ボールねじベアリングの剛性を測定する方法は？

ボールねじの剛性は、位置決め精度、加工の安定性、およびアキシアル荷重下での直線運動システムの応答に影響します。ただし、組立軸での測定値はボールナットだけで決まるわけではありません。ねじシャフト、サポートベアリング、ベアリングハウジング、ナットブラケット、および試験治具はすべて、測定された変位に寄与する可能性があります。

このため、ボールねじの軸方向の剛性を測定するには、力を加えて単一の変位値を記録するだけでは不十分です。試験装置の荷重方向、予圧、取り付け状態、温度、変形なども管理する必要があります。

ボールねじのアキシアル剛性とは何ですか?

軸方向の剛性は、軸方向の荷重がかかったときの弾性変位に対するボールねじアセンブリの抵抗を表します。指定された荷重範囲内では、次のように表すことができます。

ボールねじの剛性は一般的に N/μm または N/mm で表されます。値が大きいほど、同じアキシアル荷重下で発生する弾性変位が少なくなります。

ボールと溝の接触における荷重と変位の関係は完全に線形ではありません。したがって、剛性は通常、1 つの普遍的な値としてではなく、定義された荷重範囲に対して報告される必要があります。テストの目的に応じて、エンジニアは次のいずれかを使用できます。

• セカント剛性:指定された間隔にわたる荷重変化を総変位変化で割った値。
• 接線剛性:特定の動作荷重における荷重 - 変位曲線の局所的な傾き。

測定された剛性に影響を与えるコンポーネント

完全なボールねじ軸をテストすると、測定結果はいくつかのコンポーネントの結合剛性を表します。

• ボールねじナットとボールと軌道面の接触部
• ねじ軸の軸方向の伸縮
• 固定側と支持側の軸受配置
• ナットハウジングと取り付けブラケット
• 軸受箱と機械の構造
• テスト治具、ロードセル、センサーの取り付け配置

これらの要素は、直列に接続されたバネのようにほぼ動作します。組み合わせた軸方向の剛性は次のように表すことができます。

これは、組み立てられた軸の剛性が、ボール ナット単体でリストされている理論上の剛性値よりも大幅に低い可能性がある理由を説明しています。

静荷重試験

静的アキシアル荷重は、ボールねじの剛性を測定する最も直接的な方法です。ボールねじは試験治具または実際の機械配置に取り付けられ、制御された軸力が加えられ、結果として生じる変位が記録されます。

必要な機器

• 剛性の高いテストフレーム
• 油圧式、空気圧式、ネジ駆動式、または電気機械式の負荷装置
• 校正済みロードセル
• LVDT、レーザー変位センサー、または高解像度ダイヤルインジケーター
• 熱の影響が結果に影響を及ぼす可能性がある場合の温度センサー

推奨されるテスト手順

1. ボールねじを意図したサポート配置に取り付けます。固定 - 固定、固定 - サポート、または固定 - 自由取り付けのいずれを使用しているかを記録します。
2. 荷重軸を調整します。曲げが変位の読み取り値に含まれないように、加えられる力はねじの軸と同心である必要があります。
3. 変位センサは測定界面の近くに設置してください。不要な治具コンポーネント全体を測定すると、その変形が結果に追加されます。
4. 着座荷重は小さくしてください。これにより、コンタクトが安定し、不完全な装着や取り付けクリアランスによって引き起こされるエラーが軽減されます。
5. 制御された増分でアセンブリをロードします。指定された操作荷重または許容アキシアル荷重を超えない範囲で、各ステップの力と変位を記録します。
6. アセンブリを同じ増分でアンロードします。荷重曲線と除荷重曲線を比較すると、治具のバックラッシュ、ヒステリシス、摩擦、または動きを明らかにすることができます。
7. 反対の軸方向でテストを繰り返します。予圧と軸方向すきまを評価するには、双方向の結果が重要です。
8. 関連する荷重範囲にわたる剛性を計算します。選択した範囲は、機械の実際の作業負荷に対応する必要があります。

荷重 - 変位曲線の解釈方法

予圧されたボールねじは、通常、荷重反転点付近での変位が比較的小さい、滑らかな荷重変位曲線を生成します。ゼロ荷重付近の目に見えるデッドゾーンは、軸方向の隙間、取り付け部品の緩み、またはナットとブラケット間の動きを示している可能性があります。

荷重曲線と除荷曲線が同じ経路をたどらない場合、その差がヒステリシスとなります。考えられる原因としては、シールの摩擦、潤滑剤の抵抗、わずかな位置ずれ、接点のヘタリ、取付構造内の変形などが考えられます。

剛性は荷重に応じて変化するため、試験レポートには可能な限り完全な荷重 - 変位曲線を含める必要があります。少なくとも、次のことを記載する必要があります。

測定された剛性と単位

計算に使用する荷重範囲

積載方向

ボールねじの型式と予圧条件

ネジの長さとナットの位置

サポートベアリングの配置

試験温度と潤滑条件

ボールねじの剛性と治具の変形の分離

一般的な測定エラーは、テスト フレームの全体的な動きをボールねじの変形として扱うことです。堅そうに見える治具でも、大きな軸方向荷重がかかるとたわむ可能性があります。

治具のコンプライアンスは、キャリブレーションを通じて、またははるかに高い剛性を持つ基準コンポーネントをテストすることによって決定できます。次に、各荷重における治具の変位を、測定された合計変位から差し引くことができます。

組み立てられた機械軸の場合、変位が発生する場所を特定するためにセンサーをさまざまなインターフェースに配置することもできます。たとえば、ねじシャフトとナット ハウジングの間の測定では、ナット アセンブリにさらに焦点を当てますが、機械ベースに対するテーブルの動きの測定には、送り構造全体が含まれます。

動的剛性試験

静的試験では、ゆっくりと加えられた荷重の下での変形を評価します。動的テストは、振動、共振、サーボ応答が重要な場合に使用されます。アセンブリは、力、加速度、または変位の測定中に、インパクトハンマー、シェーカー、または制御されたモーター入力を使用して励起することができます。

モード解析により、固有振動数、減衰、モード形状を特定できます。ただし、有効移動質量と境界条件もわかっていない限り、固有振動数だけではボールねじの剛性は得られません。単純化された単一自由度システムの場合:

ここ、メートルは有効質量であり、f_nは固有振動数です。実際のボールねじ送りシステムには通常、いくつかの振動モードがあるため、動的結果は適切なシステム モデルを使用して解釈する必要があります。

分析的推定

ボールねじの剛性は、物理的試験の前に推定することもできます。計算には、ボールと軌道面の間のヘルツ接触変形、ねじ軸の軸方向変形、サポート ベアリングの剛性、取り付け構造の変形が含まれます。

有限要素解析は、複雑なハウジングやブラケットの評価に役立ちますが、その精度は現実的な接触条件、材料特性、予荷重、および境界条件に依存します。したがって、位置決め精度が重要な場合は、分析値をテストデータに対して検証する必要があります。

テスト中に制御する必要がある要素

予圧とアキシアルすきま

予圧は、ボールと軌道面の間の接触を維持することにより、軸方向すきまを減少させ、ナットの剛性を高めます。ただし、過剰な予圧は摩擦、発熱、内部負荷の増大を招き、寿命を低下させる原因となります。テスト中に使用される予荷重条件は、意図された動作条件と一致する必要があります。

ネジの長さとナットの位置

ねじ軸はアキシアル荷重を受けると伸びたり縮んだりします。総変位に対するその寄与は、シャフトの有効長さとともに増加し、谷底の直径が増加するにつれて減少します。したがって、ネジの一端付近のナットで測定した剛性は、別の位置で測定した剛性と異なる場合があります。

サポートベアリング

サポートベアリングの種類、配置、予圧はシステムの剛性に直接影響します。一般に、固定 - 固定配置は、固定 - 支持または固定 - 自由取り付けとは異なる動作をします。ベアリングハウジングの剛性とシャフトエンドのフィット感も考慮する必要があります。

DLY はマッチングを提供しますボールねじサポートユニットさまざまなシャフトエンドおよび取り付け配置に対応します。

温度

温度の変化により、プリロード、ネジの長さ、ベアリングのフィット感が変化する可能性があります。テストの前に、アセンブリと測定機器が安定した温度に達するようにしてください。異なる時間に取得した測定値を比較する場合は、温度も記録する必要があります。

潤滑

潤滑は、鋼製コンポーネントの基本的な弾性剛性よりも、摩擦、温度、ヒステリシスに大きな直接的な影響を与えます。再現性のある結果を得るには、指定された潤滑剤を使用し、潤滑剤の種類、量、配分をテスト間で一貫させてください。

結論

ボールねじの軸方向の剛性を測定する最も実用的な方法は、制御された軸方向の荷重を加え、対応する両方向の変位を記録することです。正確な結果を得るには、注意深い位置合わせ、校正された荷重センサーと変位センサー、明確に定義された荷重範囲、および治具の変形の補償が必要です。

完全な送り軸を測定すると、結果はボールナット、ねじシャフト、サポートベアリング、ブラケット、機械構造の組み合わせた剛性を表します。測定された剛性が予想よりも低い場合は、これらのコンポーネントを個別に評価する必要があります。

ボールねじの選択、予圧オプション、またはシャフト端の加工要件については、DLY を参照してください。ボールねじ範囲または、ねじ径、リード、ストローク、荷重、取り付け配置をお送りください。

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