高速かつ長ストロークの軸におけるボールねじの臨界速度を回避する方法

ボールねじの臨界速度に達しないようにするには、まず目標線速度に必要な回転速度を計算します。次に、それをねじシャフトの臨界速度、ボールナットの DN ベースの許容速度、サポートベアリング、カップリング、モーターの限界と比較します。

許容動作速度は、これらの制限値の最低値によって決まります。回転する長いスクリューの場合、シャフトの臨界速度は、支持されていないスクリューの長さが増加するにつれて急速に減少するため、多くの場合、制御因子となります。

ボールねじの限界速度とは何ですか?

臨界速度は、回転するねじシャフトがその自然な曲げ周波数の 1 つに近づく回転速度です。この速度またはそれに近い速度では、シャフトが共振し、一般にスクリューホイップと呼ばれる激しい横方向の振動が発生する可能性があります。

考えられる影響は次のとおりです。

• 振動と騒音が急速に増加。
• 不安定な位置決めと表面仕上げの誤差。
• ボールナットとサポートベアリングに追加の負荷がかかります。
• カップリング、シール、またはベアリングの損傷。
• 深刻な場合には永久的な曲がりや機械的故障が発生します。

臨界速度は、すべてのボールねじに対して 1 つの固定回転数ではありません。ねじの谷径、非支持長、端部支持状態、真直度、取り付け位置、回転質量により変化します。

サポートされていないネジの長さとエンドサポートの剛性は、回転するボールネジの臨界速度に大きな影響を与えます。

限界速度だけが速度制限ではない

スクリューはシャフトの臨界速度を下回ったままであるにもかかわらず、ボール循環システムの許容速度を超えている可能性があります。したがって、完全な選択では、いくつかの制限を比較する必要があります。

ステップ 1: 線速度をスクリュー回転速度に変換する

必要なねじ速度は、目標線速度とボールねじリードから計算されます。

たとえば、20 m/min の線速度を必要とする軸には次のものが必要です。

この例は、リードを大きくすると高速軸の回転制限を下回ることができる理由を示しています。 20 mm のリードが自動的に適切であることを証明するものではありません。トルク、負荷容量、位置決め分解能、ナットの循環速度、加速度を確認する必要があります。

ステップ 2: サポートされていないネジの長さを確認する

臨界速度は、有効ベアリング支持点間の支持されていない長さに非常に敏感です。関係はおよそ次のとおりです。

長さの項は二乗されるため、サポートされていない長さが増加すると、臨界速度が予想よりも大幅に低下する可能性があります。指令された機械ストロークやねじの全長の切断長だけではなく、有効なベアリング支持点間の距離を使用してください。

以下も含めてください:

• ナット間のネジ部分は移動し、ベアリングをサポートします。
• ベアリングの位置に影響を与える機械加工されたシャフト端の長さ。
• ベアリングを超えたオーバーハング部分。
• 固定サポートとフローティング サポートの実際の位置と剛性。

ステップ 3: 正しいルート直径を使用する

臨界速度の計算では通常、モデル番号に記載されている公称外径ではなく、ねじの谷底または内径を使用します。たとえば、公称 25 mm のボールねじは、ボール溝を形成すると谷の直径が小さくなります。

実際の計算直径の代わりに公称直径を使用すると、シャフトの剛性と危険速度が過大評価されます。谷径はメーカーの技術資料または確認されたねじの図面から求めてください。

スクリューの直径を大きくすると、一般に曲げ剛性と臨界速度が増加しますが、回転慣性、モーターの需要、サポートユニットのサイズとコストも増加します。したがって、直径の選択は、加速度およびモータ容量と合わせて確認する必要があります。

ステップ 4: サポート終了の取り決めを確認する

臨界速度は、ねじ軸の両端での拘束方法によって決まります。通常、より剛性の高い支持構造は、一方の端が不十分に支持されている、または自由端を備えたネジよりも高い臨界速度を提供します。

サポートラベルだけでは十分ではありません。ベアリングのはめ合いが緩い、ロックナットの締め付けが間違っている、柔軟なハウジング、または取り付け面が不十分であると、設置の動作が理論上のサポート配置よりも低くなる可能性があります。

DLYの消耗品BK/BF、FK/FF、EK/EF ボールねじサポートユニットねじ径や軸端加工、設置レイアウトに合わせて最適な組み合わせが可能です。

臨界速度の計算では、実際のベアリング支持点間の有効距離を使用する必要があります。

ステップ 5: 正しい安全マージンを適用する

意図的に理論上の共振速度で動作させないでください。使用許容値にはボールねじメーカーまたは計算方法が定める安全率を含めてください。

一部のカタログ計算方法では、理論上の臨界速度に 0.8 などの安全率がすでに乗算されています。追加の係数を適用する前に定義を確認してください。そうしないと、安全マージンが誤って 2 回カウントされる可能性があります。

最終的な速度設定では、次のことも考慮する必要があります。

• 製造および設置の公差。
• ネジの真直度とバランス。
• カップリングとベアリングの状態。
• 加速、減速、および一時的な過速度。
• 長期稼働による機械構造の変化。

安全な線速度を上げるための実際的な方法

従来の回転ネジ用途には、DLY の高速ボールねじオプション必要な径、リード、速度、ストローク、ナット構造に合わせて検討できます。実際に設置する場合も製品の許容回転数を確認する必要があります。

回転シャフトの臨界速度が主な制限となる非常に長い軸の場合、回転ナットボールねじセットナットが回転する間、長いねじ軸は静止したままであるため、考慮される可能性があります。

臨界速度の振動に似た設置の問題

高速でのすべての振動が、計算された臨界速度に達したことを意味するわけではありません。同様の症状は次の場合に発生する可能性があります。

• モーター、カップリング、ネジ、サポートユニット間の位置ずれ。
• ねじ軸の曲がり、または過度の真直度誤差。
• ベアリングハウジングまたは取り付けボルトが緩んでいる。
• ベアリングのプリロードまたはロックナットの締め付けが間違っている。
• アンバランスなカップリングまたは回転コンポーネント。
• ボール循環コンポーネントの損傷。
• マシンの他の場所にあるサーボ調整または構造共振の問題。

反復可能な 1 rpm で振動が発生する場合は、速度を下げ、操作を続行する前にアセンブリ全体を確認してください。ノイズを確認するためだけに、厳しい共振範囲を繰り返し通過させないでください。

速度チェックに必要な情報

ボールねじの臨界速度と高速動作を評価するには、以下を準備します。

• ボールねじの型式と呼び径;
• 実際の谷の直径または完全なネジの図面。
• リードとスレッド開始数。
• ネジの全長とサポートされていない長さ。
• 有効ストロークと必要な線速度。
• 固定側と浮動側のサポート配置。
• モーターの最大速度と加速プロファイル。
• 使用荷重と取付方向。
• ボールナットの種類とメーカーのDN制限。

実際の選定ではネジ全長だけでは不十分です。 DLYでは通常、提案されたボールねじの形状が適切かどうかを確認するために、有効ストローク、支持位置、端部加工図、リード、目標速度が必要となります。

結論

ボールねじの臨界速度を回避するには、目標線速度に必要な実際の rpm を計算することから始まります。その場合、その rpm は、シャフトの臨界速度、DN 制限、サポート ベアリング、カップリング、モーターによって決定される許容値未満に維持する必要があります。

長い軸や高速軸の場合、最も効果的な変更は通常、ネジの直径を大きくする、サポートされていない長さを減らす、エンドサポートを改善する、リードを増やす、または回転ナット構造でネジを静止状態に保つことです。最終設計では、耐荷重、剛性、精度、加速度、熱膨張についてもチェックする必要があります。

← DLYブログに戻る