Kuulkruvi

Kuulkruvi detailvaade

Kuulkruvi visualiseeritud tööpõhimõte

Kuulkruvi on keermesülekande alamliik, mille ülesanne on muuta pöördliikumine kulgliikumiseks. Masinaehituses on kuulkruvid üks alternatiive traditsioonilistele käigukruvidele. Kuulagregaat käitub sellises koostus mutrina ja keermelatt kruvina. Energiat kannavad kuullaagri kuulid, mis liiguvad keermestatud lati soontes.

Tehnilise lahenduse järgi eristatakse eelkoormatud ehk lõtkuta mehhanisme ja koormamata ehk lõtkuga mehhanisme.

Kuulkruvid on kasutusel paljudes jõuülekande mehhanismides, kus kontrollmehhanismid ei ole otseses mehaanilises kontaktis täiturmehhanismidega, nagu näiteks hüdrauliliselt kontrollitavad juhtpinnad lennundustehnikas. Samuti kasutatakse neid palju tööstuses tootmistehnikas, nagu APJ tööpinkides telgede kontrollimiseks ja robootikas.

Puudused

Väikese hõõrdetakistuse tõttu ja sõltuvalt keerme juhtnurgast võib kuulkruvi juhitava mehhanismi mõjul tagasi vajuda, mistõttu ei sobi kuulkruvid tavatööpinkidele ja -tööriistadele. Ehituselt on need mahukamad kui traditsioonilised käigukruvid, kuna vajavad mehhanismi kuulide tagastuseks. Samuti vajab kuulmehhanism tihendamist väliskeskkonna eest, kuna saastumine tekitab süsteemis hõõrdumist, mis omakorda põhjustab kulumist ja lühendab eluiga. Nad on ka käigukruvidest oluliselt kallimad, kuna nende tootmine on keerukam ja töömahukam.

Eelised

Selle süsteemi suur eelis on väga väike hõõrdetegur, mis soodustab mehhanismi pikka eluiga ja aitab tagada, et töö käigus ei teki suurt müra. Kui traditsioonilise käigukruvi teoreetiline kasutegur on kuni 90% ja praktikas 20–40%^[1], siis kuulkruvid on loodud eesmärgiga saavutada üle 90% efektiivsus.^[2] Tööstuses aitab väike hõõrdetegur energiat kokku hoida ning ka hoolduse ja remondi arvelt säästa. Ühtlasi vajavad kuulmehhanismid vähem määrimist. Kuna kuulkruvi hooldusvajadus on väike, aitab see vältida ja lühendada tootmisseisakuid. Lõtkude puudumine kuulkruvides on suureks eeliseks täppismehhanismides. Lisaks taluvad nad väga suuri teljesuunalisi koormuseid.

Tootmine ja täpsus

Traditsioonilisi kuulkruve toodetakse valtsimise teel. Selline kruvi on mehaaniliselt vähem efektiivne ja väiksema täpsusastmega, aga oluliselt odavam. Kõrgendatud täpsusega latid lõigatakse töötlusvaruga mõõtu, tõstetakse termotöötluse abil pindmise kihi kõvadust ja seejärel lihvitakse nimimõõtu. Selline protsess aitab vähendada kõrgtemperatuurilisest töötlusest tingitud sisemisi moonutusi.

Kõige suurema täpsusega kruvid lõiketöödeldakse spetsiaalsetes täppistööpinkides. Materjalina on kasutusel spetsiaalne raua ja nikli sulam FeNi36 (tuntud kui InVar), mis on väga heade termostabiilsusnäitajatega.

Kuulkruvide täpsust hinnatakse kahanevalt täpsusklassides C0-C10^[3]. Kuulkruvide detailide tootmiseks on kasutusel ISO 286-1:2010 standardi järgi täpsusklasse IT0, IT1, IT3, IT5, IT7 ja IT10. Lõtkuta kuulkruvid toodetakse ISO standardi järgi tolerantsijärgus IT0-IT05, lõtkuga kuulmehhanismid aga järgus IT05 ja IT07.^[4]

Keermeprofiil ja eelkoormus

Selleks, et saavutada kuulide eesmärgipärane töö, peab kuul olema üheaegselt kontaktis nii mutri ehk kuulimehhanismi keermega kui ka kruvi keermega. Enamik kuulkruve on ehitatud nii, et neile on rakendatud kerge eelkoormus nii, et kuul on üheaegselt kontaktis nelja erineva punktiga, millest kaks kuuluvad mutrile ja kaks kruvile. Eelkoormuse saavutamiseks on kaks põhilist meetodit: laagrikuulid toodetakse suurema diameetriga kui kruvisoon või kruvisoone diameeter ületab kuuli diameetri ja asetseb kuuli suhtes nihke all.

Soone profiil on kaarjas, tagamaks teljesuunalise koormuse ühtlase jaotuse. Soone vastavuseks nimetatakse kuuli ja soone raadiuse omavahelist suhet, seajuures vastavustegur 0,5 tähendab, et kuuli ja soone profiilid kattuvad ideaalselt. See on ühest küljest soovitav, kuna tagab suurima koormustaluvuse, aga teisalt põhjustab liigset libisemist kuuli ja soone vahel, mis tähendab, et seda täppismehhanismides kasutada ei saa. Optimaalne vastavustegur on vahemikus 0,52–0,56, optimaalne kontaktnurk on 45°. Kui sooneprofiil on ühtlase raadiusega poolkaar, liiguvad kuulid ainult soone ühel poolel. See ühtlasi tähendab, et kuulid peavad olema väiksemad kui sooneraadius, mis omakorda tähendab, et seda keeret pole suuremate kuulidega võimalik eelkoormata. Selline mehhanism põhjustab ka vastavusteguri 0,5. Eelkoormust on võimalik sellisel keermel saavutada vaid nihkega mutri ja lati keerme vahel, kasutades topeltmutrit. Nihked võib disainida otse soonde teravkaare ehk nn gootikaare profiili abil, mille puhul on soonel kaks erinevat, nihkes tsentritega raadiust. Selline geomeetria lubab kuulil olla kontaktis samaaegselt soone mõlema küljega, mis tagab 0,5-st suurema vastavusteguri. Sellise profiiliga on võimalik saavutada nii nelja punkti eelkoormust, kasutades suurema diameetriga kuule, või kahe punkti eelkoormust, kasutades nihet.^[5][6]

Viited

1. Richard Crowder (2020). Electric Drives and Electromechanical Systems (Second Edition). School of Electronics and Computer Science, University of Southampton, Southampton, United Kingdom: Elsevier ltd. Lk 82.
2. Chang-Guang Zhou, Hu-Tian Feng, Yi Ou (20. september 2018). "A new model for predicting the mechanical efficiency of ball screws based on the empirical equations for the friction torque of rolling bearings". Sage Journals. Vaadatud 24.12.2021.
3. "Accuracy of the Ball Screw" (PDF). THK.com. Vaadatud 24.02.2021.
4. "Ball screws — Part 1: Vocabulary and designation". iso.org. Juuni 2006. Vaadatud 24.02.2021.
5. Miles Budimir (11. detsember 2003). "Ball screw basics". machinedesign.com. Vaadatud 24.02.2021.
6. Huaxi Zhou, Changguang Zhou, Yi Ou, Zeng-Tao Chen (13. juuli 2019). "Recalculation of the basic static load of ball screws". Sage Journals. Vaadatud 24.02.2021.