Un albero lineare non ha un coefficiente di attrito indipendente. L'attrito viene creato dal sistema di contatto completo: superficie dell'albero, cuscinetto lineare o boccola liscia, elementi volventi, guarnizioni, lubrificante, gioco, carico, allineamento, velocità e temperatura.
Quando si utilizza un albero lineare temprato con un manicotto lineare a ricircolo di sfere, le sfere rotolano tra l'albero e le piste del cuscinetto. In condizioni operative normali, un coefficiente di attrito rappresentativo è approssimativamente0,001–0,003. Tuttavia, questa gamma a livello di catalogo non include tutte le fonti di resistenza in una macchina installata.
Risposta diretta:Per un manicotto a sfere lineare lubrificato che scorre su un albero di precisione adatto, per una stima iniziale è possibile utilizzare un coefficiente di attrito attorno a 0,001–0,003. La forza motrice effettiva deve essere calcolata dall'attrito del cuscinetto più la resistenza della tenuta e quindi verificata sull'asse assemblato.
Perché l'albero da solo non ha un coefficiente di attrito fisso
Lo stesso albero lineare può produrre attriti molto diversi a seconda del componente che si muove su di esso.
Ad esempio, un albero in acciaio temprato può essere utilizzato con:
- Un manicotto lineare a ricircolo di sfere
- Un cuscinetto in polimero
- Un cuscinetto a manicotto in bronzo o composito
- Una guarnizione in feltro o elastomero
- Un carrello scorrevole personalizzato
Ciascuna disposizione ha un meccanismo di contatto diverso. Una boccola a sfere produce principalmente resistenza al rotolamento, mentre una boccola liscia produce attrito radente su un'area di contatto più ampia.
Pertanto, la domanda ingegneristica corretta non è:
"Qual è il coefficiente di attrito di questo albero lineare?"
È:
"Qual è la resistenza all'attrito di questa combinazione di albero, cuscinetto, guarnizione, lubrificante e carico?"
Valori di attrito rappresentativi per tipo di guida
| Tipo di movimento lineare | Metodo di contatto | Informazioni rappresentative sull'attrito | Limitazione importante |
|---|---|---|---|
| Boccola a sfere lineare | Sfere rotanti a ricircolo su albero cilindrico | Circa μ = 0,001–0,003 in condizioni normali rappresentative | Guarnizioni, grasso, precarico, carico basso e disallineamento possono aumentare la resistenza totale |
| Boccola liscia in polimero | Contatto scorrevole tra rivestimento polimerico e albero | Utilizzare il valore specifico del produttore del cuscinetto per il materiale dell'albero selezionato, il carico, la velocità e le condizioni di lubrificazione | Il valore può variare in base alla pressione, alla temperatura, all'usura, all'umidità e alla finitura superficiale |
| Boccola liscia in bronzo o composito | Contatto strisciante con olio, grasso, lubrificante incorporato o materiale funzionante a secco | Utilizza dati di attrito statico e dinamico specifici del fornitore | Il regime di lubrificazione e la pressione superficiale influiscono fortemente sul risultato |
| Cuscinetto lineare sigillato | Contatto volvente più labbri di tenuta striscianti | L'attrito del cuscinetto può essere basso, ma la resistenza della tenuta può prevalere con carichi leggeri | Non stimare la spinta totale solo da μ |
L'intervallo 0,001–0,003 deve essere trattato come un valore rappresentativo per un manicotto a sfere lineare, non un valore garantito per ogni gruppo di albero lineare.
Un catalogo specifico può definire il suo coefficiente in condizioni quali:
- Gioco radiale normale
- Nessun precarico aggiuntivo
- Una percentuale particolare del coefficiente di carico dinamico
- Lubrificazione ad olio o grasso
- Nessuna contaminazione esterna
- Tolleranza e allineamento corretti dell'albero
Come calcolare la resistenza di attrito del cuscinetto lineare
Per un calcolo iniziale, la spinta richiesta può essere stimata utilizzando:
F = μW + f
F = resistenza all'attrito; μ = coefficiente di attrito dinamico; W = carico radiale applicato; f = tenuta e altra resistenza approssimativamente costante
Questa equazione separa due diverse fonti di resistenza:
- Resistenza al rotolamento dipendente dal carico:approssimativamente proporzionale al carico radiale applicato
- Resistenza alla tenuta e al lubrificante:può rimanere significativo anche quando il carico esterno è piccolo
Esempio di calcolo
Supponiamo che un carrello utilizzi manicotti lineari a sfere con:
- Carico radiale totale W = 1.000 N
- Coefficiente di attrito dinamico stimato μ = 0,002
- Tenuta combinata e resistenza ausiliaria f = 4 N
F = 0,002 × 1.000 + 4
F = 2 + 4
F = 6N
In questo esempio, la resistenza al rotolamento calcolata è di soli 2 N, mentre la tenuta e la resistenza ausiliaria contribuiscono con 4 N. Ciò dimostra perché il solo coefficiente di attrito può sottostimare la spinta del motore per un sistema sigillato con carico leggero.
La selezione della trasmissione finale dovrebbe includere anche:
- Forza di accelerazione
- Forza del processo
- Resistenza alle catene portacavi
- Efficienza di viti a ricircolo di sfere, cinghie o riduttori
- Gravità su asse verticale o inclinato
- Un adeguato margine di sicurezza
L'attrito statico e l'attrito dinamico sono diversi
L'attrito statico determina la forza necessaria per iniziare il movimento. L'attrito dinamico descrive la resistenza dopo che il carrello è già in movimento.
In un cuscinetto lineare volvente installato correttamente, la differenza tra la resistenza all'avviamento e quella al funzionamento è normalmente piccola. Questo è uno dei motivi per cui i manicotti lineari a sfere possono fornire un movimento fluido a bassa velocità senza il pronunciato comportamento stick-slip associato ad alcune guide di scorrimento.
Tuttavia, la forza di distacco può ancora aumentare a causa di:
- Guarnizioni a contatto ferme da molto tempo
- Grasso ad alta viscosità o bassa temperatura
- Lubrificante in eccesso all'interno del cuscinetto
- Corrosione sull'albero
- Contaminazione sotto il labbro di tenuta
- Compressione errata del cuscinetto all'interno dell'alloggiamento
- Disallineamento dell'albero o sollecitazioni di montaggio
Per le applicazioni di posizionamento, è necessario misurare sia la forza di distacco che la forza di funzionamento costante. Un carrello può avere una resistenza allo scorrimento accettabile ma richiedere comunque una forza eccessiva per avviarsi dopo una lunga sosta.
In che modo la finitura superficiale dell'albero influisce sull'attrito
La superficie dell'albero è la pista di rotolamento per un manicotto a sfere lineare e la superficie di scorrimento per un manicotto liscio. La qualità della superficie influisce quindi sulla resistenza, sull'usura delle guarnizioni, sulla ritenzione del lubrificante, sul rumore e sulla durata.
Un albero grezzo può:
- Aumentare la resistenza della tenuta
- Danneggiare la superficie di contatto della sfera o della boccola
- Rimuovere il lubrificante dalla zona di contatto
- Accelerare l'usura
- Produrre una resistenza alla corsa incoerente
Tuttavia, "più liscio, meglio è" non è una regola completa. La superficie deve inoltre avere la geometria, la durezza, la struttura e la compatibilità con i lubrificanti corrette. Un processo di lucidatura inadeguato può modificare il diametro dell'albero o produrre una superficie che non trattiene il film lubrificante necessario.
A seconda delle specifiche dell'albero, gli alberi lineari DLY possono presentare una rugosità superficiale attornoRa 0,4–0,8 μm. Il requisito finale dovrebbe corrispondere al tipo di cuscinetto e all'applicazione selezionati anziché essere scelto solo in base alla rugosità.
La durezza influisce principalmente sull'usura e sulla stabilità dell'attrito a lungo termine
Una superficie indurita non crea automaticamente un coefficiente di attrito basso fisso. Il suo ruolo principale è quello di resistere alla rientranza, alla fatica da contatto volvente, ai graffi e all'usura.
Se la superficie dell'albero è troppo morbida per un manicotto a sfere lineare, il contatto ripetuto delle sfere può formare scanalature. Inizialmente il cuscinetto può muoversi in modo fluido, ma sviluppa maggiore resistenza, vibrazioni, rumore e gioco quando la pista viene danneggiata.
Gli alberi lineari DLY utilizzano comunemente acciaio per cuscinetti GCr15 o acciaio a medio carbonio C45. A seconda del materiale, del diametro e dei requisiti di produzione, le configurazioni adatte possono includere uno strato indurito di circa0,6–3,5 mm.
Materiale, durezza, profondità della cassa, tolleranza del diametro, rettilineità e finitura superficiale devono essere valutati insieme. Un albero duro ma piegato o di dimensioni errate non fornirà una resistenza al funzionamento bassa e stabile.
Per un processo di ispezione completo, leggiCome garantire la qualità di un albero lineare.
La lubrificazione può sia ridurre che aumentare la resistenza misurata
Una corretta lubrificazione riduce il contatto metallo-metallo, l'usura, la corrosione e lo stress da contatto volvente. È essenziale per ottenere una durata operativa affidabile dalla maggior parte dei manicotti lineari a sfere.
Tuttavia, anche la viscosità e la quantità del lubrificante contribuiscono alla resistenza al movimento.
| Condizione di lubrificazione | Possibile effetto |
|---|---|
| Lubrificante e quantità corretti | Resistenza stabile, minore usura e maggiore durata alla fatica |
| Lubrificazione insufficiente | Maggiore usura, calore, rumore e possibili danni alla superficie |
| Grasso in eccesso | Maggiore resistenza allo sbattimento e aumento temporaneo della temperatura |
| Grasso troppo viscoso per la temperatura o la velocità | Elevata resistenza allo sfondamento e alla corsa |
| Grassi misti incompatibili | Possibile cambiamento di consistenza, separazione dell'olio o perdita di prestazioni di lubrificazione |
| Lubrificante contaminato | Usura abrasiva e attrito irregolare |
Un'applicazione a basso attrito non richiede necessariamente la rimozione delle guarnizioni o il funzionamento del cuscinetto a secco. Ciò potrebbe ridurre la resistenza a breve termine consentendo al tempo stesso l'ingresso di contaminanti e accorciando la durata di servizio.
Il gioco, il precarico e l'adattamento dell'alloggiamento influiscono sull'attrito
La relazione radiale tra l'albero e la boccola lineare influisce sul gioco, sulla rigidità e sulla resistenza.
Un gioco di esercizio normale generalmente fornisce una resistenza inferiore e un'installazione più semplice. Un gioco ridotto può migliorare la guida e limitare il movimento radiale, ma richiede un controllo più rigoroso del diametro dell'albero, del foro dell'alloggiamento, della rettilineità e dell'allineamento.
Un'interferenza eccessiva o un alloggiamento di dimensioni errate possono deformare la bussola esterna del cuscinetto e comprimere i circuiti delle sfere attorno all'albero. I sintomi possono includere:
- Elevata forza di scorrimento subito dopo il montaggio
- Resistenza irregolare durante la rotazione dell'albero o il movimento del carrello
- Riscaldamento dei cuscinetti
- Vita a fatica ridotta
- Danno al fermo della sfera
Anche premendo una vite di fissaggio direttamente contro l'esterno di una boccola lineare standard è possibile deformarla. La tolleranza dell'alloggiamento e il metodo di fissaggio assiale devono seguire le istruzioni di installazione del produttore del cuscinetto selezionato.
Il disallineamento spesso provoca una resistenza maggiore rispetto al coefficiente di catalogo
Un coefficiente di attrito presuppone che l'albero e il cuscinetto funzionino con una geometria adeguata. In una macchina reale, l'errore di allineamento può creare carichi laterali e momenti che non sono inclusi nel coefficiente di base.
Le cause comuni includono:
- Due alberi paralleli installati a diversi interassi
- Supporti albero montati a diverse altezze
- Alberi piegati o non sufficientemente supportati
- Una piastra del carrello che si torce quando i bulloni vengono serrati
- Alloggiamenti dei cuscinetti non coassiali
- Un carico esterno decentrato crea un grande momento
- Distanza troppo piccola tra due boccole che supportano un momento di carico
Per le boccole lineari, i momenti di carico dovrebbero generalmente essere supportati da più cuscinetti con una spaziatura sufficiente. Non ci si dovrebbe aspettare che una singola boccola corta corregga un grande errore angolare o porti un momento ribaltante incontrollato.
Un sistema che si muove liberamente prima del serraggio finale ma si blocca dopo che tutti i bulloni sono stati fissati normalmente presenta un problema di installazione o strutturale, non un coefficiente di attrito del materiale dell'albero insolitamente alto.
La rettilineità e la deflessione dell'albero influiscono sulla resistenza alla corsa
Un albero lungo può avere un diametro dimensionalmente accurato ma flettersi comunque sotto il proprio peso, il carico del carrello o una forza di processo disassata.
Quando l'albero si piega, il cuscinetto deve seguire un percorso curvo o assorbire il disallineamento angolare. Ciò può aumentare la resistenza in posizioni particolari lungo la corsa.
A seconda delle dimensioni dell'albero e della configurazione di produzione, gli alberi lineari DLY possono raggiungere una rettilineità fino a≤5 μm per 100 mm. Tuttavia la deflessione installata dipende anche da:
- Diametro dell'albero
- Intervallo non supportato
- Condizione di supporto finale
- Carico e posizione del carrello
- Struttura ad albero pieno o cavo
- Se viene utilizzata una guida dell'albero supportata
Quando la deflessione è il problema principale, aumentare il diametro dell'albero, ridurre la campata, aggiungere un supporto continuo o passare a una guida lineare profilata può essere più efficace che cambiare il lubrificante.
La direzione del carico e l'orientamento del cuscinetto sono importanti
La capacità di carico di un manicotto a sfere lineare può cambiare in base all'orientamento delle sue corone di sfere rispetto al carico applicato. La distribuzione interna del carico influisce anche sull'attrito e sulla durata.
Quando si installa una boccola aperta o regolabile, verificare:
- La posizione della sezione aperta
- La direzione del carico radiale primario
- L'orientamento consigliato dal produttore del cuscinetto
- Il metodo di regolazione e bloccaggio dell'alloggiamento
Un orientamento errato può concentrare il carico su una parte sfavorevole del cuscinetto, producendo sollecitazioni locali più elevate e movimenti irregolari anche quando il carico radiale totale appare accettabile.
Come la velocità e la temperatura cambiano l'attrito
Il coefficiente di attrito non è sempre costante dall'avvio alla velocità massima.
A bassa temperatura, il grasso diventa più viscoso e la forza di distacco può aumentare. Man mano che il cuscinetto si riscalda, la resistenza potrebbe diminuire. Ad alta velocità, lo sbattimento del lubrificante, le guarnizioni e le sfere di ricircolo possono generare più calore.
La temperatura può anche influenzare:
- Dimensioni dell'albero e dell'alloggiamento
- Gioco radiale
- Durezza della guarnizione e forza di contatto
- Consistenza del grasso e viscosità dell'olio
- Corrosione e durata del lubrificante
Per i macchinari che funzionano in un ampio intervallo di temperature, testare il carrello dopo un avviamento a freddo e di nuovo a una temperatura operativa stabile. Una singola misurazione della forza a temperatura ambiente potrebbe non rappresentare la condizione più impegnativa.
Come misurare l'attrito su un albero lineare assemblato
Il valore più utile per la selezione del motore è spesso la resistenza misurata del carrello completo piuttosto che un coefficiente teorico per un componente.
Test di base della forza di trazione
- Scollegare il motore, la vite a ricircolo di sfere, la cinghia o il cilindro in modo che il carrello della guida possa muoversi in modo indipendente.
- Confermare che gli alberi, i cuscinetti, le guarnizioni e la lubrificazione siano nelle normali condizioni di montaggio.
- Collegare un dinamometro in linea con la direzione di marcia.
- Aumentare lentamente la forza e registrare la forza di spunto.
- Muovere il carrello a bassa velocità costante e registrare la forza di movimento.
- Ripetere il test in entrambe le direzioni e in diverse posizioni lungo la corsa.
- Ripetere in condizioni rappresentative di carico e temperatura.
Se il carico radiale W è noto e la resistenza di tenuta costante può essere stimata o misurata separatamente, un coefficiente efficace può essere approssimato come:
μ ≈ (F − f) ÷ W
Questo valore calcolato si applica solo al gruppo e alle condizioni testati. Non dovrebbe essere trasferito automaticamente a cuscinetti, finiture dell'albero, guarnizioni, lubrificanti, carichi o temperature diversi.
Diagnosi dell'attrito eccessivo dell'albero lineare
| Sintomo osservato | Possibile causa | Controllo consigliato |
|---|---|---|
| Elevata resistenza su tutta la corsa | Precarico eccessivo, alloggiamento stretto, grasso viscoso o eccessiva resistenza della guarnizione | Controllare l'adattamento del cuscinetto, la tolleranza dell'albero, le guarnizioni e le specifiche del lubrificante |
| La resistenza aumenta vicino ad un'estremità | Errore di allineamento dell'albero, differenza di altezza del supporto o distorsione del carrello | Misurare il parallelismo dell'albero, l'interasse e l'altezza del supporto |
| La resistenza cambia periodicamente | Albero piegato, superficie danneggiata, supporto eccentrico o corrosione locale | Misurare la rettilineità e ispezionare l'intera superficie di scorrimento |
| Elevata forza di spunto ma normale forza di scorrimento | Adesione delle guarnizioni, viscosità del grasso, permanenza prolungata o corrosione precoce | Confronta le misurazioni di avviamento a freddo e di funzionamento a caldo |
| Il movimento diventa ruvido dopo la contaminazione | Le particelle sono entrate nei circuiti delle sfere o hanno danneggiato l'albero | Ispezionare le guarnizioni, il lubrificante, la superficie dell'albero e le piste dei cuscinetti |
| Il carrello si blocca solo dopo aver serrato i bulloni | Sollecitazione di montaggio o disallineamento dell'alloggiamento | Allentare sistematicamente i componenti e ripetere l'allineamento |
| La resistenza aumenta quando il carico si sposta dal centro | Momento di carico e distribuzione irregolare del carico sui cuscinetti | Aumentare la spaziatura dei cuscinetti, la rigidità del carrello o il numero di cuscinetti |
Come selezionare un sistema di alberi lineari a basso attrito
- Selezionare prima il tipo di cuscinetto.Decidere se l'applicazione richiede un manicotto a sfere o un cuscinetto a scorrimento a secco.
- Definire il carico radiale e i momenti.Includere massa in movimento, forze di processo, accelerazione e carico decentrato.
- Confermare il diametro dell'albero e la portata del supporto.La deflessione dell'albero può creare una resistenza maggiore rispetto al coefficiente nominale.
- Adattare la tolleranza e la finitura dell'albero al cuscinetto.Non scegliere le dimensioni dell'albero indipendentemente dalle specifiche della boccola.
- Selezionare attentamente la distanza o il precarico.Una rigidità maggiore normalmente aumenta la sensibilità agli errori di produzione e di allineamento.
- Includere la resistenza della tenuta.Ciò è particolarmente importante per cuscinetti piccoli e carrelli con carico leggero.
- Selezionare la lubrificazione per velocità e temperatura.L'attrito teorico più basso non è utile se il lubrificante non può fornire una protezione sufficiente dall'usura.
- Progettare per l'allineamento.Fornire supporti dell'albero accurati, alloggiamenti dei cuscinetti rigidi e una distanza sufficiente tra i cuscinetti.
- Misurare il carrello completo.Verificare la forza di spunto e di funzionamento prima della selezione finale del motore.
Forniture DLYalberi lineariin diversi diametri, lunghezze, materiali e strutture per l'automazione industriale e i sistemi di movimentazione lineare.
A seconda dei requisiti del progetto, le opzioni disponibili possono includere materiale GCr15 o C45, strutture solide o cave, alberi supportati, lunghezze personalizzate, lavorazione delle estremità, trattamento superficiale e requisiti di ispezione.
Informazioni richieste prima del preventivo
Per selezionare una combinazione albero-cuscinetto con attrito e durata operativa adeguati, fornire:
- Diametro e lunghezza dell'albero richiesti
- Struttura ad albero solido, cavo o supportato
- Modello con cuscinetto o boccola
- Quantità e spaziatura dei cuscinetti
- Carico radiale e momento
- Corsa, velocità, accelerazione e ciclo di lavoro
- Installazione orizzontale, verticale o inclinata
- Gioco o precarico richiesti
- Temperatura operativa e condizioni di contaminazione
- Requisiti di lubrificazione e tenuta
- Requisiti di rugosità, rettilineità e durezza della superficie
- Disegno della lavorazione finale e di installazione
Conclusione
Un albero lineare non ha un coefficiente di attrito universale. Il valore effettivo si riferisce alla combinazione completa di albero, cuscinetto, guarnizione, lubrificante, carico e installazione.
Per un manicotto a sfere lineari adeguatamente lubrificato che funziona su un albero di precisione adatto, un coefficiente di attrito dinamico rappresentativo è di circa 0,001–0,003. Ciò fornisce un utile punto di partenza, ma la resistenza della tenuta, il precarico, la viscosità del grasso, l'allineamento, la deflessione dell'albero, la contaminazione e la temperatura possono avere un effetto maggiore sulla spinta finale richiesta.
Per il dimensionamento del motore e le applicazioni di precisione, calcolare la resistenza iniziale utilizzando i dati del produttore del cuscinetto e quindi misurare le forze di spunto e di rotazione del carrello completamente assemblato.
Hai bisogno di aiuto per selezionare una combinazione di albero lineare e cuscinetto?
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E-mail: export@dlybearing.com
Sito web: www.deliyalinearmotion.com
