Śruby kulowe - co warto o nich wiedzieć?
| TechnikaŚruby kulowe to elementy napędów, przekształcające ruch obrotowy na liniowy. Wyróżnia je precyzja, powtarzalność oraz, dzięki konstrukcji ograniczającej straty energii na tarcie, duża sprawność. W artykule przedstawiamy ich główne komponenty i specyfikę.
Głównymi komponentami śrub kulowych są: wał śruby, nakrętka oraz kulki łożyskowe. Do wału przykładana jest siła wytwarzana w silniku, wywołująca obrót śruby przekształcany w ruch liniowy. Wał jest długim cylindrycznym prętem z ciągłym rowkiem – bieżnią. Biegnie ona spiralnie wokół wału i stanowi gwint śruby. Po bieżni toczą się kulki łożyskowe. Rowki bieżni mogą być różnie profilowane, co wpływa na punkt jej styku z kulkami. Ze względu na kierunek obiegu bieżni wokół wału i jej pochylenie śruby kulowe dzieli się na prawoskrętne i lewoskrętne.
Czym się różni podziałka od skoku?
Wał śruby charakteryzuje kilka parametrów. Takimi są średnica nominalna tj. maksymalna średnica wału z wliczonymi rowkami i średnica kulek łożyskowych pozostających w kontakcie ze śrubą i nakrętką. Minimalna średnica wału śruby to z kolei odległość najniższej części rowka od najniższej części rowka przeciwległego. Te wielkości są kluczowe przy doborze modelu śruby do konkretnego zastosowania.
Kolejne ważne parametry to podziałka i skok. Pierwsza to odległość między rowkami śruby. Skok to natomiast liniowa odległość, jaką pokonuje nakrętka w trakcie jednego obrotu śruby. Od tego parametru zależy jej przesuw liniowy oraz prędkość i nośność. Wraz ze wzrostem skoku zwiększa się pokonywana odległość liniowa i prędkość, jednak w związku z tym, że równocześnie maleje liczba kulek umieszczonych wokół wału, zmniejsza się również nośność.
Czym jest nakrętka?
Podziałka i skok śrub z gwintem jednokrotnym są równe. W śrubach z gwintem wielokrotnym skok odpowiada ilorazowi podziałki i liczby krotności, na przykład dla gwintu dwukrotnego skok to dwa razy podziałka, a czterokrotnego skok to cztery razy podziałka. Im większa liczba krotności, tym większa jest odległość liniowa przebywana w jednym obrocie. Śruby z gwintem wielokrotnym sprawdzają się zatem jako alternatywa dla śrub z większym skokiem w zastosowaniach, w których szybki ruch liniowy powinien być uzyskiwany przy mniejszej liczbie obrotów oraz jeżeli wymagana jest duża nośność.
Nakrętka śruby kulowej to cylinder mieszczący kulki łożyskowe i układ ich recyrkulacji. Od środka, tak jak wał, jest nagwintowana, a jej rowki odpowiadają tym na wale śruby. Dostępne są śruby kulowe z nakrętkami z kilkoma obiegami zamkniętymi kulek łożyskowych. Mogą one przenosić większe obciążenia niż te z obiegiem pojedynczym.
Kulki łożyskowe przemieszczające się w przestrzeni między nakrętką a wałem są najważniejszym elementem śrub kulowych. Dzięki nim zmniejsza się tarcie, jakie bez nich występowałoby między obiema nagwintowanymi powierzchniami.
Profile rowków. Uszczelki
Kulki są zwykle wykonane ze stali. Rowki, w których się obracają, mogą być różnie wyprofilowane. Najczęściej spotyka się dwie konstrukcje. Najpopularniejszy profil rowka tworzą dwa przecinające się łuki. W tym przypadku kulka ma dwa punkty styku z wałem śruby i również w dwóch punktach styka się z nakrętką. Drugi popularny profil rowka ma kształt półkola. W tym przypadku kulka ma po jednym punkcie styku z wałem śruby i z nakrętką.
Łuki rowków bez względu na typ profilu mają nieco większe promienie niż kulka. Przez to odstęp między kulką a kulką albo nakrętką jest nieunikniony. Jest on jednocześnie niepożądany, ponieważ powoduje luzy. Można mu zapobiec, wstępnie naprężając śrubę kulową.
Ważnym elementem śrub kulowych są uszczelki zapobiegające przedostawaniu się zanieczyszczeń i ciał obcych do szczeliny między kulką a nakrętką. Nie dopuszczają również do wyciekania smaru.
Jak poprawić dokładność śrub kulowych?
Ważny parametr śrub kulowych to błąd skoku, będący różnicą między deklarowaną a rzeczywistą odległością, jaką pokonuje nakrętka podczas jednego obrotu wału śruby. Zależy ona od dokładności wykonania rowków bieżni oraz zwartości i precyzji ustawienia całego zespołu śruby. Wartość błędu może się różnić w zależności od skoku. Im większej precyzji oczekujemy od śruby kulowej, tym mniejszy powinien być błąd skoku. Można go zmniejszyć przez naprężenie wstępne.
Polega ono na przyłożeniu siły osiowej do kulek i rowków wału i nakrętki. Naprężenie wstępne ma na celu zwiększenie sztywności i eliminowanie luzu w zespole śruby kulowej. Wykonywane jest w zakresie od zaledwie 1‒2%, jeśli zastosowanie wymaga tylko niewielkiego skorygowania luzu, aż do 10% i więcej, jeśli konieczna jest bardzo duża sztywność. Trzeba jednocześnie pamiętać o tym, że choć naprężenie wstępne jest czasem korzystne, jest też źródłem dodatkowego obciążenia, które należy uwzględnić, dobierając zespół śruby, silnik i inne powiązane komponenty napędu.
Regulacja naprężenia wstępnego
Istnieje kilka metod regulowania naprężenia wstępnego śrub kulowych. Najpopularniejsze z nich wykorzystują: przewymiarowane kulki w nakrętce, nakrętki o regulowanej średnicy i układ podwójnych nakrętek.
Sposób z wykorzystaniem przewymiarowanych kulek pozwala ustawić naprężenie wstępne z dużą dokładnością. Z drugiej strony sprawdza się zwykle tylko w regulacji naprężeń o 5% a nawet mniej. Mimo to jest to najpopularniejsza metoda, ponieważ można ją stosować dla nakrętek różnego typu i jest stosunkowo tania.
W drugim podejściu naprężenie wstępne zmniejsza albo zwiększa zmiana wewnętrznej średnicy nakrętki. Jest to preferowany sposób, jeżeli naprężenie zmienia się podczas użytkowania zespołu śrubowego i wymagane jest jego skorygowanie, na przykład w celu skompensowania zwiększonego zużycia i/albo luzów innych elementów maszyny. Chociaż ograniczeniem tej metody jest trudność uzyskania naprężenia na określonym poziomie, ważną zaletą jest to, że w przypadku konieczności wymiany nakrętki (na tej samej śrubie) można łatwo ustawić naprężenie wstępne nowej nakrętki na poprzednim poziomie.
W układzie podwójnych nakrętek naprężenie wstępne jest regulowane na jeden z dwóch sposobów: między dwoma nakrętkami lub przez zmianę skoku jednej nakrętki. Pierwsza metoda wykorzystuje sprężynę albo przekładkę, umieszczoną między dwoma nakrętkami połączonymi mechanicznie. W drugim podejściu w bieżni nakrętki wprowadza się przesunięcie skoku, mniej więcej w połowie długości korpusu nakrętki. Staje się ono źródłem naprężenia wstępnego. Chociaż drugi sposób nie wymaga dodatkowych elementów, zmniejsza nośność. Ze względu na większą złożoność i koszty konstrukcje z podwójną nakrętką są z kolei stosowane głównie, gdy wymagane jest duże naprężenie wstępne (7% lub większe).
Śruby kulowe a pociągowe
Konstruktorzy układów napędowych stają często przed dylematem wyboru między śrubą kulową i pociągową. Największą różnicą między tymi dwoma typami jest sposób przenoszenia obciążenia.
W śrubach kulowych w tym celu wykorzystywane są kulki łożyskowe, których obecność ogranicza tarcie, śruby pociągowe natomiast zbudowane są z wału i nakrętki, ale bez mechanizmów tocznych. Wał tych drugich zwykle wykonuje się ze stali węglowej albo nierdzewnej, a nakrętkę z brązu albo tworzywa sztucznego. Tarcie między ślizgającymi się powierzchniami nakrętki i wału pozwala na wytworzenie ruchu. Dlatego śruby pociągowe mają mniejszą sprawność niż śruby kulowe – w przypadku tych drugich typowo wynosi ona 90% i więcej, a pierwszych rzadko przekracza 50%.
Postęp w konstrukcji i materiałach śrub pociągowych sukcesywnie poprawia jednak ich nośność i dokładność pozycjonowania. Dzięki temu coraz częściej wybiera się je nie tylko gdy priorytetem są koszty, a nie precyzja, co dotychczas było ich domeną. Mimo to w pewnych zastosowaniach wciąż śruby kulowe sprawdzają się lepiej.
Śruba kulowa zamiast pociągowej...
Generalnie śruby kulowe mają większą nośność niż pociągowe o porównywalnych rozmiarach z nakrętkami wykonanymi z tworzywa sztucznego. I chociaż te z nakrętkami z brązu mogą przenosić większe obciążenia, wraz z ich wzrostem zwiększa się także tarcie. To oznacza krótszy cykl pracy. Trudniej też jest prognozować ich żywotność niż śrub kulowych, w przypadku których determinuje ją głównie trwałość łożysk.
Wyróżnikiem śrub kulowych wciąż pozostaje dokładność. Choć bowiem w obu typach śrub mogą występować luzy, jak pisaliśmy wyżej, naprężenie wstępne tych z kulkami łożyskowymi może je znacząco zmniejszyć. Jeżeli z kolei chodzi o pociągowe, choć można znaleźć modele z nakrętkami eliminującymi luz, zazwyczaj zwiększają one tarcie i zmniejszają sprawność. Ponadto śruby kulowe pod względem odchylenia skoku są klasyfikowane według międzynarodowych norm, na przykład ISO, zatem wybór modelu o odpowiedniej klasie dokładności jest prosty.
Maksymalna prędkość śrub pociągowych i kulowych jest ograniczona prędkością krytyczną śruby. Jednakże mniejsze tarcie specyficzne dla konstrukcji śrub kulowych oznacza, że wytwarzają one mniej ciepła i dlatego mogą pracować przy dłuższych cyklach pracy niż pociągowe.
…a może odwrotnie?
Wykazana wyżej przewaga śrub kulowych w tak wielu zastosowaniach nie oznacza, że pociągowe trzeba z góry skreślić. Okazuje się bowiem, że ich zależność od ruchu ślizgowego, a nie tocznego, czyni je lepszym wyborem w niektórych zastosowaniach. Może przykładowo zapobiec cofaniu się obciążenia, gdy silnik jest wyłączony. Dzięki temu śruby pociągowe sprawdzą się tam, gdzie występuje ruch pionowy, gdyż mogą zostać wykonane jako samohamowne.
Smarowanie będące koniecznością w przypadku śrub kulowych jest problemem w pomieszczeniach czystych, ponieważ oleje i smary są głównymi źródłami zanieczyszczeń. Dlatego śruby pociągowe, na przykład wykonane ze stali nierdzewnej z samosmarującą nakrętką z tworzywa sztucznego, są preferowane w cleanroomach. Sprawdzają się również tam, gdzie maszyny muszą być myte i dezynfekowane, na przykład w produkcji żywności, a nawet przy całkowitym zanurzeniu w wodzie.
Są także odporne na kurz, pyły, wióry i zanieczyszczenia towarzyszące na przykład obróbce drewna czy papieru i nawet w trudnych warunkach środowiskowych nie wymagają uszczelek. Poza tym pracują ciszej niż śruby kulowe.
Monika Jaworowska
