高負荷ボールねじとローラーねじ: 重負荷用途に適したソリューションの選択

あなたの本能がローラーねじである場合、その本能が機械設計に必要以上のコストをかけてしまう可能性があります。過去 10 年間にわたる高負荷ボールねじ技術の進歩により、計算法は大きく変わりました -。現在、高負荷ボールねじは、多くの重負荷用途において、同等のローラーねじの半分以下のコストで同等の性能を実現しています。

この記事では、接触メカニズムレベルで 2 つのテクノロジーがどのように異なるのか、それぞれのパフォーマンスが優れている点、実際のコストとサイズのトレードオフはどのようなものなのか、特定の負荷、ストローク、デューティサイクルに合わせて選択を決定する方法について説明します。{0}}

ボールねじとローラーねじの基本的な違いは、転動体の形状とねじ山の形状との接触です。

従来のボールねじでは、鋼球がシャフトの螺旋溝とナットの間を転がります。各ボールは単一点 (または負荷がかかると非常に小さな接触楕円) で溝に接触します。負荷は回路内のすべてのボールに分散されますが、個々の接触点が総力のかなりの部分を支えます。

点接触では、接触ゾーンに高い局所応力が発生します。疲労損傷はこれらの高応力点で発生するため、重荷重下ではこの応力によって耐用年数が制限されます。-。したがって、標準ボールねじの負荷容量は、必要なサイクル数にわたってボールと軌道の材料が耐えることができる最大接触応力によって制限されます。

ローラーねじでは、一組のねじ付きローラーが転動体としてのボールの代わりになります。各ローラーは点ではなく線に沿ってねじ山に接触します-。これは根本的に異なる接触形状です。線接触により、荷重がより広い表面積に分散されるため、同じ力が加えられた場合のピーク接触応力が軽減されます。

その結果、ボールねじと同じ公称直径のローラねじは、疲労損傷が蓄積する前に、大幅に高い負荷に耐えることができ、より多くの動作サイクルに耐えることができます。ローラーねじも、動作速度の全範囲にわたってこの利点を維持します。

高負荷ボールねじは 3 番目のカテゴリに分類されます。この設計では、接触形状を点から線に変更するのではなく、ねじ山の形状を変更し、ボールの直径を大きくすることで接触点の数とサイズを増やしています。高接触角向けに最適化されたゴシックアーチプロファイルを含む特殊なねじ山形状 - - により、ボールあたりの接触面積が増加し、ナット長さの単位あたりの定格荷重が増加し、ボール回路全体に荷重がより均等に分散されます。

その結果、同じ直径の従来のボールねじよりも 4 ～ 8 倍高い動定格荷重を備えたボールねじが、製造上の複雑なローラねじねじ山形状を使用せずに実現されます。

高負荷ボールねじの性能向上は、コストの直接的な比較から得られます。

同等の動定格荷重と同等の動作条件では、高負荷ボールねじのコストは通常、ローラーねじより 40 ～ 60% 低くなります。コストの違いは製造の複雑さに起因します。ローラーねじ山の形状には、ねじとローラーねじ山の両方のプロファイルの精密機械加工、精密なローラー予圧アセンブリ、および全体のより厳しい公差が必要です。ボールねじ - は、高負荷タイプ - であっても、数十年にわたる工業生産を通じて洗練された、より単純な製造プロセスを使用しています。

高負荷ボールねじは以下で入手可能です。

パラメータ	代表的な範囲
軸径	160mmまで
ネジの長さ	最大15メートル
構成	シングルナットまたはダブルナット
動定格荷重（Ca）	最大1,440kN
精密級	アプリケーションに応じて C3 ～ C7

これらの仕様は、歴史的にローラーねじが指定されてきた重工作機械、射出成形、金属成形用途の大部分をカバーしています。

どちらのテクノロジーも普遍的に優れているわけではありません。正しい選択は、負荷の大きさ、デューティサイクル、ストローク長という 3 つの主要なアプリケーションパラメータによって決まります。

中程度のデューティサイクルでの重負荷。軸に高いアキシアル荷重がかかるが、連続運転しない場合-射出クランプユニット、プレス軸、矯正機-の場合、高荷重ボールねじは、大幅に低コストで必要な荷重容量を実現します。デューティサイクルにより、負荷サイクルの間にボール回路が熱的に回復する時間が与えられます。

高負荷時のロングストローク。高負荷ボールねじは、最大 15 メートルのシャフト長で製造されます。同等の長さと定格荷重のローラーネジは非常に高価であり、入手も困難です。ストロークの長い-重軸-の大型工作機械テーブル、トランスファーライン-の場合、多くの場合、高負荷ボールねじが唯一の実用的なボールタイプのソリューションです-。

同等のパフォーマンスが許容されるコスト重視のアプリケーション。-高負荷ボールねじの定格荷重がアプリケーション要件と一致するかそれを超えている場合、ローラーねじの追加コストを機械的に正当化することはできません。このプレミアムにより、高負荷のボールねじがすでに拘束されている条件下でのみ重要となる接触形状の利点が得られます。

既存のボールねじ用途の耐用年数が延長されます。標準のボールねじが高負荷で早期に故障した場合、同じ直径の高負荷ボールねじに交換すると、機械の構造やサポートユニットの構成を変更することなく、定格荷重を 2 倍にし、耐用年数を最大 8 倍に延ばすことができます。

コンパクトなエンベロープに極度の負荷を収容します。負荷要件が、高負荷ボールねじが利用可能なシャフト直径で提供できる値を超える場合-、最大の高負荷ボールねじサイズでは通常 1,500 ～ 2,000 kN 以上です -。ローラーねじは直径単位あたりの負荷密度が高くなります。設置スペースの関係で、より大きな直径のボールねじを使用できない場合は、より小さな直径のローラねじが唯一の解決策となる場合があります。

高負荷時の非常に高いデューティサイクル。高負荷で連続運転すると、ボール軌道接触部で熱が発生します。{0}ボールねじは、高負荷設計であっても、接触点の形状によって設定される熱制限があります。ローラーねじは接触面積が大きく、単位荷重あたりの接触応力が低いため、伝達される力の単位あたりの発熱が少なく、ナットを過熱することなくより高いデューティサイクルを維持できます。

ハイサイクルの工業生産における長期的な所有コスト。-{1}}高負荷 - の自動車プレスラインで 1 日に複数のシフトを実行する用途では、連続金属成形 - ローラースクリューの疲労寿命が長いため、高い初期コストを相殺できます。このトレードオフには、一般的なルールではなく、アプリケーションに固有のライフサイクルコストの計算が必要です。-

アプリケーションパラメータ	高負荷ボールねじを優先する	優先ローラーネジ
アキシアル荷重	最大 ~1,440 kN	1,500 kN 以上または極度の荷重密度
デューティサイクル	中～高 (断続的)	継続的、非常に高い
ストローク長さ	ロングストロークを含む任意	ショートからミディアムまで
初期費用優先	はい	それほど重要ではない
設置スペース	フレキシブル	厳しく制限されている
既設ボールネジからの置き換え	自然なアップグレードパス	互換性が低い

耐用年数の利点を理解するには、L10 寿命の計算式を確認する必要があります。ボールねじナットの定格寿命は、等価動荷重に対する動定格荷重の比の 3 乗に比例します。

L10=(Ca / Pm)³ × 定数

ここで、Ca は定格動的荷重、Pm は等価平均荷重です。

この三次関係は、高負荷ボールねじが標準ボールねじ - と比較してねじの Ca を 2 倍にすることにより、寿命が 2 倍になります - を意味します。同じ使用条件下では、標準ボールねじの 2 倍の Ca を持つ高負荷ボールねじは 8 倍長持ちします。

実際の例:重いマシニングセンターで高負荷で動作する標準的なボールねじの場合、L10 の寿命は 3 ～ 4 か月と計算されます。これを、同じ呼び径で 2 倍の Ca を含む高負荷ボールねじに置き換えると、機械構造に変更を加えることなく、推定寿命が 24 ～ 32 か月に延長されます -。ほぼ 1 桁改善されます。

これは、負荷が高いが高負荷ボールねじの定格容量を超えない用途における高負荷ボールねじの重要な工学的議論です。ローラーねじに追加料金を支払うのではなく、高負荷ボールねじを指定し、追加の負荷容量を耐用年数として使用します。

高負荷ボールねじは、それに応じてねじシャフトの固定端のサポートベアリングに高い軸方向の力を加えます。従来のボールねじ用に設計された標準の BK/BF サポートユニットは、高負荷のボールねじ用途には適していません。サポートユニットは、ネジの定格荷重に適合するサイズにする必要があります。

固定端サポートユニットのベアリングのタイプは、アキシアル荷重の大きさによって決まります。{0}}

アンギュラ玉軸受（接触角60度）：スムーズな回転と最小限の摩擦が優先される高負荷用途に使用されます。 60 度の接触角により、軸受サイズに比べて高い軸方向剛性と負荷容量が得られます。高荷重ボールねじサポートユニットにはP4グレードベアリングを標準採用し、振れを最小限に抑え、位置決め精度を維持します。

円すいころ軸受:非常に高いアキシアル荷重と高いラジアル荷重の組み合わせが、アンギュラ玉軸受の許容範囲を超える場合に指定されます。テーパーローラーベアリングはより高い総合荷重容量を提供しますが、より正確な予圧設定が必要であり、高速でより多くの摩擦が発生します。

深溝玉軸受:ねじシャフトのフローティング (支持) 端で使用されます。この場合、半径方向の拘束のみが必要であり、ベアリングは内部応力を発生させることなくシャフトの軸方向の熱膨張を許容する必要があります。

高負荷ボールねじ固定端サポートユニットでは、次の 3 つのベアリング配置が使用されています。{0}

DF (対面):-対面-):2 つのアンギュラコンタクトベアリングが反対方向に取り付けられています。両方向のアキシアル荷重を等しい容量で負荷します。負荷反転が発生する一般的な高負荷アプリケーション向けの標準的な選択肢です。

DFD (タンデム + フェイス):片側に 1 つのベアリング、もう一方の側に 2 つのベアリング。主要なアキシアル荷重方向 - の用途向けの非対称配置。2 つのベアリングがある側には、DF 構成よりも大幅に大きなアキシアル荷重がかかります。作業ストロークの負荷が戻りストロークよりはるかに大きいプレス軸やクランプ軸に使用されます。

DFF (タンデム + タンデム):各方向に 2 つのベアリング。両方向の最大アキシアル荷重容量。 DF 配置が不十分な最高負荷用途に仕様。

高荷重サポートユニットの固定端ベアリングは、内部クリアランスを排除し、軸方向の剛性を向上させるために工場でプリロードされています。{0}{1}予荷重の大きさは、サポートユニット - の始動トルクを決定します。これは、駆動システムのトルクバジェットで考慮する必要があるベアリング構成の固有の特性です。

ベアリングには、最初の取り付け時にグリースが塗布されています。{0}要求の厳しいデューティサイクルを伴う高負荷アプリケーションの場合、オプションのグリースポートを使用すると、サポートユニットを分解せずに定期的に再潤滑することができます。

大型マシニングセンター、床型ボーリング盤、重切削フライス盤では、50～500 kN の範囲の切削力がかかる軸にボールねじドライブが使用されています。{0}このような負荷レベルでは、潤滑やメンテナンス方法に関係なく、標準的なボールねじは早期に故障します。

高負荷ボールねじは、標準寿命計算で現実的なメンテナンス間隔が得られるレベルまで Ca を増やすことでこの問題に対処します。数か月ごとにボールねじを交換するのではなく、計画されたオーバーホールまでの間、機械を何年も稼働させることができます。

電動射出成形機は、金型を閉じてロックするために短いストロークにわたって高い軸力を必要とします -。通常、最終クランプ移動量 10 ～ 50 mm で 200 ～ 600 kN です。クランプユニットの全ストロークは、低い力ではるかに長い距離をカバーし、高い力は最後の部分でのみ発生します。

高負荷ボールねじは、ストロークの高力部分が短く、負荷が連続的ではなく断続的であるため、このデューティサイクルによく適合します。この用途では、ローラーねじは高負荷ボールねじに比べて耐用年数の利点がありません。これは、接触条件がボールねじにとって有利であるためです - デューティサイクルによりショット間の熱回復が可能となるためです。

矯正機、管曲げ装置、金属成形プレスでは、制御された変位に対して高い軸力が必要です。これらの用途は、多くの場合、油圧シリンダの直接の代替品であり、電動ボールねじドライブは、油圧システムよりも優れた位置制御、プログラム可能な力プロファイル、および低いメンテナンスオーバーヘッドを提供します。

高負荷ボールねじは、機械的により単純なパッケージで多くの油圧シリンダー用途に匹敵する力を提供できます。 1,000 kN を超える力の場合は、設置範囲内でより高い荷重密度が得られるローラーネジが推奨されるオプションになります。

高荷重ボールねじの仕様を確認せずに、100 kN を超える荷重に対してデフォルトでローラーねじを使用します。

多くのエンジニアは、高負荷ボールねじが用途に適しているかどうかを確認するのではなく、テクノロジーに対する一般的な知識に基づいてローラーねじを選択します。約 1,000 ～ 1,500 kN までの荷重の場合、ローラーねじを指定する前に高荷重ボールねじを必ず評価する必要があります。

高負荷ボールネジを採用した標準BK/BFサポートユニットを使用。

標準サポートユニットの定格は、高荷重ボールねじが生成するアキシアル荷重の一部です。過小なサポートユニットを使用すると、設計外の方法で荷重がベアリングハウジングと機械構造に伝達され、サポートベアリングの早期故障や潜在的な構造損傷の原因となります。

平均等価荷重での L10 寿命を確認せずに、最大瞬間荷重に合わせてネジのサイズを決定します。

ネジにかかる最大荷重は、加速中またはストロークの終わりに短時間だけ発生する可能性があります。ネジの指定を超えるピーク荷重に厳密に合わせてサイズを決定します。- L10 寿命の計算では、全デューティサイクルにわたる等価平均荷重が使用されます。これは、通常の動作中にナットが受ける実際の荷重と速度の分布を考慮したものです。

長い高負荷ボールねじシャフトの軸方向の熱膨張は考慮されていません。

10- メートルの高荷重のボールねじシャフトは、摂氏 1 度あたり約 0.12 mm 膨張します。固定-固定サポート構成では、この熱膨張によりシャフト内に圧縮応力が発生し、ナットとサポートベアリングの予圧が増加します。長い高負荷ボールねじは、内部応力を発生させずに軸方向の熱膨張を許容するために、固定フローティングエンドサポート構成を使用する必要があります。

高いアキシアル荷重がかかる場合は、次のシーケンスを使用してください。

最大アキシアル荷重、平均等価荷重、ストローク、およびデューティサイクルを定義します。できるだけ正確に。 L10 寿命の計算は、入力データと同じくらい正確です。
必要なCaで高荷重用ボールねじが使用可能か確認してください。高荷重ボールねじの定格動荷重は最大 1,440 kN です。用途がこの範囲内にある場合、高負荷ボールねじを最初に評価する必要があります。
高負荷ボールねじの平均等価荷重におけるL10寿命を計算します。計算された寿命が保守間隔要件を満たしている場合は、高負荷用ボールねじをご指定ください。そうでない場合は、軸径を大きくするか、ローラーねじを検討してください。
サポートユニット構成を選択してください最大アキシアル荷重、荷重の方向性、および速度に基づいて決定されます。サポートベアリングの定格が、適切な安全マージンを持って最大アキシアル荷重を超えていることを確認してください。
総所有コストを評価する初期コンポーネントコストだけではありません。高負荷ボールねじの価格が 3 分の 1 である場合、高負荷ボールねじの 2 倍寿命のローラねじが必ずしもコスト効率が高いとは限りません。{1}{2}
の場合のみローラねじをご指定ください。負荷が高負荷ボールねじの範囲を超えている、デューティサイクルが高負荷で連続している、または設置スペースにより大径の高負荷ボールねじを使用できない場合。