回転するボールナットの予圧とは何ですか？

回転ボールナットの予圧は、ボールとねじおよびナットの軌道の間にかかる内部アキシアル荷重です。その主な目的は、外部の作動荷重がかかる前に軸方向のすきまを減らし、ボールねじペアの剛性を高めることです。

正しい予圧により、位置決め応答が改善され、方向反転時のロストモーションが軽減されます。ただし、プリロードが大きいほど必ずしも良いとは限りません。過剰な予圧は摩擦トルク、発熱、摩耗、モーター負荷を増加させ、ボールねじの寿命を縮める可能性があります。

予圧とアキシアルすきまは同じではありません

軸方向すきまは、加えられた力の方向が反転したときのねじとナットの間の相対的な軸方向の動きです。すきまタイプのボールナットには内部の遊びがわずかですが、予圧されたナットは軌道の反対側で接触を維持します。

測定可能な軸方向すきまがゼロであっても、必ずしも予圧が高いことを示すわけではありません。ボールナットは、比較的小さな内部荷重のみを負荷しながら、ほとんどのクリアランスを除去するように調整できます。したがって、単に「バックラッシがないこと」を要求するのではなく、クリアランス、予圧レベル、剛性、動トルクなどの観点から要求条件を指定する必要があります。

回転ボールナットに予圧がかかるのはなぜですか?

ロストモーションの低減

軸の方向が逆になると、ネジとナットが反対方向に力を伝達し始める前に、内部すきまを埋める必要があります。予圧によりボールと軌道面の接触が維持され、このロストモーションが軽減されます。

これは、頻繁に前進および後進を行う位置決めシステムで役立ちます。それにもかかわらず、軸全体のバックラッシュは、ナットサポートベアリング、カップリング、ベルトドライブ、取り付けジョイント、機械構造からも発生する可能性があります。ボールナットのプリロードでは、システム内の他の部分の緩みを補正することはできません。

アキシアル剛性の向上

外部からアキシアル荷重がかかると、玉と軌道はわずかに弾性変形します。適切な予圧を適用すると、対向する接触面で荷重を共有できるようになり、使用荷重が変化したときの軸方向の変位の変化が減少します。

剛性が高くなると位置決めの安定性が向上しますが、予圧が増加するとその効果は小さくなり、摩擦と疲労荷重は増加し続けます。したがって、予圧レベルは実際の剛性要件に応じて選択する必要があります。

逆転時のレスポンス向上

軸方向の隙間を取り除くと、モーターの回転と直線運動の間のより直接的な機械的応答が生まれます。これにより、制御されたモーション システムの輪郭形成と反転動作が改善されます。

予圧によってリードの精度が決まるわけではありません。移動精度は、ネジのリードのグレード、取り付け位置、熱膨張、および制御フィードバックに依存します。

一般的なボールナットの予圧方法

オーバーサイズボールプリロード

ねじとナットの軌道の間に干渉状態を作り出すボールを選択することで、単一のナットに予圧を与えることができます。これにより、コンパクトなナット構造が得られますが、利用可能な予圧と補償範囲は制限されます。

ボール直径は正確に選択する必要があります。ボールが大きすぎると、過剰なトルク、熱、局所的な接触応力が発生する可能性があり、一方、ボールが小さすぎると、不要な軸方向の隙間が残る可能性があります。

オフセットリード予圧

一部のシングルナット設計では、内部ボール回路間で制御されたリードオフセットを使用します。オフセットにより、1 つのナット本体内に相反する接触力が生成され、別個の 2 番目のナットを使用せずに予圧が生成されます。

この方法では比較的コンパクトなアセンブリが得られますが、予圧はナットの形状に組み込まれており、通常は取り付けボルトを締めるだけでは調整できません。

ダブルナット予圧

ダブルナット配置では、2 つのボール ナットを分離または調整して、反対の軸方向の力を加えるようにします。プリロードは、設計に応じて、スペーサー、シム、またはネジ付き調整構造を使用して確立できます。

ダブルナットは剛性が高く、予圧調整の柔軟性が高くなりますが、追加の軸方向スペースが必要であり、同等のシングルナットよりも質量が大きくなります。

ナットのサイズや外観だけでは、予圧レベルを特定することはできません。内部のボールのマッチング、軌道の設計、測定されたトルクも確認する必要があります。

プリロードはどのように指定されますか?

予圧は、軸力として、またはボールねじの基本動的定格荷重のパーセンテージとして表すことができます。適切な値は、メーカーの設計、ナットの構造、および用途の要件によって異なります。

最終的な選択では、以下を考慮する必要があります。

• 必要なアキシアル剛性
• 許容アキシアルすきま
• 外部アキシアル荷重
• 速度と加速度
• デューティサイクル
• 許容摩擦トルク
• 温度上昇
• 必要寿命

予荷重の割合は、対応する摩擦、内部負荷、疲労寿命への影響を確認せずに選択しないでください。

ボールナットのプリロードはどのようにチェックされますか?

組み立て後に内部予圧力を直接測定することは、必ずしも実用的であるとは限りません。メーカーは通常、軸方向すきまの測定とボール ナットの動的トルクの制御された測定を通じて状態を評価します。

ダイナミック トルク テストでは、ナットまたはネジが指定された速度で回転され、有効移動量にわたる回転トルクが記録されます。測定は、定義された潤滑、温度、設置条件の下で実行する必要があります。

測定トルクは予圧だけでは発生しません。以下も含めることができます。

• シールまたはワイパー抵抗
• 耐潤滑剤性
• ボール循環抵抗
• ねじのリードと軌道のばらつき
• 試験時の位置ずれ

このため、単純なトルクレンチの測定値を予圧力の正確な測定値として扱うべきではありません。試験方法と許容範囲は生産前に合意する必要があります。

ボールナット予圧とベアリング予圧

回転ボールナットアセンブリには 2 つの異なる予圧条件が含まれており、混同しないでください。

ボールナット予圧ボールとねじナット軌道面との間に作用します。ボールねじペア内の軸方向のすきまと剛性を制御します。

サポートベアリング予圧ベアリング内で作用し、ナットハウジングの回転を可能にします。回転サポート アセンブリの軸方向および半径方向の剛性を制御します。

どちらも測定されたトルクと軸の位置決め動作に影響を与えます。ボールナットの予圧自体が適切であっても、ベアリングの予圧が過剰になると高温が発生する可能性があります。

完全なメカニズムの説明については、を参照してください。直線運動システムにおける回転ボールナットの役割。

プリロードが高すぎるとどうなりますか?

過剰な予圧は、軸が外部作動荷重を負担する前であっても、内部ボール荷重を増加させます。考えられる影響は次のとおりです。

• 始動トルクと運転トルクの向上
• モーター負荷の増加
• より大きな発熱量
• 潤滑油の劣化
• 軌道面とボールの摩耗の加速
• 疲労寿命の短縮
• ローカルリードエラーポイントで固着する可能性

ナットが異常にきついと感じても、自動的に精度が高いとみなされるべきではありません。トルクが高い、または不規則である場合は、過剰な予圧、汚れ、潤滑不良、軌道面の損傷、または取り付け位置のずれを示している可能性があります。

プリロードが低すぎるとどうなりますか?

予圧が不十分な場合、測定可能な軸方向クリアランスが残ったり、用途が必要とする剛性よりも低い剛性が得られる可能性があります。考えられる症状としては、反転時の動きの喪失、位置決め応答の低下、交互の軸方向荷重下での動きなどが挙げられます。

振動や騒音がプリロードの低さに自動的に起因すると考えるべきではありません。アライメントのミス、ボールの損傷、潤滑不良、サポートベアリングの緩み、および不適切な駆動構造によっても、同様の症状が発生する可能性があります。

適切な予圧の選択

最適予圧とは、実使用条件下で必要なアキシアルすきまと剛性を満足する最低の予圧です。このアプローチにより、不必要な熱と内部疲労負荷が制限されます。

仕様を確認する前に、以下を提供してください。

• ネジ径とリード
• ナットの種類と取付可能スペース
• 最大および平均アキシアル荷重
• 動作速度と加速度
• 必要なアキシアルすきままたは剛性
• 位置決め精度と再現性の目標
• 動作温度とデューティサイクル
• 潤滑および環境要件

潤滑条件により、測定トルクが大きく変化する可能性があります。特殊なアプリケーションの場合、真空環境で使用される回転ボールナット、潤滑剤の選択は予圧とともに評価する必要があります。

結論

回転ボールナットの予圧は、回転ボールと対向する軌道面の間の内部荷重です。特に軸が頻繁に方向を反転する場合や、負荷の変化に一貫して応答する必要がある場合に、軸方向のすきまを減らし、軸方向の剛性を向上させるために使用されます。

プリロードは、摩擦トルク、温度、耐用年数に対してバランスをとる必要があります。これは、ナットの構造、ボールのマッチング、またはダブルナットの調整によって確立され、その後、ナットのフランジを機械に締め付けることによって作成されるものではなく、制御された測定条件下で検証される必要があります。

DLYを見るボールナット製品利用可能なナットの構造と寸法については、こちらをご覧ください。

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