Elegir el tornillo de bola incorrecto puede llevar a un fallo prematuro, costosos tiempos de inactividad y una inversión desperdiciada. Sin una evaluación adecuada, su sistema de movimiento puede sufrir. Aquí hay una guía probada de 6 pasos para ayudarle a hacer la selección correcta.
La selección del tornillo de bola implica evaluar la velocidad, la carga y los requisitos de vida útil para asegurar un rendimiento y una fiabilidad óptimos. Al calcular el par y comprender el pandeo y las velocidades críticas, los ingenieros pueden seleccionar el tornillo ideal.
Explora cada factor en detalle para evitar errores en su diseño de movimiento lineal.
Velocidad Rotacional
La velocidad rotacional de un tornillo de bola es un parámetro primario que impacta directamente en la eficiencia y el rendimiento del sistema. La velocidad rotacional se define típicamente en revoluciones por minuto (RPM) y debe considerarse en relación con los requisitos dinámicos del sistema.
Las velocidades rotacionales más altas permiten un movimiento más rápido de la carga, pero también pueden aumentar la generación de calor y el desgaste. Los diseñadores deben asegurarse de que el material, la lubricación y la construcción del tornillo puedan soportar la velocidad prevista. Además, la velocidad excesiva puede provocar vibraciones axiales o resonancia, especialmente en tornillos de bola más largos. Por esta razón, no se debe exceder la velocidad máxima segura, que a menudo es recomendada por el fabricante.
Calcular la velocidad rotacional también implica entender el ciclo de trabajo de la aplicación. Si su sistema opera a velocidad máxima de manera intermitente, puede tolerar RPM máximas más altas que las aplicaciones de alta velocidad continua. Siempre consulte las especificaciones del fabricante para las clasificaciones de velocidad antes de finalizar la selección.
Velocidad Crítica
La velocidad crítica es la velocidad a la cual un tornillo de bola comienza a resonar o vibrar en exceso. Esto ocurre debido a que la frecuencia natural del eje coincide con la frecuencia de operación. Si se aproxima o se supera la velocidad crítica, puede resultar en un fallo catastrófico debido a la deflexión del eje, desalineación o sobrecarga de los rodamientos.
La velocidad crítica (Nc) depende de la longitud no soportada del eje, su diámetro, las condiciones de fijación en los extremos y el módulo del material. Los ingenieros utilizan fórmulas como:
Nc = (k × D × √E / L²)
Donde:
k es una constante dependiendo del tipo de soporte en los extremos,
D es el diámetro del eje,
E es el módulo de elasticidad,
L es la longitud no soportada.
Reducir las longitudes no soportadas o utilizar soportes intermedios puede aumentar la velocidad crítica. La regla general es operar a no más del 80% de la velocidad crítica por razones de seguridad. Esto es especialmente importante para sistemas de montaje horizontal o aplicaciones de largo recorrido.
Carga de Pandeo
El pandeo es un fallo por compresión que ocurre cuando el eje se deflecta debido a la carga axial, particularmente en tornillos largos o no soportados. La carga de pandeo (Pb) debe ser superior a la carga de compresión máxima esperada en la aplicación.
Esto a menudo se calcula utilizando la fórmula de Euler para columnas largas y esbeltas:
Pb = (π² × E × I) / (K × L)²
Donde:
I es el momento de inercia,
K es una constante basada en condiciones finales,
L es la longitud efectiva.
Para prevenir el pandeo, asegúrese de que el eje del tornillo de bola esté soportado adecuadamente y que la carga aplicada se mantenga dentro de límites seguros. Para aplicaciones verticales o tramos no soportados, los cálculos de pandeo se vuelven especialmente críticos. Al seleccionar un tornillo de bola, siempre verifique la calificación de carga axial contra el límite de pandeo calculado.
Comparación de Factores de Carga de Pandeo del Tornillo de Bola
| Parámetro | Efecto en la Carga de Pandeo |
|---|---|
| Diámetro del eje | Aumenta la resistencia al pandeo |
| Longitud No Soportada | Disminuye la resistencia al pandeo |
| Condiciones de Soporte | Los extremos fijos aumentan la capacidad |
| Elasticidad del Material | Un mayor E mejora la resistencia |
Velocidad Promedio y Carga Promedio
Para estimar la vida útil y el comportamiento térmico del tornillo de bola, se deben comprender la velocidad promedio y la carga promedio a lo largo de un ciclo de trabajo. En lugar de utilizar valores pico, los ingenieros deben calcular los valores de raíz cuadrada media (RMS) tanto para la carga como para la velocidad para evaluar el rendimiento de manera más precisa.
La velocidad promedio afecta la generación de calor debido a la fricción, mientras que la carga promedio determina la vida útil por fatiga. Por ejemplo, el uso intermitente a alta carga puede no ser tan crítico como la operación continua a baja carga.
Use este enfoque:
Carga Promedio (Fa) = √[(F₁² × t₁ + F₂² × t₂ + … + Fn² × tn) / T]
Velocidad Media (Va) = [(V₁ × t₁ + V₂ × t₂ + … + Vn × tn) / T]
Donde:
F es la carga,
V es la velocidad,
t es el tiempo en cada fase,
T es el tiempo total del ciclo.
Este cálculo es esencial para aplicaciones dinámicas como máquinas CNC o robots de pick-and-place.
Vida Útil
La vida útil de un tornillo de bola se expresa típicamente en términos del número de revoluciones o distancia recorrida antes de la falla por fatiga. Los fabricantes a menudo proporcionan clasificaciones de vida como L10 o B10, que indican la duración durante la cual el 90% de los tornillos pueden operar sin fallos en condiciones definidas.
La vida útil depende de varios factores:
Capacidad de carga dinámica (Ca)
Carga axial aplicada (Fa)
Entorno de operación (temperatura, contaminación, lubricación)
La vida básica (L10) se puede calcular usando:
L10 = (Ca / Fa)³ × 10⁶ revoluciones
Si el tornillo está precargado, o si están presentes cargas de choque, debe aplicarse un factor de corrección. Una lubricación adecuada y entornos limpios extienden significativamente la vida operativa.
Tabla de Estimación de Vida del Tornillo de Bola
| Condición de Carga | Vida L10 Estimada (revs) |
|---|---|
| Carga Normal (Ca = Fa) | 1,000,000 |
| Sobre carga Moderada (Ca = 1.5Fa) | 300,000 |
| Carga de choque pesada | <100,000 |
La planificación del mantenimiento y las expectativas de garantía dependen en gran medida de este cálculo.
Cálculo de par
El par es la fuerza que provoca que el tornillo gire y acomode la tuerca (o viceversa). Para mover una carga determinada, los ingenieros deben determinar tanto el par inicial como el par de funcionamiento. Esto garantiza que el motor esté dimensionado adecuadamente y evita el estancamiento o sobrecalentamiento.
El par básico (T) requerido para mover una carga axial (Fa) puede ser calculado por:
T = (Fa × paso) / (2π × η)
Donde:
Fa es la carga axial (N),
Plomo es el paso del tornillo (mm),
η es la eficiencia (típicamente de 0.85 a 0.95 para tornillos de bola).
No olvide incluir el par adicional necesario para superar la precarga, la fricción y la inercia. En sistemas de alta velocidad, el par dinámico también puede necesitar tener en cuenta la aceleración y desaceleración.
Elegir un motor con par insuficiente es un error de diseño común. Asegúrese de alinear las especificaciones del motor con los valores calculados para un funcionamiento suave y confiable.
Conclusión
Dominar la selección de tornillos de bola implica equilibrar velocidad, carga y vida útil. Siga estos seis pasos críticos para asegurarse de que su sistema funcione al máximo.Para más preguntas, por favor contacta sales@SHAC.com
