Kuularuuvin karakterisointi : kriittisten arvojen laskenta ja kitkan mittaus

Abstract

Kuularuuvien yli satavuotisen historian aikana teoriaa aiheesta on kertynyt paljon. Tässä opinnäytetyössä tietoa on sovellettu käytetyn kuularuuvikäyttöisen toimilaitteen ja erityisesti sen kuularuuvin ominaisuuksien tutkimisessa.

Uuden kuularuuvin valintaa ohjaavat ensisijaisesti haluttu tarkkuus, liikeprofiili ja kuormitus. Niiden avulla määritellään kuularuuvisysteemin ominaisuudet, muun muassa kuularuuvin mitat, nopeus ja tuentatapa, kuulien palautustapa kuulamutterissa, esijännitys ja kriittiset raja-arvot.

Kahteen kriittiseen raja-arvoon tutustuttiin tarkemmin. Ensimmäinen on sallittu aksiaalinen voima. Sen selvittämisellä pyritään ehkäisemään tilanne, jossa kuularuuvi voi nurjahtaa kuormituksen aiheuttaman puristusjännityksen vuoksi. Toinen raja-arvo on kriittinen nopeus, jonka laskennalla pyritään rajaamaan kuularuuvin pyörimisnopeusalue sellaiseksi, että pyörimistaajuus ja kuularuuvin luonnollinen värähtelytaajuus eivät pääsisi resonoimaan. Tämä voi aiheuttaa kuularuuvisysteemin tai sen komponenttien käyttökelvottomuuden.

Oikein toteutettu voitelu on kuularuuvien toiminnan kannalta välttämätön ja vaatii niin voiteluaineen kuin ympäristön puhtauden hallintaa. Riittämätön voitelu aiheuttaa lisääntyneen kitkan myötä lämmönhallintaongelmia ja ennenaikaista kulumista.

Kitkamittauskokeessa tutkittiin yksittäisten komponenttien kitkaominaisuuksien sijaan kaikkien toimilaitteen liikettä vastustavien voimien yhteisvaikutusta vääntömomentin tarpeeseen. Koe suoritettiin kahdella eri kuormituksella molempiin suuntiin ja usealla eri pyörimisnopeudella. Kokeen aikana havaittiin myös kuularuuvin kriittinen nopeus ja sen aiheuttama värähtely niin käytännössä kuin koeajoista muodostetuissa kuvaajissakin.

Tulosten perusteella voidaan todeta, että laskennallinen kriittinen nopeus vastaa käytännön havaintoja ja sallittu aksiaalinen kuormitus riittää hyvin laboratoriokäyttöön. Käytetylle kuularuuville on voitu määrittää toiminnallinen käyttöalue raja-arvoineen, joiden avulla toimilaitteen jatkokäyttöä voidaan suunnitella. Lisäksi havaitut puutteet voitelussa ja suojauksessa on korjattava niin, että kuularuuvin toimintakyky säilyy hyvänä mahdollisimman pitkään.

Over the more than a century of ball screws history, a great deal of theory has been gained about the subject. Some of it was applied in this research of the used ball screw driven actuator and its properties.

Selection of ball screws is mainly directed by desired precision, profile of movement and load. Through these definitions a screw system will be further specified by screw dimensions, speed, support of the screw, ball nut design, preload, and critical values to mention a few.

A closer look at two critical values was done in this study. The first one is the permissible axial load. It is used to prevent a situation where buckling of a ball screw is imminent due to compressive stress. The second critical value is the critical speed. It is used to set the maximum rotational speed for a ball screw so that the frequency of rotation cannot resonate with the natural vibrating frequency of the ball screw. If this occurs, it can result in a defective ball screw system or damage its components.

A well implemented lubrication is essential to ball screws and includes also the control of cleanness both in lubricative substance and in environment. Inadequate lubrication causes thermal issues and abnormal wear due to increased friction.

In a friction measuring test, the combined effect of all resisting forces was investigated rather than the friction in a single component. The test was conducted with two different loads in both directions and at many speeds. During the test the critical speed of the ball screw and resulting vibration were observed in practice as well as in test curves formed from the results.

The calculated value of the critical speed matches with practical observations and the permissible axial load is sufficient for laboratory use. For the ball screw under research, the usable area of function and its limits were defined. The results are beneficial in planning future applications of the ball screw driven actuator. Furthermore, noticed defects in lubrication and in covering are to be fixed in a way that the ball screw remains functional as long as possible.