Kulskruv

För muskötverktyget, se Musköt .

Foto som visar två kulskruvar. Infällda bilder är närbilder av kulenheten på den övre skruven. Vänster infälld: recirkulationsrör borttaget och visar hållarfäste, lösa kulor och rör. Höger infälld: närmare bild av mutterhåligheten.

En kulskruv (eller kulskruv ) är ett mekaniskt linjärt manöverdon som översätter rotationsrörelse till linjär rörelse med liten friktion . En gängad axel ger en spiralformad löpbana för kullager som fungerar som en precisionsskruv. Förutom att de kan applicera eller motstå höga dragkrafter, kan de göra det med minimal inre friktion. De är gjorda med snäva toleranser och är därför lämpliga för användning i situationer där hög precision är nödvändig. Kulenheten fungerar som muttern medan den gängade axeln är skruven. I motsats till konventionella ledningsskruvar tenderar kulskruvar att vara ganska skrymmande, på grund av behovet av att ha en mekanism för att återcirkulera kulorna.

En annan form av linjärt manöverdon baserat på en roterande stång är den gänglösa kulskruven, alias "rullande ringdrivning". I denna design är tre (eller flera) rullningslager anordnade symmetriskt i ett hus som omger en slät (gänglös) manöverstång eller axel. Lagren är inställda i en vinkel mot stången, och denna vinkel bestämmer riktningen och hastigheten för linjär rörelse per varv av stången. En fördel med denna design jämfört med den konventionella kulskruven eller ledskruven är den praktiska elimineringen av spel och belastning orsakad av förspänningsmuttrar.

Ansökningar

Kulskruvar används i flygplan och missiler för att flytta kontrollytor, speciellt för elektriska flyg-by-wire , och i servostyrning för bilar för att översätta roterande rörelse från en elektrisk motor till axiell rörelse av styrstången. De används också i verktygsmaskiner , robotar och precisionsmonteringsutrustning. Kulskruvar med hög precision används i stegmaskiner för halvledartillverkning .

Historia

Kulskruven uppfanns oberoende av HM Stevenson och D. Glenn som utfärdades i 1898 patent 601,451 respektive 610,044.

Tidiga exakta skruvaxlar producerades genom att man började med en lågprecisionsskruvaxel och sedan överlappade axeln med flera fjäderbelastade mutterlappar [ . Genom att omarrangera och vända muttervarven beräknades medelvärdet för muttrarnas och axelns längdfel. Sedan mäts den mycket repeterbara axelns stigning mot en avståndsstandard. En liknande process används ibland idag för att tillverka referensstandardskruvaxlar, eller mastertillverkningsskruvaxlar.

En kulskruv används för att expandera strukturen för Deployable Tower Assembly (DTA) på James Webb Space Telescope .

Beskrivning och funktion

För att behålla sin inneboende noggrannhet och säkerställa lång livslängd krävs stor försiktighet för att undvika kontaminering med smuts och slipande partiklar. Detta kan uppnås genom att använda gummi- eller läderbälgar för att helt eller delvis omsluta arbetsytorna. En annan lösning är att använda ett positivt tryck av filtrerad luft när de används i en halvförseglad eller öppen kapsling.

Samtidigt som de minskar friktionen kan kulskruvar arbeta med viss förspänning, vilket effektivt eliminerar glapp (slop) mellan ingång (rotation) och utgång ( linjär rörelse ). Denna funktion är viktig när de används i datorstyrda rörelsekontrollsystem, t.ex. CNC -verktygsmaskiner och högprecisionsapplikationer för rörelser (t.ex. trådbindning) .

Fördelar

Låg friktion i kulskruvar ger hög mekanisk effektivitet jämfört med alternativ. En typisk kulskruv kan vara 90 procent effektiv, jämfört med 20 till 25 procent effektivitet för en Acme blyskruv av samma storlek. Brist på glidfriktion mellan mutter och skruv ger en förlängd livslängd för skruvenheten (särskilt i system utan glapp), vilket minskar stilleståndstiden för underhåll och byte av delar, samtidigt som efterfrågan på smörjning minskar. Detta, i kombination med deras övergripande prestandafördelar och minskade effektbehov, kan kompensera för de initiala kostnaderna för att använda kulskruvar.

Kulskruvar kan också minska eller eliminera glapp som är vanligt i kombinationer av blyskruv och mutter. Kulorna kan vara förspända så att det inte blir någon "vickling" mellan kulskruven och kulmuttern. Detta är särskilt önskvärt i applikationer där belastningen på skruven varierar snabbt, såsom verktygsmaskiner.

Nackdelar

Beroende på deras ledningsvinkel kan kulskruvar drivas tillbaka på grund av deras låga inre friktion (dvs skruvaxeln kan drivas linjärt för att rotera kulmuttern). De är vanligtvis oönskade för handmatade verktygsmaskiner , eftersom styvheten hos en servomotor krävs för att hålla fräsen från att ta tag i arbetet och självmata, det vill säga när fräsen och arbetsstycket överskrider den optimala matningshastigheten och effektivt klämmer eller kraschar ihop , förstör fräsen och arbetsstycket. Kostnaden är också en viktig faktor då Acme- skruvar är billigare att tillverka.

Tillverkning

Kulskruvaxlar kan tillverkas genom rullning, vilket ger en mindre exakt, men billig och mekaniskt effektiv produkt. Rullade kulskruvar har en positionsprecision på flera tusendelar av en tum per fot.

Noggrannhet

Högprecisionsskruvaxlar är vanligtvis exakta till en tusendels tum per fot (830 nanometer per centimeter) eller bättre. De har historiskt bearbetats till grov form, härdat och sedan slipats. Trestegsprocessen behövs eftersom högtemperaturbearbetning förvränger arbetsstycket. Hård virvling är en ny (2008) precisionsbearbetningsteknik som minimerar uppvärmningen av arbetet och kan producera precisionsskruvar från härdat stångmaterial.

Skruvaxlar av instrumentkvalitet är vanligtvis exakta till 250 nanometer per centimeter. De tillverkas på precisionsfräsmaskiner med optisk avståndsmätutrustning och specialverktyg. Liknande maskiner används för att tillverka optiska linser och speglar. Instrumentskruvaxlar är vanligtvis gjorda av Invar , för att förhindra att temperaturen ändrar toleranserna för mycket.

Kulskruvar klassificeras med "noggrannhetsgrader" från C0 (mest exakt) till C10.

Ballretursystem

De cirkulerande kulorna rör sig inuti skruvens och mutterns gängade form, och kulorna återcirkuleras genom olika typer av returmekanismer. Om kulmuttern inte hade en returmekanism skulle kulorna falla ut ur kulmutterns ände när de nådde slutet av muttern. Av denna anledning har flera olika återcirkulationsmetoder utvecklats.

En extern kulnöt använder ett stämplat rör som plockar upp bollar från löpbanan med hjälp av ett litet upptagningsfinger. Kulor rör sig inuti röret och sätts sedan tillbaka i gängans löpbana.

En invändig knappkulmutter använder en bearbetad eller gjuten knappstil retur som gör att bollar kan lämna löpbanan och flytta en tråd och sedan gå in i löpbanan igen.

En ändlocks returkulmutter använder ett lock på änden av kulmuttern. Locket är bearbetat för att plocka upp kulor som kommer ut ur änden av muttern och rikta dem ner i hål som borras i tvärriktningen ner i kulmuttern. Komplementkåpan på andra sidan av muttern leder bollarna tillbaka in i löpbanan.

De återvändande kulorna är inte under betydande mekanisk belastning och returbanan kan innehålla formsprutade lågfriktionsplastdelar .

Trådprofil

För att erhålla korrekt rullande verkan av kulorna, som i ett standardkullager, är det nödvändigt att kulan, när den är belastad i en riktning, kommer i kontakt med en punkt med muttern och en punkt med skruven. I praktiken är de flesta kulskruvar konstruerade för att vara lätt förspända, så att det blir åtminstone en liten belastning på kulan vid fyra punkter, två i kontakt med muttern och två i kontakt med skruven. Detta åstadkoms genom att använda en gängprofil som har en något större radie än kulan, varvid skillnaden i radier hålls liten (t.ex. är en enkel V-gänga med plana ytor olämplig) så att elastisk deformation runt kontaktpunkten tillåter en liten, men kontaktyta som inte är noll erhålls, som alla andra rullager. För detta ändamål är trådarna vanligtvis bearbetade som en "gothic arch"-profil. Om en enkel halvcirkelformad gängprofil användes, skulle kontakten endast ske vid två punkter, på de yttre och inre kanterna, vilket inte skulle motstå axiell belastning.

Förladdning

För att ta bort glapp och erhålla optimal styvhet och slitageegenskaper för en given applikation, appliceras vanligtvis en kontrollerad mängd förspänning. Detta åstadkoms i vissa fall genom att bearbeta komponenterna så att kulorna sitter "tight" när de monteras, men detta ger dålig kontroll över förspänningen och kan inte justeras för att tillåta slitage. Det är vanligare att designa kulmuttern som två separata muttrar som är tätt sammankopplade mekaniskt, med justering genom att antingen rotera en mutter i förhållande till den andra, så att en relativ axiell förskjutning skapas, eller genom att hålla båda muttrarna tätt ihop axiellt och roterande. den ena i förhållande till den andra, så att dess uppsättning kulor förskjuts axiellt för att skapa förspänningen.

Ekvationer

$T={\frac {Fl}{2\pi \nu }}$

med den roterande ingången drivning på konventionellt sätt, eller

$F={\frac {2\pi \nu T}{l}}$

om den linjära kraften driver systemet tillbaka

Där ${\mathit {T}}$ är vridmoment som appliceras på skruv eller mutter, ${\mathit {F}}$ är linjär kraft som appliceras, ${\mathit {l}}$ är kulskruvsledning och $\nu$ är kulskruvseffektivitet.

Val av standard som ska användas är en överenskommelse mellan leverantören och användaren och har viss betydelse i utformningen av skruven. I USA har ASME utvecklat standarden B5.48-1977 med titeln "Ball Screws".

Spårkurvatur

Den korrekta utvärderingen av krökningarna av kulskruvsspår gör det möjligt att noggrant utforma de konstruktiva parametrarna för denna mekanism och förbättra dess prestanda. Den formulering som vanligtvis används i litteraturen hänvisar till kullagrets geometri, och ignorerar formen på sektionens profil och spiralvinkeln.

I synnerhet beräknas den första principiella krökningen som

$$\kappa _{1s}={\frac {\cos(\varphi )}{r_{m}-r_{b} \cos(\varphi )}}$$

för skruvaxelns spår, och som

$$\kappa _{1n}=-{\frac {\cos(\varphi )}{r_{m}+r_{ b}\cos(\varphi )}}$$

för mutterspåret, där φ är kontaktvinkeln, $r_{m}$ är stigningscirkelns radie och $r_{b}$ är kulradien.

Den andra huvudsakliga krökningen är helt enkelt

$$\kappa _{2s}=-{\frac {1}{2f_{s}r_{b}}}$$

för skruvaxelns spår och

$$\kappa _{2n}=-{\frac {1}{2f_{n}r_{b}}}$$

för mutterspåret, där $f_{s}$ och $f_{n}$ är respektive överensstämmelsefaktorer för skruvaxelns och mutterns spårprofiler.

Dessa formuleringar tar inte hänsyn till formen på spårprofilerna och närvaron av spiralvinkeln: nyare publikationer fann den exakta lösningen för krökningen av spåren på skruvaxeln och muttern. En ny forskning föreslår en ny formulering som approximerar de verkliga krökningsvärdena med ett maximalt relativfel på cirka 0,5 %.

Därför är en mycket mer exakt formel för den första huvudsakliga krökningen av skruvaxelns spår

$$\kappa _{1s}={\frac {\cos( \varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}{r_{m}-r_{b}\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}}$$

och

$$\kappa _{1n}=-{\frac {\ cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e})}{r_{m}+r_{b}\cos(\varphi )\cos ^{2}(\alpha _{e}) }}$$

för mutterspåret, där $\alpha _{e}=\arctan \left({\frac {l}{2\pi r_{m}}}\ höger)$ är spiralvinkeln.

Se även

• Kulspline – Typ av linjärt rörelselager som kan överföra vridmoment
• Jackskruv – Mekanisk lyftanordning som manövreras genom att vrida en ledskruv
• Blyskruv – Skruv som används som länk i en mekanism
• Linjärt ställdon – Ställdon som skapar rörelse i en rak linje
• Linjärrörelselager – Mekaniskt lager utformat för att ge fri rörelse i en riktning
• Återcirkulerande kula – Styrmekanism för fordon
• Rullskruv – Lågfriktionsprecisionsskruvtyp manöverdon