Жесткость шарико-винтовой передачи влияет на точность позиционирования, стабильность обработки и реакцию системы линейного перемещения при осевой нагрузке. Однако значение, измеренное на собранной оси, определяется не только шариковой гайкой. Винтовой вал, опорные подшипники, корпуса подшипников, кронштейн гайки и испытательное приспособление могут способствовать измеренному смещению.
По этой причине измерение осевой жесткости ШВП требует большего, чем просто приложение силы и запись одного значения смещения. Также необходимо контролировать направление нагрузки, предварительную нагрузку, условия монтажа, температуру и деформацию испытательного оборудования.
Что такое осевая жесткость шарико-винтовой передачи?
Осевая жесткость описывает сопротивление узла ШВП упругому смещению под действием осевой нагрузки. В пределах заданного диапазона нагрузки это может быть выражено как:
k = ΔF / Δδ
Гдекосевая жесткость,ΔF- изменение осевой нагрузки, аΔδ- соответствующее изменение осевого смещения.
Жесткость шарико-винтовой передачи обычно выражается в Н/мкм или Н/мм. Более высокое значение означает, что при той же осевой нагрузке происходит менее упругое смещение.
Зависимость нагрузки от смещения контакта шарика с канавкой не является идеально линейной. Поэтому жесткость обычно следует указывать для определенного диапазона нагрузок, а не как одно универсальное значение. В зависимости от цели испытания инженеры могут использовать либо:
- Секающая жесткость:изменение нагрузки, разделенное на общее изменение смещения за определенный интервал.
- Касательная жесткость:локальный наклон кривой нагрузка-перемещение при определенной рабочей нагрузке.
Компоненты, влияющие на измеряемую жесткость
При испытании всей оси ШВП результат измерения представляет собой совокупную жесткость нескольких компонентов:
- Гайка шарикового винта и контакты шарика с дорожкой качения
- Осевое растяжение или сжатие вала винта
- Подшипниковое устройство с фиксированной и опорной стороной
- Корпус гайки и монтажный кронштейн
- Корпус подшипника и конструкция машины
- Испытательное приспособление, тензодатчик и схема крепления датчика
Эти элементы ведут себя примерно как пружины, соединенные последовательно. Комбинированная осевая жесткость может быть представлена как:
1/кобщий= 1/корех+ 1/квал+ 1/кнесущий+ 1/ккронштейн+ …
Это объясняет, почему собранная ось может иметь значительно меньшую жесткость, чем теоретическое значение жесткости, указанное для одной шариковой гайки.
Статическое нагрузочное тестирование
Статическая осевая нагрузка является наиболее прямым методом измерения жесткости ШВП. Шарико-винтовую передачу монтируют в испытательном приспособлении или в фактической конструкции машины, прикладывают контролируемую осевую силу и регистрируют полученное смещение.
Необходимое оборудование
- Жесткая испытательная рама
- Гидравлическое, пневматическое, винтовое или электромеханическое погрузочное устройство.
- Калиброванный тензодатчик
- LVDT, лазерный датчик смещения или циферблатный индикатор высокого разрешения.
- Датчики температуры, когда тепловые воздействия могут повлиять на результат
Рекомендуемая процедура испытания
- Установите шариковый винт в предусмотренную опору.Укажите, используется ли монтаж фиксированно-фиксированный, фиксированно-опорный или фиксированно-свободный.
- Выровняйте ось загрузки.Приложенная сила должна быть концентрична оси винта, чтобы предотвратить попадание изгиба в показания смещения.
- Установите датчик смещения рядом с измеряемой границей раздела.Измерение ненужных компонентов приспособления добавит к результату их деформацию.
- Приложите небольшую нагрузку на сиденье.Это помогает стабилизировать контакты и уменьшает ошибки, вызванные неполной посадкой или монтажным зазором.
- Загружайте сборку с контролируемыми приращениями.Регистрируйте силу и смещение на каждом этапе, не превышая указанную рабочую нагрузку или допустимую осевую нагрузку.
- Выгружайте сборку с теми же приращениями.Сравнение кривых нагрузки и разгрузки может выявить люфт, гистерезис, трение или перемещение приспособления.
- Повторите испытание в противоположном осевом направлении.Двунаправленные результаты важны для оценки преднатяга и осевого зазора.
- Рассчитайте жесткость в соответствующем диапазоне нагрузок.Выбранный диапазон должен соответствовать фактической рабочей нагрузке машины.
Как интерпретировать кривую нагрузка-перемещение
ШВП с предварительным натягом обычно должна обеспечивать плавную кривую нагрузки и смещения с относительно небольшим смещением вблизи точки реверса нагрузки. Видимая мертвая зона вокруг нулевой нагрузки может указывать на осевой зазор, незакрепленные монтажные детали или перемещение между гайкой и ее кронштейном.
Если кривые загрузки и разгрузки не следуют одной и той же траектории, разница представляет собой гистерезис. Возможные причины включают трение уплотнения, сопротивление смазке, незначительное смещение, оседание контактов или деформацию монтажной конструкции.
Поскольку жесткость изменяется в зависимости от нагрузки, в протокол испытаний следует по возможности включать полную кривую смещения нагрузки. Как минимум, там должно быть указано:
Измеренная жесткость и единицы измерения
Диапазон нагрузок, используемый для расчета
Направление загрузки
Модель ШВП и состояние предварительного натяга
Длина винта и положение гайки
Опорный подшипник
Температура испытания и условия смазки
Отделение жесткости шарико-винтовой передачи от деформации приспособления
Распространенной ошибкой измерения является то, что общее перемещение испытательной рамы рассматривается как деформация ШВП. Даже жесткое на вид приспособление может прогнуться под большой осевой нагрузкой.
Соответствие приспособления можно определить путем калибровки или испытания эталонного компонента с гораздо более высокой жесткостью. Затем смещение приспособления при каждой нагрузке можно вычесть из общего измеренного смещения:
δшариковый винт= δизмеренный− δприспособление
Для собранной оси машины датчики также можно расположить на разных интерфейсах, чтобы определить, где происходит смещение. Например, при измерении между валом винта и корпусом гайки более пристальное внимание уделяется гайке в сборе, тогда как измерение перемещения стола относительно основания машины включает всю структуру подачи.
Динамические испытания жесткости
Статические испытания оценивают деформацию при медленно приложенных нагрузках. Динамические испытания используются, когда важны вибрация, резонанс и реакция сервопривода. Сборка может быть возбуждена с помощью ударного молотка, вибраторного устройства или управляемого двигателя, при этом измеряется сила, ускорение или смещение.
Модальный анализ позволяет определить собственные частоты, затухание и формы колебаний. Однако сама по себе собственная частота не обеспечивает жесткость ШВП, если также не известны эффективная движущаяся масса и граничные условия. Для упрощенной системы с одной степенью свободы:
k = m(2πfн)²
Здесь,м- эффективная масса ижн— собственная частота. Реальные системы подачи с ШВП обычно имеют несколько режимов вибрации, поэтому динамические результаты следует интерпретировать с использованием соответствующей модели системы.
Аналитическая оценка
Жесткость шарико-винтовой передачи также можно оценить перед физическими испытаниями. В расчет можно включить контактную деформацию Герца между шариками и дорожками качения, осевую деформацию вала винта, жесткость опорного подшипника и деформацию монтажной конструкции.
Анализ методом конечных элементов может быть полезен для оценки сложных корпусов и кронштейнов, но его точность зависит от реалистичных условий контакта, свойств материала, предварительного натяга и граничных условий. Поэтому аналитические значения следует сверять с данными испытаний, когда точность позиционирования имеет решающее значение.
Факторы, которые необходимо контролировать во время тестирования
Предварительный натяг и осевой зазор
Предварительный натяг уменьшает осевой зазор и увеличивает жесткость гайки за счет сохранения контакта между шариками и дорожками качения. Однако чрезмерная предварительная нагрузка увеличивает трение, выделение тепла и внутреннюю нагрузку, что может сократить срок службы. Условия предварительной нагрузки, используемые во время испытаний, должны соответствовать предполагаемым условиям эксплуатации.
Длина винта и положение гайки
Вал винта растягивается или сжимается под действием осевой нагрузки. Его вклад в общее смещение увеличивается с увеличением эффективной длины вала и уменьшается с увеличением диаметра корня. Следовательно, жесткость, измеренная с гайкой возле одного конца винта, может отличаться от жесткости, измеренной в другом положении.
Опорные подшипники
Тип, расположение и преднатяг опорных подшипников напрямую влияют на жесткость системы. Конструкция «фиксированная-фиксированная» обычно ведет себя иначе, чем установка «фиксированная-опорная» или «фиксированная-свободная». Также необходимо учитывать жесткость корпуса подшипника и посадку на конце вала.
Соответствие расходных материалов DLYопорные блоки шарико-винтовой передачидля различных концов вала и способов крепления.
Температура
Изменения температуры могут изменить предварительную нагрузку, длину винта и посадку подшипника. Перед испытанием дайте сборочному и измерительному оборудованию достичь стабильной температуры. Температуру следует также регистрировать при сравнении измерений, выполненных в разное время.
Смазка
Смазка оказывает большее прямое влияние на трение, температуру и гистерезис, чем на базовую упругую жесткость стальных компонентов. Чтобы получить повторяемые результаты, используйте указанную смазку и сохраняйте одинаковый тип, количество и распределение смазки между испытаниями.
Заключение
Самый практичный способ измерения осевой жесткости ШВП — это приложение контролируемой осевой нагрузки и запись соответствующего смещения в обоих направлениях. Точные результаты требуют тщательного выравнивания, калиброванных датчиков нагрузки и смещения, четко определенного диапазона нагрузок и компенсации деформации приспособления.
При измерении всей оси подачи результат представляет собой совокупную жесткость шариковой гайки, винтового вала, опорных подшипников, кронштейнов и конструкции машины. Эти компоненты следует оценивать отдельно, если измеренная жесткость ниже ожидаемой.
Для выбора ШВП, вариантов предварительного натяга или требований к обработке концов вала см. DLYдиапазон шариковых винтовили отправьте нам свой диаметр винта, шаг шага, нагрузку и способ крепления.
