ボールねじはラジアル荷重に耐えられるのか？設計上の限界を解説

ボールねじは主にラジアル荷重ではなく、アキシアル荷重を受けるように設計されています。通常、すべてのボールねじに適用できる普遍的な最大ラジアル荷重定格はありません。移動テーブルの重量、横力、および転倒モーメントは、リニア ガイド、リニア ベアリング、または別の専用ガイド機構によってサポートされる必要があります。

シャフトの重量、取り付け誤差、動作たわみなどにより、意図しない小さなラジアル力が発生する場合がありますが、通常の使用荷重として扱うべきではありません。可動コンポーネントをガイドするためにボール ナットが意図的に使用されている場合、側面荷重によりボールの接触が不均一になり、回転トルクが増大し、熱が発生し、軌道面が早期に摩耗する可能性があります。

ボールねじのアキシアル荷重とラジアル荷重

違いは力の作用する方向によって決まります。

基本動定格荷重や基本静定格荷重などのボールねじのカタログ値は、一般にボールねじアセンブリのアキシアル荷重を表します。これらを許容ラジアル荷重値として再解釈しないでください。

単一の最大ラジアル荷重値がないのはなぜですか?

結果として生じる応力は完全な機械的配置に依存するため、「100 N 最大ラジアル荷重」などの数値をすべてのボールねじに適用できるわけではありません。

重要な変数には次のものがあります。

• ねじ軸の直径と非支持長さ。
• 横力がかかる位置。
• 固定-支持、固定-固定、またはその他の軸受配置。
• ネジサポート間の距離。
• ボールナットの長さと内部構造。
• シャフトの真直度とジャーナル端の振れ。
• 取り付け位置の調整とナットブラケットの剛性。
• スクリューの速度、加速度、振動。
• 必要な精度と寿命。

同じラジアル方向の力でも、短くて大径のネジと長くて小径のネジでは、シャフトのたわみとボールナットの接触状態が大きく異なる場合があります。そのため、ラジアル荷重は、汎用のボールナット定格から選択するのではなく、異常な横力またはシャフトのたわみの問題として分析する必要があります。

不要なラジアル荷重はどこから発生するのでしょうか?

移動テーブルが適切にガイドされていない

適切なリニアガイドを使用せずに移動テーブルをボールナットに接続すると、移動テーブルの重量や外力がナットに直接作用する可能性があります。ボールねじは、軸の駆動と移動質量のガイドという 2 つの異なる仕事を実行することになります。

この配置は、小さくて負荷が軽い機構で機能するように見えるかもしれませんが、適切にガイドされた軸と同じ剛性、寿命、または位置の安定性を提供しません。

スクリューガイドとリニアガイドが平行ではない

ねじの軸がガイドウェイの移動と平行でない場合、キャリッジの移動に伴ってナット ブラケットがボール ナットを横方向に引っ張ります。サイドフォースはストロークに沿って変化する可能性があり、ある位置ではタイトなポイントが生成され、別の位置ではスムーズな動きが生成されます。

典型的な兆候には次のようなものがあります。

• ストロークに応じて変化するランニングトルク。
• ボールナット付近の局所加熱。
• 再現性のある位置での騒音または振動。
• カップリングの動きまたはモーター負荷の変動。
• 不均一なシールまたは軌道の摩耗。
• すべての取り付けボルトを締めてからバインディングします。

ナット ブラケットがナットを所定の位置に強制的に固定します

ナット ブラケットの中心高さが不適切であったり、直角度が不十分であったり、剛性が不十分であったりすると、横荷重が発生する可能性があります。取り付けボルトを締めることは、位置がずれているナットを必要な位置に引き込むために使用しないでください。

実際の取り付けチェックは、最初の位置合わせ時にナットとブラケットの接続をわずかに緩めたままにすることです。ナットフランジに接触したときにブラケットが目に見えて移動する場合は、最終的に締める前に取り付け形状を修正する必要があります。

ねじ軸が曲がっている、または支持が不十分である

長いネジや細いネジは、自重によってたわむ可能性があります。追加の横力、不十分な輸送サポート、または曲がったシャフトにより、回転中の半径方向の動きが増加する可能性があります。

この条件は、ボールナットのアキシアル定格荷重とは別に確認する必要があります。ナット定格荷重を増やしても、シャフトの過度のたわみは修正されません。

ボールねじが大きいほどラジアル荷重に耐えられますか?

通常、ネジの直径が大きいほど、同じ長さと支持条件下でより大きな曲げ剛性が得られます。ただし、これは、連続的なラジアル使用荷重に耐えられるようにボール ナットを選択する必要があるという意味ではありません。

直径が大きいほど、以下の制御に役立つ可能性があります。

• 自重によるシャフトのたわみ。
• 圧縮軸方向荷重による座屈。
• クリティカル速度の制限。
• ねじり変形;
• 長いネジアセンブリでの振動。

正しい設計では、アキシャル駆動にはボールねじが使用され、ラジアル荷重とモーメント荷重にはガイド システムが使用されます。直径は、想定されるラジアル荷重定格からではなく、アキシアル荷重、ネジの長さ、速度、座屈、臨界速度、および剛性の要件から選択する必要があります。

プリロードはラジアル荷重容量を増加させますか?

いいえ。ボールねじの予圧は、軸方向のすきまを減らし、軸方向の剛性を高めます。ボールナットをラジアルベアリングやガイドブロックに変換するものではありません。

横方向の荷重が存在するときに予荷重を増やすと、外部からのミスアライメント力が加わる前にボールにはすでに内部荷重がかかっているため、問題が悪化する可能性があります。考えられる結果には、トルクの増加、発熱の増加、疲労寿命の短縮などが含まれます。

ボールねじがきつく回転する場合は、予圧を自動的に増加させないでください。まず、ネジの位置、ナットとブラケットの位置、サポートベアリング、潤滑、シャフトの真直度を確認してください。

機械はラジアル荷重をどのように受けるべきですか?

リニアガイドシステムは、移動テーブルの質量、加工力、加速度、転倒モーメントなどに応じたサイズのものを使用してください。一般的な CNC または自動化軸では、次のようになります。

• ボールねじは軸方向の駆動力を発生します。
• ボール ナットはその力を移動するキャリッジに伝達します。
• リニア ガイド ブロックはキャリッジの重量と横からの力を支えます。
• レールの配置は、ロール、ピッチ、ヨーのモーメントに耐えます。
• スクリューサポートベアリングは回転シャフトの位置を決め、ベアリングの配置に必要な荷重を支えます。

次に、ボールナットが横に引っ張られることなく全ストロークにわたって移動できるように、ねじ軸とガイドウェイの移動量を調整する必要があります。

システムレベルの設計については、以下を参照してください。ボールねじとリニアガイドの連携。インストールのチェックについては、次を参照してください。設置時のボールねじの位置合わせ方法。

既存の側面荷重を評価する方法

既存の機械がボールねじにラジアル方向の力を加える場合は、システムが許容できるかどうかを判断する前に、次の情報を記録してください。

1. 横力の大きさと方向を特定します。
2. サポートベアリングとボールナットに対して力が作用する場所を測定します。
3. ネジ径、リード、全長、非支持長を確認してください。
4. 固定サポートとフローティングサポートの配置を確認してください。
5. リニアガイドの配置とキャリッジの剛性を点検してください。
6. ネジの振れと取付平行度を測定します。
7. ストロークに沿ってランニングトルクが変化するか確認してください。
8. 必要に応じて、シャフトのたわみとベアリングの反力を計算します。

機械が大きな移動荷重をガイドするためにボールねじ自体に依存している場合、より信頼性の高い修正は、通常、想定されるラジアル荷重定格がより大きいボールねじを探すよりも、ガイド機構を追加または再設計することです。

最終的な答え

すべてのボールねじが許容できる普遍的な最大ラジアル荷重はありません。ボールねじとボールナットは主にアキシアル荷重に対して定格されます。継続的なラジアル荷重は一般に、可動構造が適切にガイドされていないこと、またはネジ、ナット ブラケット、およびリニア ガイドの位置がずれていることを示しています。

ネジの直径を大きくすると、シャフトの曲がりが軽減される可能性がありますが、ラジアル荷重が通常のボール ナットの動作条件になるわけではありません。移動質量、横方向の力、および転倒モーメントは、適切に選択されたリニアガイドによってサポートされ、ボールねじが軸方向の駆動を提供する必要があります。

カタログ負荷値の意味については、以下を参照してください。ボールねじの静定格荷重とは何ですか?。

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