بال اسکرو چیست ؟ کاربرد ها مزایا و معایب آن
Ball screw

بال اسکرو چیست ؟ کاربرد ها مزایا و معایب آن

بال اسکرو چیست ؟

Ball screw
Ball screw

یکی از وسایل مکانیکی ای که با کمترین میزان اصطکاک ممکن ، حرکت چرخشی را به حرکت خطی تبدیل می کند ، بال اسکرو می باشد.

بال اسکرو ها که وظیفه ی انتقال نیرو ها و حرکت اشیا را بر عهده دارند ، نیرو های چرخشی کوچک را به نیرو های فشاری (پرتابی) تبدیل می کنند.

زمانی که یک مهره در حول محورش چرخانده می شود ، در جهت محوری اش حرکت می کند زیرا شیار های پیچ ،

مسیر مارپیچی (حلزونی) شکل را به طور پیوسته و مداوم طی می کنند.

در حالت کلی ساختار بال اسکرو شامل دو سیستم زیر می باشد:

  • مهره Ball nut
  • پیچ Screw
Ball screw
Ball screw

از لحاظ ظاهری ، بال اسکرو ساختاری مشابه به یک مجموعه ای از پیچ و مهره ها می باشد.

شافت رزوه شده آن به عنوان پیچ و گوی آن به عنوان مهره عمل می کند.

فراهم ساختن مسیر حرکت ساچمه هایی را که در قسمت لغزنده بال اسکرو (مهره ها)

بر روی آن ها به حرکت در می آیند بر عهده ی شفت رزوه دار مارپیچی می باشد.

ساختار ساخته شده ی گوی در بال اسکرو به شیوه ای است که چرخش ساچمه ها را در داخل خود ممکن می سازد

به طوری در مدت زمان حرکت گوی بر روی شفت ، در داخل گوی ، ساچمه ها به گردش در می آیند.

بال اسکرو از یک پیچ هرز گرد ، ساچمه ها و مهره تشکیل شده است که

ساچمه ها باعث عدم ایجاد هرگونه تماس بین پیچ و مهره ها می شود.

یکی از مهم ترین ویژگی ها اساسی بال اسکرو این است که علاوه بر کارکرد در کمترین میزان اصطکاک داخلی ،

می تواند در برابر اعمال بار های فشار مقاومت کند ، بدون آن که بر میزان اصطکاک آن تاثیری داشته باشد.

در موقعیت هایی که میزان دقت بالا بسیار ضروری می باشد ، بال اسکرو موجب ایجاد تلرانس هایی بسیار دقیق می شود

که از این رو استفاده از بال اسکرو بسیار مناسب است پیشنهاد می شود.

بال اسکروها علاوه بر اینکه موجب کاهش اصطکاک می شوند ، این قابلیت را دارا هستند که با مقداری پیش بار کار کنند

که موجب از بین رفتن و حذف لقی بین ورودی (چرخش) و خروجی (حرکت خطی) می شود.

ویژگی ذکر شده در بالا زمانی ضرورت پیدا کرده و لازم می شود که از بال اسکرو ها در

سیستم های کنترل حرکت کامپیوتری مانند کاربرد های حرکت های بسیار دقیق (مانند:Wire bonding) ، ماشین ابزار CNC و… استفاده شود.

ویژگی مهم بال اسکرو ها بازده مکانیکی بالا در عین اصطکاک کم در مقایسه با سایر ابزار های مشابه است.

به عنوان مثال:

قدرت بازدهی بال اسکرو در مقایسه با بازده ای یک لید اسکرو (پیچ انتقال قدرت ساده) با ابعاد و اندازه های مشابه ،

نسبت بازدهی 90 درصدی در مقابل بازدهی 50 درصدی می باشد.

نوردکاری شافت بال اسکرو ، ممکن است ارزان ، پربازده ، کم دقت و محصول نهایی از آن ، از نظر مکانیکی بسیار مناسب و مقرون به صرفه ، ساخته شده باشد.

نکته: بال اسکرو هایی که بر روی آن ها نوردکاری صورت گرفته است دارای دقتی بسیار بالای چندهزارم اینچ در یک فوت می باشند.

نکته: نیروی اصطکاک موضوع بسیار مهمی می باشد که برای درک بهتر ، آن را با ذکر یک مثال شرح می دهیم:

زمانی که شما خواستار حرکت یک جعبه بر روی زمین هستید ، این جعبه باید تا حد مشخص و معینی به آن نیرو وارد شود ،

این جعبه با نیروی کم و ضعیف هیچگاه حرکت نمی کند، برای حرکت شما باید به آن نیرو و فشار وارد کرده

و رفته رفته مقدار نیروی وارده به جعبه را افزایش دهید تا زمانی که جعبه به حرکت درآید.

به مقدار نیروی مشخصه ای که جعبه از نیروی صفر تا زمان حرکت به آن وارد می شود ، نیروی اصطکاک داینامیک (Dynamic) گفته می شود.

زمانی که جعبه بر روی زمین مقدار تفاوت مابین نیروی داینامیک و نیروی استاتیک بسیار زیاد است و

هرچه مقدار وزن جعبه بیشتر باشد طبیعتا تفاوت این مقدار ما بین این دو نیرو نیز بیشتر می شود ، به این حالت sliding contact screw می گویند.

اما اگر برای حرکت جعبه از چند ساچمه استفاده نمایید و ساچمه ها را زیر جعبه قرار دهید ،

نیروی بسیار کمتری برای به حرکت در آوردن جعبه استفاده می کنید ،

قاعدتا تفاوت نیروی داینامیک و نیروی استاتیک بسیار کم می شود ، که به این حالت rolling contact screw می گویند.

دقیقا بال اسکرو ها نیز همین حالت rolling contact screw را دارا هستند.

کاربرد ها ، مزایا و معایب بال اسکرو

برخی از کاربرد های عمده بال اسکرو عبارتند از:

  • افزایش صلبیت و مهار ارتعاشات یاتاقان ها
  • کاهش یا حذف صداهای ارتعاشات محوری
  • حفظ حرکت غلتشی و محافظت در برابر لغزش

مزایای بال اسکرو عبارتند از:

  • عملکرد و کارایی بهتر
  • تحمل بار های سنگین تر
  • دقت بالاتر
  • اصطکاک کم به دلیل قرار گرفتن ساچمه ها در بین پیچ و مهره

عملکرد و کارایی بهتر:

عناصر نورد ، تماس نقطه ای نسبت به تماس خطی اصطکاک کمتری تولید می کند که موجب ایجاد راندمان بالاتر می شود.

علت: در لید اسکرو عناصر به اصطلاح کشویی همانند پیچ و مهره ، به تماس خط تکیه می کنند

اما در بال اسکرو عناصر به اصلاح نورد همانند توپ های موجود در بال اسکرو ، به تماس نقطه تکیه می کنند.

تحمل بار های سنگین تر:

در لید اسکرو از مهره های پلاستیکی ، پلیمری و برنزی استفاده می شود.

در لید اسکرو هایی که از مهره های برنزی استفاده شده است ، می تواند بار های سنگین تری را تحمل کند

اما با افزایش میزان فشار و بار ، میزان اصطکاک نیز افزایش می یابد و اصطکاک بیشتر به معنی چرخه کار کمتر و راندمان کاری پایین تر است.

اما در بال اسکرو برای پشتیبانی از بار ، از قطعات فولادی استفاده می شود که از ظرفیت بار بالاتری نسبت به انواع لید اسکرو برخوردار است.

دقت بالاتر:

در لید اسکرو واکنش شدید بسیار زیادی بین پیچ و مهره وجود دارد.

در بال اسکرو برای از بین بردن این واکش شدید ، معمولا از توپ هایی که قطر بزرگتری نسبت به

فضای بین مسیر یچ و مهره ها دارند استفاده می شود که موجب افزایش دقت عملکرد قطعه می شود.

نکته: استفاده از یک موتور کوچکتر ممکن است برای استفاده ی دستگاه مناسب تر باشد

زیرا راندمان بالاتر به معنی کاهش گشتاور مورد نیاز موتور است.

عملکرد بهینه بال اسکرو موجب میشود که کارایی و بازدهی آن تقریبا 90 درصد باشد ،

این در حالی است که در لید اسکرو عموما کمتر از 50 درصد است.

معایب بال اسکرو:

  • نسبت به لید اسکرو از نظر قیمت و هزینه بسیار بالاتر می باشد.
  • برای ترمز به یک سیستم جداگانه به منظور توقف نیاز است.
  • نیاز به روغن کاری مداوم و منظم برای حفظ دقت بالا و روان سازی دارد.
  • بال اسکرو ها دارای مکانیزم قفل خودکار نیستند.
  • بال اسکرو ها سیستم دستی برای اپراتور یا مکانیک ندارند.
  • خرابی یکی از قطعات بال اسکرو در عملکرد کلی سیستم خلل ایجاد می کند.
  • عدم کارکرد مناسب در حالت عمودی
  • نیاز شدید به محافظت در برابر ذرات گرد و غبار

نکته: یکی از مشکلات اساسی بال اسکرو نیاز به روغن کاری مداوم و با یک فرمول صحیح است

تا موجب جلوگیری از خوردگی ، کاهش اصطکاک ، افزایش طول عمر مفید و اطمینان از کارآمدی شود.

مطلبی جالب درباره ی بال اسکرو

بال اسکرو
Ball screw

درگذشته ، قبل از اینکه تکنولوژی ساخت بال اسکرو اختراع شود ،

از سیستم پیچ و مهره برای ایجاد حرکت ، جلو و عقب بردن محور ها و میزها استفاده می شد.

یکی از مشکلاتی که در اثر این سیستم قدیمی ایجاد می شد ، خوردگی و سایش و در نهایت

لق شدن مکانیزم حرکت در اثر حرکت های لغزشی موجود بین دو سطح پیچ و مهره بود.

بنابراین برای رفع مشکل ذکر شده در بالا ، صنعتگران و متخصصین تغییرات بسیار شایانی در نوع دنده های پیچ و مهره ها ایجاد نمودند

که نتیجه ی آن این بود که به جای استفاده و بهره گیری از پیچ و مهره هایی با سطح مقطع مثلثی شکل ،

از پیچ و مهره هایی با سطح مقطعی ذوزنقه ای شکل که تا حدی شبیه به مستطیل می باشند استفاده و بهره گیری نمودند.

از این نوع و مدل پیچ و مهره ها هنوز نیز در میز دستگاه های فرز و تراش معمولی استفاده می شود.

این نوع و مدل از پیچ و مهره ها نیز هنوز دچار مشکل بودند زیرا باید یک لقی مشخص ما بین

پیچ و مهره برای روان کار کردن این سیستم به وجود می آوردند.

یکی دیگر از بزرگترین معایب این سیستم پیچ و مهره ، ساییده شدن و از دست دادن دقت در مدت زمان کوتاه بود.

علت عیب این سیستم پیچ و مهره این بود که ، زمانی که به اصطلاح پیچ راست گرد میشد ،

یک طرف مهره درگیر بود و زمانی که به اصطلاح پیچ چپ گرد می شد ،

در ابتدا لقی طی می شد تا به طرف دیگر برسد و سپس طرف دیگر درگیر می شد.

متخصصین و صنعتگران برای رفع این مشکل دوباره دست به تغییراتی زدند و اختراعی جدید موجب شد

تا بخش اعظمی از مشکلات سیستم پیچ و مهره قبلی حل شود.

نام این اخراع جدید ، سیستم لید اسکرو بود.

در این سیستم جدید ، از دو مهره به جای یک مهره استفاده شد و بین دو مهره فنری تعبیه و قرار داده شد.

عملکرد این فنر به این صورت بود که ، با تنطیماتی که توسط پیچ ها انجام میشد ،

موجب می گردید که در هر صورت (چپ گرد و راست گرد) دو طرف مهره ها درگیر باشند و با راست گرد یا چپ گرد شدن ،

لقی به حداقل برسد و در جاهایی که پیچ خورده یا ساییده شده است ، فنر رها و باز شده و خود را تنظیم نماید.

این سیستم نیز در عین اینکه عملکرد بسیار بهتر و مناسب تری نسبت به تکنولوژی های قبلی خود داشت ،

یک ایراد بزرگ و مهم هنوز درآن رفع نشده بود و آن لغزش سطوح بود.

اما متخصصین و صنعتگران دوباره دست به کار شده و سیستم جدیدی را ابدا و اختراع نمودند

که علاوه بر رفع مشکل ساییده شدگی ، بازدهی عملکرد بسیار بالاتری را نیز نسبت به سیستم ها و تکنولوژی های قبل از خود ارائه داد.

نام این تکنولوژی جدید سیستم بال اسکرو بود.

این اختراع درهای جدید را در برابر صنعت باز کرد.

مکانیزم عملکردی بال اسکرو مانند حرکت بلبرینگ ها می باشد ، مبنای حرکت غلتش کامل می باشد و در بین سطوح هیچ گونه لغزشی در کار نیست.

در این سیستم قدیمی پیچ و مهره ، طبق فرمول اصطکاک ، با اضافه شدن نیرو (به عنوان مثال وزن) ،

نیرو در ضریب اصطکاک ضرب می شد و نسبتی خطی و مستقیم را ارائه می داد (یعنی هرچه نیرو بیشتر شود ، اصطکاک بیشتر می شود

و در نتیجه نیروی مورد نیاز جهت چرخش نیز بیشتر می شود و بالعکس) ، در تکنولوژِی نوین سیستم بال اسکرو لغزشی در کار نیست و غلتش می باشد.

دیدگاهتان را بنویسید