모션 시스템 설계자가 리드 스크류보다 볼 스크류를 자주 사용하는 이유 중 하나는 바로 더 높은 속도로 일관되게 작동하는 기능입니다. 그러나 볼 스크류에는 자체적인 속도 제한이 있습니다. 이를 이해하면 소형 실험실 유체 펌프부터 대형 오버헤드 갠트리 및 고성능 기계까지 아우르는 응용 분야에서 볼 스크류 조립 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다.
볼 스크류 기본 사항
볼 스크류 어셈블리는 재순환 볼 베어링이 있는 스크류와 너트로 구성됩니다. 스크류와 너트 사이는 볼 베어링으로 연결하는데, 이 볼 베어링은 너트와 스크류 샤프트 안에 일치하는 볼 형태로 롤링됩니다. 이는 많은 베어링에 힘을 분산시켜 각 볼에 상대적으로 낮은 하중과 낮은 마찰 계수를 제공함으로써 더 빠른 속도로 작동할 수 있게 해 줍니다(그림 1).
그림 1. 볼 스크류는 샤프트가 회전하는 동안 재순환하는 여러 베어링에 하중을 분산시키기 때문에 마찰 계수가 낮습니다.
스크류와 나사에는 일반적으로 고유한 최대 RPM 제한이 있으므로, 가장 효과적인 볼 스크류 어셈블리를 선택하려면 두 가지에 모두 주의를 기울여야 합니다.
최대 RPM을 제한하는 볼 스크류 설계 기능
최대 RPM에 영향을 미치는 주된 스크류 샤프트 설계 기능은 끝단 장착, 스크류 리드 및 스크류 직경입니다.
모든 볼 스크류에는 과도하게 진동하는 고유 진동수가 있는데, 이를 임계 속도라고 합니다. 적용 속도가 임계 속도와 일치하면 스크류가 조화롭게 진동합니다(그림 2). 스크류 고유의 불균형이 스크류와 공명하여 과도하게 구부러지고, 휘어지고, 진동하여 결국 고장 나게 됩니다.
그림 2. 스크류 샤프트는 높은 RPM에서 진동할 수 있습니다.
끝단 장착
장착 옵션으로는 스러스트 베어링의 한쪽 끝단을 고정하거나, 플로팅 베어링의 양쪽 끝단을 지지하거나, 플로팅 베어링의 다른 쪽 끝단을 지지하면서 한쪽 끝단을 고정하거나, 스러스트 베어링의 양쪽 끝단을 고정하는 방법 등이 있습니다. 볼 스크류는 양쪽 끝단을 고정하면 최고 속도를 얻을 수 있습니다. 고정 끝단은 굽힘 모멘트 하중을 견디므로, 볼 스크류가 지지 베어링의 평면과 직각을 유지하려고 합니다.
하지만 양쪽 끝단에서 고정하면 다른 장착 옵션보다 설치하기 어렵고 설치 비용도 더 많이 들 수 있습니다. 양쪽 끝단에서 고정하면 지지 블록 간의 거리를 조정할 수 없고 장착 구멍을 정렬하기가 어려울 수 있습니다.
스크류 리드
입력 속도가 일정하다고 가정하면, 리드가 높을수록 스크류를 따라 너트를 더 빠르게 이동시켜 선형 속도가 증가합니다. 일정한 선형 속도의 서로 다른 리드를 갖춘 스크류 두 개를 비교해 보면, 리드가 높을수록 입력 모터 속도가 감소합니다. 그러나 리드가 높을수록 스크류를 돌리는 데 필요한 토크도 증가합니다.
스크류 직경
직경이 더 큰 스크류는 하중 용량과 최대 RPM 정격을 증가시키고, 직경이 더 작고 긴 스크류는 RPM이 더 낮습니다. 동일한 리드를 사용하면 직경이 더 큰 스크류의 속도가 더 높습니다.
최대 RPM을 제한하는 볼 너트 기능
볼 너트 최대 RPM은 볼 너트를 통해 회전하는 볼 베어링의 속도에 의해 제한됩니다. 볼 너트 최대 RPM을 초과할 경우 볼 재순환 구성 요소가 영구적으로 손상될 수 있습니다. 볼 베어링이 리턴 시스템에서 빠져나오거나 걸리면 장치가 완전히 고장 날 가능성이 있습니다.
리턴 시스템의 세 가지 주요 유형으로는 내부, 버튼, 외부가 있습니다(그림 3). 리턴 시스템의 목적은 너트에서 볼 베어링을 재순환시키는 데 있습니다. 리턴 시스템 설계는 너트의 속도 제한에 영향을 끼칩니다. 외부 리턴 시스템에서는 보통 볼을 리턴 경로로 편향시키기 위해 볼 홈으로 확장되는 작은 핑거를 사용합니다. 이 핑거는 높은 속도에서 핑거와 부딪히는 볼 베어링으로 인해 구부러져 결국 고장 나게 됩니다. 버튼/내부 설계가 일반적으로 더 견고하고, 보통 외부 리턴 시스템보다 더 높은 속도에서 작동할 수 있습니다.
그림 3. 볼 리턴 시스템의 비교(왼쪽에서 오른쪽 방향으로): 내부, 버튼, 외부
결론
특히 속도에 최적화된 시스템에는 다음이 필요할 수 있습니다.
- 스크류 어셈블리용 고정형 끝단 지지대
- 선형 속도를 증가시킬 더 높은 리드
- 하중 용량과 RPM 정격을 증가시킬 큰 직경의 스크류
- 볼 너트용 내부 리턴 시스템
그러나 부하 특성, 위치 정확도, 반복성, 필요한 기대 수명, 치수 제약, 입력 전력 요건, 환경 조건 및 가용 예산을 비롯한 기타 여러 가지 요인이 작용합니다.
속도에 영향을 미치는 대다수 요인의 영향력을 계산할 수 있습니다. 볼 스크류 제조업체는 일반적으로 최대 제품 속도를 권장하고, 물리적 균형을 정확하게 측정할 수 있는 도구를 제공합니다.
이처럼 직경 1인치 스크류의 최대 속도는 36인치일 때 2938RPM, 144인치일 때 184RPM(임계 속도의 80%, 단순 지지대)에 이를 정도로 길이에 따라 크게 달라집니다. 수치는 기계 핸드북에서 참조할 수 있습니다. 이미지 제공: Motion Industries.