Una tuerca de bolas giratoria convierte el movimiento giratorio de la tuerca en un recorrido lineal a lo largo de un eje de tornillo que normalmente está fijado contra la rotación. Su función principal es proporcionar un movimiento lineal eficiente y preciso evitando al mismo tiempo la necesidad de girar un eje de tornillo largo o pesado.
Esta disposición es particularmente útil en ejes de carrera larga y alta velocidad, donde la rotación del tornillo podría crear una inercia rotacional excesiva, vibración o latigazo del tornillo. Sin embargo, un sistema de tuerca giratoria requiere un rodamiento, un accionamiento y una estructura de montaje dedicados alrededor de la tuerca.
Las tuercas de bolas que se muestran arriba ilustran estructuras de tuercas comunes. Un sistema completo de tuerca giratoria también requiere una carcasa de cojinete y un mecanismo de accionamiento adecuados.
Cómo funciona una tuerca de bolas giratoria
Un eje de husillo de bolas convencional normalmente hace girar el tornillo evitando que gire la tuerca. Luego, la tuerca se mueve a lo largo del tornillo y transporta la mesa de la máquina u otro componente móvil.
Un sistema de tuerca de bolas giratoria invierte esta disposición. El eje del tornillo se mantiene contra la rotación, mientras que la tuerca de bolas está sostenida por cojinetes y accionada por un motor, una correa de distribución, un engranaje u otra transmisión giratoria. A medida que la tuerca gira, se desplaza a lo largo del tornillo estacionario o produce un movimiento lineal relativo entre el tornillo y la carcasa de la tuerca, dependiendo del diseño de la máquina.
Las bolas circulantes ruedan entre los caminos de rodadura del tornillo y la tuerca, lo que reduce la fricción por deslizamiento y transfiere la carga axial. Una revolución de la tuerca produce un recorrido lineal igual al avance del husillo de bolas.
Por ejemplo, con un avance de 10 mm, una rotación completa produce 10 mm de recorrido lineal teórico:
Recorrido lineal = Número de revoluciones de la tuerca × Avance del husillo de bolas
Comparación de tornillo giratorio y tuerca giratoria
| Característica | Sistema de tornillo giratorio | Sistema de tuerca de bola giratoria |
|---|---|---|
| Componente giratorio | Eje del tornillo | Tuerca de bolas |
| Componente estacionario | Se evita que la tuerca de bolas gire | Se impide que el tornillo gire |
| Conexión de unidad típica | Motor conectado al extremo del tornillo | Motor o transmisión por correa conectado a la carcasa de la tuerca. |
| Limitación de velocidad del eje largo | Afectado por la velocidad crítica del tornillo y el látigo. | El tornillo no gira, lo que reduce los problemas de latigazo del tornillo. |
| Estructura de accionamiento | Generalmente más simple | Requiere cojinetes de tuerca y una carcasa giratoria dedicada |
Reducción del látigo del tornillo en ejes largos
Cuando el eje de un tornillo largo gira, la fuerza centrífuga puede hacer que se doble fuera de su centro de rotación. Este comportamiento se denomina comúnmente látigo de tornillo. La velocidad de rotación permitida disminuye a medida que aumenta la longitud del tornillo sin soporte.
Si el tornillo opera cerca o por encima de su velocidad crítica, el eje puede experimentar vibración, ruido, inestabilidad de posicionamiento y daños a los cojinetes de soporte del tornillo. Aumentar el diámetro del tornillo o agregar soportes intermedios puede ayudar, pero estos cambios pueden aumentar el tamaño y la complejidad del sistema.
Una tuerca giratoria mantiene estacionario el eje largo del tornillo. Esto elimina la rotación del tornillo como fuente directa de vibración de velocidad crítica, lo que hace que la disposición sea útil para ciertos ejes de largo recorrido que deben operar a velocidades lineales relativamente altas.
El sistema no está exento de limitaciones de velocidad. Aún deben evaluarse las revoluciones admisibles de la tuerca, la capacidad de circulación de las bolas, el rendimiento del lubricante, la velocidad del rodamiento y el valor DN.
Reducir la inercia rotacional
Un eje de tornillo largo puede tener una inercia rotacional sustancial. El motor debe acelerar y desacelerar todo el eje durante cada movimiento, lo que puede aumentar el par motor requerido y reducir la respuesta del eje.
En un sistema de tuerca giratoria, sólo giran el conjunto de tuerca, sus cojinetes de soporte y los componentes de accionamiento conectados. Dependiendo de las dimensiones y la disposición, esto puede reducir la inercia giratoria y mejorar el rendimiento de aceleración y desaceleración.
La ventaja real debe confirmarse mediante cálculos. Un conjunto grande de alojamiento de tuerca giratoria, polea y cojinete también puede tener una inercia considerable, por lo que el diseño no debe seleccionarse únicamente sobre la base de una suposición general.
Transmisión de carga axial de manera eficiente
Al igual que un husillo de bolas convencional, una tuerca de bolas giratoria utiliza un contacto rodante entre las bolas y las pistas de rodadura helicoidales. Esto proporciona una menor fricción y una mayor eficiencia mecánica que un tornillo deslizante comparable.
La tuerca transmite fuerza axial entre el tornillo estacionario y el conjunto móvil. Su capacidad de carga depende del diámetro del tornillo, el avance, el tamaño de la bola, el número de circuitos cargados, la geometría de la pista de rodadura y la precarga, no simplemente de si la tuerca gira.
Una disposición de tuerca giratoria no aumenta automáticamente la carga nominal del husillo de bolas. La tuerca y el tornillo seleccionados aún deben cumplir con los cálculos requeridos de carga dinámica, carga estática, rigidez y vida útil.
Mantener la precisión del posicionamiento
La precisión de posicionamiento de todo el eje está influenciada por la precisión del avance del tornillo, el juego axial, la precarga, la rigidez del soporte, la alineación del montaje, la expansión térmica y la retroalimentación del sistema de control.
La precarga puede reducir el juego axial y mejorar la rigidez, pero la precarga excesiva aumenta el par de fricción, la temperatura y el desgaste. Leer más sobreprecarga en una tuerca de bolas giratoria.
También son importantes los cojinetes soporte-tuerca. Deben controlar el movimiento radial y axial mientras permiten que la tuerca gire suavemente. La holgura o la deformación en esta disposición de rodamientos pueden reducir el rendimiento de posicionamiento de todo el eje.
Partes clave de un conjunto de tuerca giratoria
Un mecanismo completo de tuerca giratoria normalmente incluye más que una tuerca de bolas y un eje de tornillo:
- Un eje de husillo de bolas fijado contra la rotación.
- Una tuerca de bolas adecuada para la carga, el avance y la velocidad requeridos
- Una carcasa de tuerca rígida
- Rodamientos de soporte radial y axial alrededor de la tuerca.
- Un motor, acoplamiento, correa de distribución o transmisión por engranajes.
- Un método de suministro o mantenimiento de lubricación.
- Un mecanismo para evitar que el tornillo gire.
- Guías lineales para soportar y restringir la carga en movimiento.
El husillo de bolas debe transmitir movimiento axial en lugar de soportar cargas radiales o de vuelco desde la mesa de la máquina. Estas cargas deben estar soportadas por guías lineales correctamente instaladas.
¿Cuándo vale la pena considerar una tuerca de bolas giratoria?
Se puede considerar un diseño de tuerca de bolas giratoria cuando:
- El recorrido requerido es lo suficientemente largo como para que la velocidad crítica del tornillo se convierta en una limitación.
- El eje requiere una alta velocidad lineal en un recorrido largo
- La inercia giratoria de un tornillo largo limitaría la aceleración
- El diseño de la máquina permite disponer el motor y los rodamientos alrededor de la tuerca.
- La estructura adicional de soporte de tuercas se puede instalar y mantener de forma fiable
Puede que no sea la mejor opción cuando el recorrido es corto, la velocidad de operación es moderada o la máquina requiere la estructura de transmisión más simple posible. En esos casos, una disposición convencional de tornillo giratorio puede ser más práctica y económica.
Información de selección requerida
Antes de seleccionar un husillo de bolas para un sistema de tuerca giratoria, confirme:
- Carrera requerida y longitud total del tornillo
- Diámetro y paso del tornillo
- Velocidad lineal máxima y aceleración.
- Carga axial y orientación de montaje.
- Precisión de posicionamiento y repetibilidad requeridas
- Ciclo de trabajo esperado y vida útil
- Requisitos de precarga y rigidez axial.
- Lubricación y entorno operativo.
- Espacio disponible para la carcasa de la tuerca, los rodamientos y la transmisión.
Los entornos especiales requieren una evaluación adicional. Por ejemplo, revise los requisitos de lubricación, materiales y limpieza antes de usar unTuerca de bolas giratoria en un entorno de vacío..
Conclusión
La función principal de una tuerca de bolas giratoria es convertir la rotación de la tuerca en movimiento lineal mientras se mantiene estacionario el eje del tornillo. Esta disposición puede reducir las limitaciones del látigo del tornillo y la inercia rotacional en ejes de alta velocidad y carrera larga.
Sin embargo, una tuerca giratoria es parte de un sistema mecánico completo y no un reemplazo directo que pueda instalarse sin necesidad de rediseñar. Los cojinetes de soporte de tuerca, la carcasa, la conexión de transmisión, la lubricación, la alineación y la sujeción del tornillo deben estar diseñados para la velocidad, carga y precisión requeridas.
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