Napięcie wstępne śruby kulowej — dobór i pomiar

Napięcie wstępne i sztywność napędu

Napięcie wstępne śruby kulowej — czym jest preload, jak go dobrać i zmierzyć?

Napięcie wstępne śruby kulowej, określane również angielskim terminem preload, jest kontrolowanym obciążeniem wewnętrznym zespołu wał–nakrętka. Jego zadaniem jest ograniczenie luzu osiowego, zwiększenie sztywności mechanizmu i poprawa reakcji osi przy zmianie kierunku ruchu.

Nie oznacza to jednak, że największe możliwe napięcie wstępne zawsze będzie najlepszym rozwiązaniem.

Zbyt małe napięcie wstępne może powodować luz nawrotny, małą sztywność i pogorszenie powtarzalności. Zbyt duże może prowadzić do wzrostu momentu ruchu, temperatury, obciążenia kulek, zużycia bieżni oraz zapotrzebowania na moment silnika.

Napięcie wstępne musi być dopasowane do:

obciążenia osi,
wymaganej sztywności,
prędkości,
przyspieszenia,
temperatury,
cyklu pracy,
konstrukcji nakrętki,
sposobu smarowania,
wymaganej trwałości,
sposobu podparcia śruby.

Nie należy również utożsamiać napięcia wstępnego z klasą dokładności. Śruba może mieć wysoką klasę dokładności skoku i pracować bez preloadu. Może też mieć niższą klasę dokładności, ale bardzo mały luz i wysoką sztywność dzięki odpowiedniemu napięciu wstępnemu.

Sprawdź ofertę i powiązane materiały

Najważniejsza odpowiedź

Pytanie	Odpowiedź
Co to jest preload?	Kontrolowane napięcie wewnętrzne pomiędzy wałem, kulkami i nakrętką
Po co stosuje się preload?	Aby ograniczyć luz i zwiększyć sztywność osi
Czy preload usuwa błąd skoku?	Nie. Błąd skoku i napięcie wstępne są oddzielnymi parametrami
Czy większy preload jest zawsze lepszy?	Nie. Zwiększa opory, temperaturę i obciążenie elementów
Czy preload można uzyskać w jednej nakrętce?	Tak, między innymi przez dobór kulek lub przesunięcie skoku bieżni
Czy stosuje się dwie nakrętki?	Tak. Nakrętki mogą być napięte względem siebie za pomocą elementu dystansowego
Jak mierzy się preload?	Najczęściej pośrednio przez moment ruchu, odkształcenie osiowe lub charakterystykę siła–przemieszczenie
Czy utrata preloadu oznacza zużycie?	Często tak, ale przyczyną może być również montaż, łożyskowanie albo temperatura
Czy smarowanie wpływa na pomiar?	Tak. Rodzaj i ilość środka zmieniają moment ruchu
Czy można zwiększyć preload podczas regeneracji?	Czasami, po ocenie stanu bieżni, kulek, nakrętki i wymagań maszyny

Co oznacza napięcie wstępne śruby kulowej?

W śrubie bez napięcia wstępnego pomiędzy kulkami a bieżniami może pozostawać niewielki luz roboczy. Przy zmianie kierunku ruchu część przemieszczenia napędu zostaje wtedy wykorzystana na zmianę stron kontaktu kulek.

Preload powoduje, że kulki pozostają w kontrolowanym kontakcie z bieżniami po przeciwnych stronach układu. Dzięki temu zmiana kierunku może odbywać się bez wyraźnego ruchu jałowego.

W zależności od konstrukcji napięcie może być uzyskiwane:

pomiędzy dwiema nakrętkami,
wewnątrz pojedynczej nakrętki,
przez dobór średnicy kulek,
przez różnicę skoku lub przesunięcie bieżni,
przez konstrukcję dwuzwojną lub wielozwojną.

Preload jest więc cechą kompletnego zespołu śruba–nakrętka, a nie wyłącznie samego wału.

Napięcie wstępne a luz osiowy

Luz osiowy i preload są ze sobą powiązane, ale nie są tym samym parametrem.

Luz osiowy

Jest możliwością względnego przemieszczenia wału i nakrętki bez skutecznego przenoszenia obciążenia osiowego.

Preload

Jest celowo wprowadzonym napięciem powodującym kontakt kulek z bieżniami jeszcze przed przyłożeniem zewnętrznej siły roboczej.

Mechanizm może być wykonany:

z dodatnim luzem,
z luzem zbliżonym do zera,
z lekkim preloadem,
z wysokim preloadem.

Brak mierzalnego luzu nie musi oznaczać wysokiego napięcia wstępnego. Zespół może mieć jedynie skasowany luz, ale niewielką sztywność pod rosnącym obciążeniem.

Z drugiej strony wysoki preload może zapewniać dużą sztywność, ale powodować nadmierny moment i temperaturę.

Napięcie wstępne a klasa dokładności

Klasa dokładności opisuje zgodność rzeczywistego przesuwu nakrętki z przesuwem odniesienia.

Preload opisuje warunki kontaktu oraz zachowanie mechanizmu pod obciążeniem i przy zmianie kierunku.

Są to różne parametry.

Śruba może mieć:

wysoką klasę dokładności i brak preloadu,
wysoką klasę dokładności i duży preload,
niższą klasę dokładności i mały luz,
niższą klasę dokładności i duże napięcie wstępne.

Wysoki preload nie koryguje błędu skoku. Nie poprawia również prostoliniowości wału ani błędów wykonania czopów.

Więcej informacji:

Klasy dokładności śrub kulowych - IT i JIS

Napięcie wstępne a sztywność osiowa

Jednym z głównych powodów stosowania napięcia wstępnego jest zwiększenie sztywności osiowej zespołu.

Sztywność opisuje zależność pomiędzy siłą działającą na mechanizm a powstającym przemieszczeniem.

Można ją przedstawić uproszczoną zależnością:

sztywność = zmiana siły / zmiana przemieszczenia

Im większa sztywność, tym mniejsze odkształcenie osi pod wpływem obciążenia.

W śrubie bez preloadu początkowe obciążenie może najpierw kasować luz i zmieniać położenie punktów kontaktu. W śrubie napiętej kulki od początku pracują w kontrolowanym kontakcie, dlatego reakcja mechanizmu może być bardziej bezpośrednia.

Na sztywność całej osi wpływają jednak również:

średnica wału,
długość śruby,
rodzaj podparcia,
łożyska podporowe,
oprawa nakrętki,
prowadnice,
korpus maszyny,
sprzęgło,
połączenia śrubowe.

Wysoki preload nakrętki nie skompensuje małej sztywności pozostałych elementów.

Napięcie wstępne a powtarzalność

Napięcie wstępne może poprawiać powtarzalność najazdu z przeciwnych kierunków, ponieważ ogranicza ruch jałowy przy nawrocie.

Nie gwarantuje jednak samodzielnie dokładnego pozycjonowania.

Na powtarzalność wpływają również:

układ pomiarowy,
sterowanie,
temperatura,
tarcie prowadnic,
sprzęgło,
łożyska,
odkształcenia konstrukcji,
stabilność momentu ruchu.

Jeżeli preload jest nierównomierny na długości śruby, oś może zachowywać się inaczej w poszczególnych położeniach. Może to pogarszać zarówno powtarzalność, jak i płynność ruchu.

Napięcie wstępne a moment ruchu

Wprowadzenie napięcia wstępnego zwiększa siły kontaktu pomiędzy kulkami i bieżniami.

W rezultacie rośnie moment potrzebny do obracania śruby lub przesuwania nakrętki.

Moment zależy nie tylko od preloadu, ale również od:

średnicy śruby,
skoku,
profilu bieżni,
średnicy kulek,
liczby obiegów,
systemu recyrkulacji,
rodzaju smaru lub oleju,
uszczelnień,
temperatury,
prędkości,
prostoliniowości i współosiowości.

Dlatego wartości momentu nie powinno się interpretować bez znajomości warunków pomiaru.

Ta sama śruba może wykazywać inny moment:

bez smaru,
po pierwszym napełnieniu,
po rozprowadzeniu środka,
w niskiej temperaturze,
po nagrzaniu,
przy innej prędkości pomiarowej.

Napięcie wstępne a temperatura

Większe napięcie wstępne zwykle zwiększa straty wynikające z kontaktu i mieszania środka smarnego.

Może to prowadzić do:

nagrzewania nakrętki,
wzrostu temperatury wału,
wydłużenia cieplnego śruby,
zmiany dokładności pozycjonowania,
zmian momentu,
szybszego starzenia smaru.

Szczególnie wymagające są aplikacje łączące:

wysoki preload,
wysoką prędkość,
częste nawroty,
duże obciążenie,
pracę ciągłą,
ograniczone odprowadzanie ciepła.

Jeżeli temperatura szybko rośnie po zwiększeniu preloadu lub wymianie kulek, trzeba sprawdzić, czy mechanizm nie został nadmiernie napięty.

Napięcie wstępne a trwałość

Preload obciąża bieżnie i kulki jeszcze przed pojawieniem się siły zewnętrznej.

Oznacza to, że elementy wykonują pracę pod obciążeniem również wtedy, gdy oś nie przenosi dużej siły roboczej.

Zbyt wysoki preload może:

zwiększać naprężenia kontaktowe,
skracać trwałość zmęczeniową,
przyspieszać powstawanie wżerów,
powodować wzrost temperatury,
zwiększać zużycie nawrotników,
podnosić wymagania wobec smarowania.

Preload powinien być na tyle duży, aby zapewnić wymaganą sztywność i kontrolę luzu, ale nie większy niż jest to potrzebne dla konkretnej aplikacji.

Metody uzyskiwania napięcia wstępnego

Napięcie wstępne może być wprowadzane na kilka sposobów.

Najczęściej stosuje się:

dwie nakrętki napięte elementem dystansowym,
pojedynczą nakrętkę z odpowiednio dobranymi kulkami,
pojedynczą nakrętkę z przesunięciem skoku bieżni,
konstrukcję dwuzwojną z przesunięciem pomiędzy torami.

Każda metoda ma inne właściwości, ograniczenia oraz możliwości regulacji.

Podwójna nakrętka z elementem dystansowym

W tym rozwiązaniu dwie części nakrętki są ustawione względem siebie tak, aby obciążały przeciwne strony bieżni.

Pomiędzy nimi może znajdować się:

pierścień dystansowy,
podkładka,
element regulacyjny,
układ sprężysty,
inny element ustalający wzajemne położenie.

Zmiana grubości elementu dystansowego wpływa na wartość napięcia.

Zalety podwójnej nakrętki

duża możliwość kontroli preloadu,
wysoka sztywność,
możliwość dopasowania przez element dystansowy,
dobre właściwości przy zmianie kierunku,
kontrolowane obciążenie przeciwnych stron bieżni przez obie części nakrętki.

Ograniczenia

większa długość całkowita,
większa masa,
większa liczba elementów,
wyższy koszt,
większe wymagania montażowe,
możliwość zmiany napięcia przy niewłaściwym montażu.

Podwójna nakrętka jest często stosowana w precyzyjnych obrabiarkach i osiach wymagających wysokiej sztywności.

Pojedyncza nakrętka z kulkami nadwymiarowymi

W tej metodzie średnica kulek jest dobrana tak, aby ograniczyć luz i wprowadzić kontrolowany kontakt w bieżniach.

Niewielka zmiana średnicy kulek może znacząco wpłynąć na:

luz,
moment ruchu,
preload,
rozkład obciążenia,
temperaturę.

Nie należy dobierać kulek wyłącznie według średnicy nominalnej.

Znaczenie mają również:

rzeczywisty profil bieżni,
stan powierzchni,
średnica wału i nakrętki w punktach kontaktu,
selekcja kulek,
równomierność całego kompletu.

Zalety

kompaktowa konstrukcja,
jedna nakrętka,
brak dodatkowego elementu dystansowego,
możliwość ograniczenia luzu,
niewielka długość zespołu.

Ograniczenia

ograniczona możliwość późniejszej regulacji,
duża wrażliwość na dobór średnicy kulek,
ryzyko wysokiego momentu przy nadmiernym powiększeniu kulek,
zależność od dokładności profilu bieżni.

Wymiana kulek na większe bez pomiaru może doprowadzić do nadmiernego preloadu i szybkiego uszkodzenia mechanizmu.

Pojedyncza nakrętka z przesunięciem skoku

W nakrętce można wykonać kontrolowane przesunięcie pomiędzy fragmentami bieżni. Powoduje ono, że poszczególne grupy kulek kontaktują się z przeciwnymi stronami toru.

Rozwiązanie bywa określane jako:

przesunięcie skoku bieżni,
przesunięcie podziałki bieżni,
offset preload,
pitch offset lub lead offset — zależnie od terminologii producenta.

Preload wynika z geometrii wykonanej bezpośrednio w nakrętce.

Zalety

kompaktowa budowa,
brak drugiej nakrętki,
brak zewnętrznego elementu dystansowego,
wysoka sztywność przy odpowiedniej geometrii,
mniejsza długość zespołu.

Ograniczenia

preload jest określony konstrukcyjnie,
ograniczona możliwość regulacji po wykonaniu,
wysokie wymagania dotyczące dokładności bieżni,
trudniejsza regeneracja bez znajomości pierwotnej geometrii.

Konstrukcja dwuzwojna z przesunięciem skoku

W śrubach z dwiema liniami śrubowymi lub oddzielnymi torami możliwe jest wprowadzenie kontrolowanego przesunięcia pomiędzy zwojami.

Poszczególne obiegi kulek mogą wtedy przenosić obciążenie w przeciwnych kierunkach.

Rozwiązanie umożliwia uzyskanie preloadu w zwartej konstrukcji, ale wymaga bardzo dokładnego wykonania wału i nakrętki.

Znaczenie mają:

relacja skoku obu torów,
położenie obiegów,
profil bieżni,
selekcja kulek,
kontrola momentu,
pomiar sztywności.

Napięcie wstępne o stałym położeniu i stałej sile

W praktyce można spotkać dwa ogólne sposoby utrzymywania napięcia.

Napięcie wstępne o stałym położeniu

Wzajemne położenie elementów jest ustalone geometrycznie, na przykład przez pierścień dystansowy lub przesunięcie bieżni.

Zaletą jest wysoka sztywność. Wadą może być większa wrażliwość na temperaturę i odkształcenia.

Napięcie wstępne o stałej sile

Element sprężysty utrzymuje określoną siłę pomiędzy częściami nakrętki.

Taki układ może lepiej kompensować niektóre zmiany termiczne, ale zwykle oferuje mniejszą sztywność niż rozwiązanie całkowicie sztywne.

Wybór zależy od wymagań dotyczących:

sztywności,
temperatury,
kierunku obciążenia,
dynamiki,
przestrzeni montażowej.

Jak dobiera się wartość napięcia wstępnego?

Dobór powinien rozpoczynać się od wymagań kompletnej osi, a nie od założenia, że napięcie ma być możliwie największe.

Należy uwzględnić:

maksymalną siłę osiową,
typowe obciążenie robocze,
kierunek działania siły,
wymaganą sztywność,
dokładność i powtarzalność,
prędkość,
przyspieszenie,
temperaturę,
cykl pracy,
oczekiwaną trwałość,
sposób smarowania.

Preload powinien zapewniać kontakt i sztywność w wymaganym zakresie obciążeń, ale nie może powodować niedopuszczalnego momentu ani temperatury.

Napięcie wstępne śruby kulowej do obrabiarki CNC

W osi obrabiarki napięcie wstępne pomaga ograniczyć odkształcenie i ruch jałowy przy zmianie kierunku sił skrawania.

Dobór zależy od:

rodzaju obróbki,
sił skrawania,
średnicy i długości śruby,
typu prowadnic,
systemu pomiarowego,
sposobu chłodzenia,
temperatury pracy,
wymaganej dokładności detalu.

Wysoki preload może być uzasadniony w precyzyjnej osi o dużych siłach, ale jednocześnie zwiększa nagrzewanie podczas szybkich przejazdów.

Projekt musi uwzględniać kompromis pomiędzy:

sztywnością podczas skrawania,
dynamiką szybkich przejazdów,
trwałością,
stabilnością cieplną.

Napięcie wstępne do automatyki

W automatyce nie zawsze jest potrzebne napięcie charakterystyczne dla ciężkiej obrabiarki.

Często ważniejsze są:

duża liczba cykli,
szybkie nawroty,
niska masa ruchoma,
ograniczony moment silnika,
długa trwałość,
stabilna temperatura.

W takich aplikacjach zbyt duży preload może niepotrzebnie zwiększać zużycie energii i obciążenie napędu.

Niewielkie napięcie lub skasowanie luzu może być wystarczające, jeżeli oś nie przenosi dużych zmiennych sił.

Napięcie wstępne w osi pionowej

W osi pionowej obciążenie wynikające z masy może działać stale w jednym kierunku.

Stałe obciążenie grawitacyjne nie zastępuje napięcia wstępnego, ponieważ po zmianie kierunku ruchu lub pojawieniu się sił dynamicznych mogą zmienić się strony kontaktu kulek.

Trzeba przeanalizować:

masę elementów ruchomych,
przeciwwagę,
hamulec silnika,
siłę podczas przyspieszania,
kierunek obciążeń roboczych,
bezpieczeństwo przy zaniku zasilania.

Preload nadal może być potrzebny dla sztywności i zachowania przy zmianie kierunku, ale jego wartość powinna być oceniana razem ze stałym obciążeniem grawitacyjnym.

Napięcie wstępne w szybkim napędzie

Przy wysokiej prędkości priorytetem staje się ograniczenie temperatury i momentu.

Należy uwzględnić:

prędkość obrotową,
wartość parametru prędkościowego śruby i nakrętki,
rodzaj recyrkulacji,
ilość środka smarnego,
uszczelnienia,
możliwość chłodzenia wału lub nakrętki,
czas pracy ciągłej.

Wysoki preload, który działa prawidłowo przy małej prędkości, może prowadzić do nadmiernego nagrzewania podczas długiego szybkiego przejazdu.

Jak mierzy się napięcie wstępne?

Nie zawsze można bezpośrednio zmierzyć napięcie wewnętrzne pomiędzy kulkami i bieżniami.

W praktyce stosuje się metody pośrednie:

pomiar momentu biegu jałowego,
pomiar siły osiowej i przemieszczenia,
wyznaczenie sztywności,
pomiar luzu przy zmianie kierunku obciążenia,
porównanie z charakterystyką producenta.

Metoda musi być dopasowana do konstrukcji nakrętki i wymagań odbiorczych.

Pomiar momentu ruchu bez obciążenia zewnętrznego

Moment ruchu jest jednym z najczęściej stosowanych parametrów kontrolnych.

Podczas pomiaru należy określić:

prędkość obrotową,
kierunek ruchu,
położenie nakrętki,
temperaturę,
rodzaj i ilość środka smarnego,
stan uszczelnień,
sposób podparcia wału.

Pomiar można wykonywać na całej długości roboczej.

Wynik powinien uwzględniać nie tylko średnią wartość, ale również:

minimum,
maksimum,
lokalne wzrosty,
różnicę pomiędzy kierunkami,
powtarzalność kolejnych przejazdów.

Nierówny moment może wskazywać na problem, nawet jeśli jego średnia wartość mieści się w wymaganym zakresie.

Czy moment ruchu określa napięcie wstępne?

Nie.

Moment ruchu może służyć jako pośredni parametr kontrolny napięcia wstępnego, ale sam nie określa jednoznacznie jego wartości.

Na wynik wpływają również:

smar,
uszczelnienia,
recyrkulacja,
chropowatość,
prostoliniowość,
niewspółosiowość,
stan kulek,
temperatura.

Dlatego nie można wyznaczyć preloadu wyłącznie z jednej wartości momentu bez charakterystyki konkretnego zespołu.

Moment jest jednak bardzo użytecznym parametrem porównawczym podczas produkcji, odbioru i diagnostyki.

Pomiar sztywności osiowej

Sztywność można ocenić przez przyłożenie kontrolowanej siły osiowej i pomiar powstającego przemieszczenia.

Badanie może obejmować:

ustabilizowanie zespołu,
przyłożenie obciążenia w jednym kierunku,
rejestrację przemieszczenia,
odciążenie,
zmianę kierunku siły,
porównanie charakterystyki.

Wykres siła–przemieszczenie pozwala ocenić:

luz,
początkową sztywność,
zachowanie przy nawrocie,
histerezę,
zakres utrzymywania kontaktu.

Trzeba jednak oddzielić odkształcenie nakrętki od odkształceń wału, podpór, opraw i stanowiska pomiarowego.

Pomiar luzu pod obciążeniem

Pomiar luzu powinien być wykonywany przy kontrolowanej zmianie kierunku siły.

Samo ręczne poruszanie elementem może nie wystarczyć, ponieważ:

smar tworzy opór,
uszczelnienia maskują niewielkie przemieszczenie,
konstrukcja może się sprężyście odkształcać,
ruch może pochodzić z łożysk lub opraw.

Pomiar powinien rozdzielać:

luz nakrętki,
luz podpór,
luz mocowania nakrętki,
podatność konstrukcji.

Warunki pomiaru momentu

Aby wyniki były porównywalne, należy określić warunki badania.

Znaczenie mają:

temperatura elementu,
temperatura otoczenia,
prędkość,
liczba cykli rozprowadzających smar,
kierunek,
zakres długości,
położenie wału,
rodzaj środka smarnego,
czas od smarowania.

Pomiar bez określonych warunków może prowadzić do błędnej oceny preloadu.

Przykładowo świeżo napełniona nakrętka może początkowo wykazywać wyższy moment niż po rozprowadzeniu nadmiaru smaru.

Objawy zbyt małego napięcia wstępnego

Niewystarczające napięcie może powodować:

luz przy zmianie kierunku,
stuk podczas nawrotu,
małą sztywność osi,
pogorszenie jakości powierzchni obrabianego detalu,
drgania,
opóźnioną reakcję napędu,
różnicę pozycjonowania zależną od kierunku dojazdu,
wzrost błędu kołowości przy interpolacji.

Objawy te mogą jednak pochodzić również z:

łożysk podporowych,
mocowania nakrętki,
sprzęgła,
prowadnic,
sterowania.

Przed ingerencją w nakrętkę należy sprawdzić całą oś.

Objawy zbyt dużego napięcia wstępnego

Nadmierne napięcie może powodować:

wysoki moment biegu jałowego,
wzrost temperatury,
przeciążenie serwa,
ograniczenie przyspieszenia,
przyspieszoną degradację środka smarnego smaru,
przyspieszone zużycie bieżni,
nierówną pracę przy małej prędkości,
alarmy napędu,
skrócenie trwałości.

Charakterystycznym sygnałem może być sytuacja, w której oś pracuje poprawnie na zimno, ale po nagrzaniu moment i prąd silnika wyraźnie rosną.

Objawy nierównomiernego napięcia wstępnego

Rzeczywiste warunki kontaktu oraz moment ruchu mogą zmieniać się na długości śruby, przez co objawy napięcia wstępnego mogą być prawidłowe w jednym położeniu i nieprawidłowe w innym.

Objawy to:

lokalny wzrost momentu,
cykliczne zmiany oporu,
nagrzewanie w określonym położeniu,
zmienny hałas,
problemy tylko na części skoku,
różna charakterystyka w obu kierunkach.

Przyczyną może być:

nierówny profil bieżni,
wygięcie wału,
miejscowe zużycie,
uszkodzenie nakrętki,
zanieczyszczenie,
różnica średnicy kulek,
błąd montażu.

Dlaczego napięcie wstępne może się zmieniać podczas pracy?

Napięcie wstępne nie zawsze pozostaje stałe przez cały okres eksploatacji.

Może się zmieniać wskutek:

zużycia bieżni,
zużycia kulek,
odkształceń trwałych,
zmiany temperatury,
zużycia, odkształcenia albo zmiany położenia elementów dystansowych lub regulacyjnych,
poluzowania elementów,
korozji,
uszkodzenia obiegów,
niewłaściwego smarowania.

W podwójnej nakrętce problem może dotyczyć również wzajemnego położenia obu części.

Wpływ temperatury na napięcie wstępne

Stalowe elementy rozszerzają się pod wpływem temperatury.

Zmiana temperatury wału, nakrętki, elementu dystansowego i oprawy może wpływać na geometrię kontaktu.

Skutek zależy od:

materiałów,
konstrukcji,
sposobu podparcia,
miejsca nagrzewania,
chłodzenia,
sztywności układu.

W rozwiązaniu sztywnym wzrost temperatury może zwiększać lub zmniejszać rzeczywiste napięcie zależnie od konstrukcji.

Dlatego pomiar na zimnym elemencie nie zawsze odzwierciedla warunki po długiej pracy maszyny.

Wpływ smarowania na napięcie wstępne i moment ruchu

Środek smarny nie zmienia geometrycznie ustawionego preloadu, ale wpływa na obserwowany moment i temperaturę.

Zbyt lepki lub nadmiernie podany smar może sprawiać wrażenie zbyt dużego napięcia.

Z kolei brak filmu smarnego może powodować:

wzrost tarcia,
nierówny ruch,
zużycie,
przyspieszone zużycie kulek i bieżni,
stopniową utratę napięcia wstępnego wskutek zużycia.

Przed oceną nakrętki trzeba potwierdzić:

rodzaj środka,
jego kompatybilność,
właściwą ilość,
rozprowadzenie,
temperaturę.

Więcej informacji:

Smarowanie śruby kulowej - czym i jak często?

Czy napięcie wstępne można regulować?

Zależy to od konstrukcji.

Podwójna nakrętka

Napięcie wstępne może być regulowane przez dobór lub zmianę elementu dystansowego albo przez przewidziany konstrukcyjnie układ regulacyjny.

Kulki nadwymiarowe

Zmiana wymaga doboru innej średnicy kulek, pomiaru profilu i kontroli momentu.

Przesunięcie skoku

Preload jest określony głównie przez wykonaną geometrię. Możliwość korekcji jest ograniczona.

Konstrukcja specjalna

Może wykorzystywać element sprężysty, pierścień regulacyjny lub inny układ przewidziany przez producenta.

Regulacji nie należy wykonywać bez danych konstrukcyjnych i pomiarów.

Czy można zwiększyć napięcie wstępne przez wymianę kulek?

Czasami tak, ale nie zawsze jest to prawidłowa metoda.

Zwiększenie średnicy kulek wpływa na:

punkty kontaktu,
moment,
naprężenia,
rozkład obciążenia,
recyrkulację,
trwałość.

Jeżeli bieżnie są zużyte nierównomiernie, większe kulki mogą jedynie ograniczyć luz w jednym położeniu, a w innym powodować nadmierny moment, lokalne zaciskanie, przegrzewanie, a w skrajnym przypadku zablokowanie nakrętki.

Przed wymianą należy sprawdzić:

profil bieżni wału,
profil nakrętki,
zużycie na długości,
prostoliniowość,
średnicę i klasę kulek,
stan nawrotników.

Napięcie wstępne podczas regeneracji śruby kulowej

Regeneracja może obejmować odtworzenie lub korektę napięcia wstępnego, ale tylko wtedy, gdy stan elementów na to pozwala.

Proces może wymagać:

demontażu nakrętki,
kontroli kulek,
pomiaru profilu,
oceny bieżni,
kontroli nawrotników,
doboru kulek,
wykonania elementu dystansowego,
kontroli momentu ruchu i płynności pracy na całej długości roboczej.

Nie każda zużyta śruba nadaje się do przywrócenia pierwotnego preloadu.

Jeżeli bieżnie mają głębokie wżery, odkształcenia lub nierównomierne zużycie, zwiększenie napięcia może przyspieszyć awarię.

Czy należy odtwarzać pierwotne napięcie wstępne?

Najczęściej celem jest przywrócenie parametrów odpowiadających wymaganiom maszyny.

Nie zawsze oznacza to automatyczne ustawienie największego możliwego napięcia.

Trzeba uwzględnić:

stan maszyny,
wiek napędu,
możliwości silnika,
układ pomiarowy,
prędkość,
sposób smarowania,
wymagania procesu,
temperaturę.

Jeżeli oryginalna dokumentacja jest dostępna, powinna stanowić podstawę odbioru.

Wartości zmierzone na zużytej śrubie nie powinny być automatycznie przyjmowane jako pierwotne wymaganie. Podstawą powinny być dane producenta, dokumentacja maszyny albo analiza funkcji osi.

Napięcie wstępne w zamienniku śruby OEM

Przy wykonywaniu zamiennika należy ustalić:

typ nakrętki,
sposób wprowadzenia napięcia,
moment ruchu,
sztywność,
dopuszczalny luz,
warunki pomiaru,
klasę dokładności,
siły robocze,
prędkość.

Nie wystarczy odtworzyć średnicę, skok i zakończenia wału.

Zamiennik o innym preloadzie może powodować:

zmianę prądu silnika,
inne nagrzewanie,
zmianę sztywności,
błędy przy nawrotach,
krótszą trwałość.

Jak przygotować zapytanie o śrubę z napięciem wstępnym?

Priorytet	Co przekazać?	Przykład
Wymagane	średnica i skok	40 × 10 mm
Wymagane	długość całkowita	1800 mm
Wymagane	typ nakrętki	pojedyncza lub podwójna
Wymagane	zastosowanie	CNC, automatyka, prasa
Bardzo pomocne	preload	klasa, siła lub wartość producenta
Bardzo pomocne	moment ruchu	wartość i warunki pomiaru
Bardzo pomocne	obciążenie	robocze i maksymalne
Bardzo pomocne	prędkość	obrotowa i liniowa
Pomocne	sztywność	wymagana wartość osiowa
Pomocne	temperatura	robocza i otoczenia
Pomocne	smarowanie	olej, smar, system centralny
Dokumentacja	rysunek	PDF, DWG, STEP
Zamiennik	wzorzec	kompletna śruba i nakrętka
Odbiór	raport	moment, luz, sztywność, skok

Jeżeli dokumentacja nie podaje bezpośrednio preloadu, warto przekazać dopuszczalny luz, wymagany moment i funkcję osi.

Najczęstsze błędy przy doborze napięcia wstępnego

Wybór największego możliwego napięcia

Może prowadzić do przegrzewania, wysokiego momentu i skrócenia trwałości.

Ocenianie preloadu wyłącznie przez ręczne obracanie

Odczuwalny opór zależy również od smaru, uszczelnień i temperatury.

Dobór większych kulek bez pomiaru bieżni

Może spowodować lokalne zablokowanie i przeciążenie mechanizmu.

Pomiar momentu bez określenia warunków

Wyniki przy różnych prędkościach, temperaturach i ilości smaru nie są bezpośrednio porównywalne.

Mylenie preloadu z klasą dokładności

Napięcie wstępne nie zmniejsza błędu skoku.

Pomijanie łożysk podporowych

Luz osi może pochodzić z podpór, a nie z nakrętki.

Pomijanie temperatury

Preload ustawiony poprawnie na zimno może zmienić się podczas pracy.

Regulacja bez kontroli na całej długości

Moment powinien być sprawdzony w pełnym zakresie roboczym.

Ustawienie napięcia bez uwzględnienia silnika

Zbyt duży moment może przekroczyć możliwości serwa lub ograniczyć dynamikę.

Próba naprawy zużytej bieżni samym preloadem

Zwiększenie napięcia nie usuwa wżerów, korozji i uszkodzeń profilu.

FAQ — napięcie wstępne śruby kulowej

Co oznacza napięcie wstępne śruby kulowej?

Jest to kontrolowane napięcie wstępne pomiędzy wałem, kulkami i nakrętką, stosowane w celu ograniczenia luzu i zwiększenia sztywności.

Czy preload i napięcie wstępne oznaczają to samo?

Tak. Preload jest angielskim terminem powszechnie stosowanym w dokumentacji technicznej.

Czy każda śruba kulowa ma preload?

Nie. Niektóre mechanizmy pracują z luzem konstrukcyjnym, inne z luzem zbliżonym do zera, a inne z określonym napięciem.

Czy większy preload oznacza większą dokładność?

Nie zmniejsza błędu skoku. Może poprawić sztywność i zachowanie przy zmianie kierunku.

Czy preload usuwa backlash?

Może ograniczać lub eliminować luz wewnętrzny nakrętki, ale nie usuwa luzu w łożyskach, sprzęgle, oprawie i pozostałych elementach osi.

Jak uzyskuje się preload?

Przez podwójną nakrętkę, dobór kulek, przesunięcie skoku bieżni lub specjalną konstrukcję wielozwojną.

Co to jest nakrętka podwójna?

To zespół dwóch części napiętych względem siebie tak, aby obciążały przeciwne strony bieżni.

Czy większe kulki zwiększają napięcie wstępne?

Mogą zmniejszyć luz i zwiększyć napięcie wstępne oraz moment ruchu, ale ich dobór musi wynikać z pomiarów bieżni i charakterystyki konkretnej nakrętki. Zbyt duże kulki mogą powodować nadmierny moment, lokalne zaciskanie, przegrzewanie, a w skrajnym przypadku zablokowanie nakrętki.

Jak mierzy się preload?

Pośrednio przez moment ruchu, sztywność, odkształcenie pod obciążeniem i kontrolę luzu.

Czy moment biegu jałowego określa preload?

Jest ważnym parametrem kontrolnym, ale zależy również od smaru, uszczelnień, temperatury i geometrii.

Dlaczego śruba z preloadem się nagrzewa?

Napięcie zwiększa siły kontaktu i opory. Nagrzewanie może być większe przy wysokiej prędkości, dużej ilości smaru lub niewspółosiowości.

Czy preload może być za duży?

Tak. Może powodować wysoki moment, temperaturę, przeciążenie napędu i skrócenie trwałości.

Jak rozpoznać utratę preloadu?

Może pojawić się luz przy nawrocie, stuk, spadek sztywności lub pogorszenie jakości pozycjonowania.

Czy preload zmienia się z temperaturą?

Może się zmieniać wskutek rozszerzalności wału, nakrętki, elementów dystansowych i opraw.

Czy można ustawić preload podczas regeneracji?

Często jest to możliwe, ale wymaga oceny bieżni, kulek, nakrętki oraz pomiaru momentu i sztywności.

Czy smar wpływa na preload?

Nie zmienia bezpośrednio ustawionej geometrii, ale silnie wpływa na moment ruchu, temperaturę i interpretację pomiarów.

Jaki preload zastosować do CNC?

Zależy od sił skrawania, wymaganej sztywności, prędkości, temperatury i konstrukcji osi. Nie istnieje jedna wartość dla wszystkich maszyn CNC.

Czy można określić preload bez dokumentacji?

Można przeprowadzić pomiary istniejącego zespołu, ale zużyta śruba nie zawsze odzwierciedla parametry elementu nowego.

Potrzebujesz dobrać, odtworzyć lub sprawdzić napięcie wstępne śruby kulowej?

Prześlij rysunek, dane maszyny albo kompletny fizyczny wzorzec. Wskaż średnicę, skok, długość, typ nakrętki, prędkość, obciążenie i wymagania dotyczące luzu lub sztywności.

Przy diagnostyce pomocne są również:

wartość momentu ruchu,
temperatura nakrętki,
prąd silnika,
opis zachowania przy nawrocie,
informacje o smarowaniu,
zdjęcia wału i nakrętki,
historia napraw.

W ramach analizy można ocenić stan bieżni, kulek, nawrotników, konstrukcji napięcia wstępnego oraz możliwość przywrócenia wymaganych parametrów.

Blog

Dowiedz się więcej