatás minimalizálása érdekében előfeszítést alkalmaznak. Az előfeszítés beállításakor alapvető fontosságú a mérettűrések figyelembe vétele. A csapágy- vagy menettűréseket úgy állítják be, hogy ne legyen több holtjáték, ami optimalizálja a rendszer pozicionálási pontosságát és merevségét. Általában a vezetőcsavar és a kettős anya közé vezetik be, pl. két anya segítségével, amelyek egymáshoz vannak rögzítve. Az anyák közötti rugófeszesség általában menetes gyűrűvel állítható be.

Az előfeszítés fogalmát a szabványok szintén meghatározzák. A JIS 1192 például úgy határozza meg az előfeszítést, mint a golyóscsavaros hajtásokra gyakorolt belső erő, tengelyirányban eltolt acélgolyók vagy anyapár használatával a holtjáték csökkentése és a golyóscsavaros hajtás merevségének növelése érdekében. A túlzott előfeszítés azonban a golyóscsavaros hajtás élettartamát is befolyásolhatja. Ezért az előfeszítés mértékét alaposan meg kell fontolni.

Az előfeszítés típusai

Általában az előfeszítésnek két típusa van: radiális és axiális. A radiális előfeszítés a forgástengelyre merőlegesen ható erő, pl. egy gördülőcsapágy csapágygyűrűire ható erő. Egyenletes érintkezést biztosít a gördülőcsapágy és a futógyűrű között. Az axiális előfeszítés a csapágy vagy az orsó tengelye mentén kerül alkalmazásra, és megakadályozza a hosszanti irányban történő holtjátékot. Az axiális előfeszítés a golyóscsavaros hajtásokhoz használatos.

Az előfeszítő erő fontossága

Az előfeszítés alkalmazása a következő előnyökkel jár:

• A merevség javul, ami pedig optimalizálja a terhelési kapacitást és az ismételhetőséget.
• Megnövekszik az élettartam. Vigyázni kell azonban arra, hogy az előfeszítés ne legyen túl nagy, mivel egyébként az negatív hatással járhat.
• A rezgések és zajok minimálisra csökkennek, ami például a csendes mozgást igénylő alkalmazásoknál fontos.
• A holtjáték minimális, így pontosabb mozgásvezérlés és pozicionálás érhető el. Ez többek között a CNC gépek vagy a robotika esetében fontos.

A szükséges előfeszítő erő kiszámításakor figyelembe kell venni a gyártandó alkatrészek előírt tűrési osztályait is (lásd: Tűrés osztályok az ISO 22081 és DIN ISO 2768 szabványok szerint: Általános tűréshatárok optimalizált alkalmazása).

Az előfeszítő erő kiszámítása

Az anya előfeszítő ereje mindig állandó terhelést jelent a golyóscsavaros hajtásra. Ezért fontos olyan előfeszítő erőt találni, amely ugyanakkor nem fejt ki túlzott terhelést a golyóscsavaros hajtásra, miközben továbbra is ellátja funkcióját. Ebből a célból különösen a várható üzemi terhelés vehető figyelembe. Az előfeszítő erő például kiszámítható a dinamikus teherbírás alapján. Ez azt jelzi, hogy a golyóscsavaros hajtás milyen terhelésnek képes ellenállni 1 millió fordulatos élettartam elérése érdekében.   Ezt a gyártó határozza meg. A teherbírást például az ISO 281 szabvány határozza meg. A 4 ponton érintkező golyóscsavaros anyák esetében a dinamikus teherbírás 5-8%-a javasolt az előfeszítéshez, míg az érték 8-10%-a ajánlott a 2 ponton érintkező típusok esetén. A meghatározásokra más értékek vonatkoznak az ANSI szabvány szerint.

Különböző előfeszítési módszerek

Az előfeszítés beállítására különböző módszerek léteznek, például állítható előfeszítésű golyóscsavaros anyák. Ebben a változatban egy rugó van felszerelve két anya közé, amely az anyákat az orsó futógyűrűjének bal és jobb oldalához nyomja. Az előfeszítés tovább állítható menetes gyűrűvel. Az előfeszítés hidraulikus rendszerek használatával automatikusan is elvégezhető. Ennek különböző módjai léteznek, amelyeket az alábbiakban részletesen ismertetünk:

Rugós előfeszített dupla anya

A megfelelő rugófeszesség kiválasztása döntő fontosságú az előfeszítés optimalizálásához (lásd a Előfeszített rugók és nyomórugók kiválasztása – áttekintés/használat/alkalmazási példák c. részt). A rugós dupla anya megfelelő választás kis méretű golyóscsavaros hajtásokhoz. A két anya egy házban, forgás szempontjából rögzített módon helyezkedik el, és azok egy közéjük rögzített rugóval vannak széttolva. A rugó biztosítja, hogy az előfeszítés mindig azonos maradjon, még kopás esetén vagy a gyártási tűréshatárok miatt is. Maga az előfeszítés viszonylag szintén kicsi. A rugós dupla anya hátránya, hogy általában összetettebb és nagyobb, és az igazítás elvégzése nehezebb. Az erők a továbbiakban nem minden irányban vihetők át: a rugó engedhet, ha az erők meghaladják az előfeszítő erőt.

Meghatározott túlmérettel rendelkező golyók felszerelése

A golyók meghatározott túlmérettel akkor szerelhetők fel, ha a golyóscsavaros hajtásban egyedi szabványos anyákat használnak.   Ez úgynevezett négypontos érintkezést eredményez a golyó és az anya négy pontja között. Ez a súrlódás jelentős növekedéséhez vezet.

• (1) Vezetőcsavar (keresztmetszet)
• (2) Anya (keresztmetszet)

A nagy súrlódás miatt ezt a módszert kis előfeszítéssel vagy játékkal kell alkalmazni. A hatékonyság némileg romlik, és az ilyen típusú előfeszítés esetén a gyártási tűrésekre való reagálás is nagyobb. A különösen hosszú vezetőcsavarok esetében ezért nincs értelme előfeszített egyedi anyákat telepíteni. Az előnyök: hatékonyság és kompakt kialakítás.

Egyetlen anya felszerelése menetemelkedés-eltolással

A menetemelkedés-eltolás továbbra is választható egyes anyákhoz. Ez magában foglalja egy olyan menetemelkedéssel rendelkező anya felszerelését, amely kissé eltér az orsótól. E meghatározott eltolás hatására a gördülő elemek helyzete eltolódik az orsó menetében, ami kétpontos érintkezést eredményez. Ez a módszer közepes előfeszítéshez alkalmas.

• (1) Vezetőcsavar (keresztmetszet)
• (2) Anya (keresztmetszet)

A dupla anyák távtartó elemének felszerelése

Összetettebb előfeszítési változat a távtartó elemmel ellátott dupla anyarendszer beszerelése.

• (1) Vezetőcsavar (keresztmetszet)
• (2) Anya (keresztmetszet)
• (3) Távtartó elem

A két menetes anyát távtartó elem rögzíti egymáshoz, ami kétpontos érintkezést eredményez. Ennek eredményeként a súrlódás nagyon kevéssé nő. Az axiális játék szinte teljesen megszűnik, ami hozzájárul a golyóscsavaros hajtás merevségéhez és pontosságához. Ez a módszer közepes és nagy előfeszítés esetén is használható. A távtartó elemek lehetővé teszik az előfeszítés egyszerű beállítását, ezért alkalmasak változó terhelésekhez.