Entraînements à vis à billes - précision par préchargement

Les entraînements à vis à billes convertissent le mouvement rotatif en mouvement linéaire précis ou vice versa. Ils sont souvent utilisés comme élément d’entraînement. La précision du positionnement est essentielle lors de l'utilisation d'entraînements à vis à billes. Une façon d'augmenter la précision du positionnement d'un entraînement à vis à billes est de réduire le jeu entre la broche et l'écrou avec une précharge. Cependant, étant donné que cette précharge modifie également la facilité de mouvement du système, il existe des entraînements à vis à billes avec précharge réglable. Le système peut être préchargé de façon à obtenir le jeu axial admissible entre l’écrou à billes et la broche filetée sans limiter excessivement le mouvement libre. Le préchargement peut atteindre une précision de position de quelques micromètres. Dans cet article, vous apprendrez comment cela fonctionne et quelles sont les classes de précision.

Qu’est-ce qu’un entraînement à vis à billes ?

Un entraînement à vis à billes, également appelé vis à tige filetée de recirculation, convertit le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Dans sa forme la plus simple, un entraînement à vis à billes se compose d’une tige filetée et d’un écrou. Les billes roulent entre elles sur une piste de recirculation pour réduire le frottement. Les systèmes plus complexes, par exemple, sont composés d’un système à double écrou ou possèdent des dispositifs de protection. Les entraînements à vis à billes sont très précis et capables de transférer des forces élevées avec de faibles pertes de frottement, ce qui les rend parfaitement adaptés à la commande de mouvement dans les applications industrielles et les machines telles que les machines CNC ou les robots. Grâce à ces entraînements, les fixations de pièces à usiner, par exemple, peuvent être positionnées très précisément. Une lubrification correcte est essentielle pour faire fonctionner les entraînements à vis à billes (plus d’informations dans l’article Lubrification des entraînements à vis à billes – Lubrifiants, domaines d'application et informations générales).

Pour des informations plus précises sur les classes de fonction, de conception et de précision des entraînements à vis à billes, consultez notre article sur les Vis à billes – fonction/structure/types/classes de précision.

Qu’est-ce que la précharge ?

La précharge désigne l’introduction délibérée d’une force dans un système ou un composant avant de l’exposer à une charge externe. Elle garantit stabilité et fiabilité fonctionnelle. Une précharge peut être appliquée, par exemple sur les joints filetés, les ressorts, les paliers à tiges filetées, mais également sur les entraînements à vis à billes.

Les vis à billes ont tendance à être résistantes et ont un jeu axial dans la transmission. Le jeu axial est l'amplitude de mouvement inutilisée ou le jeu d'une tige filétée, créé par l'écart entre les billes du palier et le filetage de la tige filetée et les rails de l'écrou fileté.

En raison du jeu axial, l'entraînement de la vis à billes se déplace entre les positions (+) et (-). Pour les précharges dans une direction, cela n’entraîne pas encore d’inexactitude de positionnement car les billes sont pressées contre un côté du flanc de filetage. Cependant, dès qu’il y a un changement de direction ou une inversion de la charge axiale, la précision absolue de positionnement n’est plus garantie.

• F_r = Effet de force radiale
• M = moment de flexion, par ex. en raison d’une installation mal alignée

Une précharge est introduite pour atténuer cet effet indésirable. Il est essentiel de tenir compte des tolérances dimensionnelles lors du réglage de la précharge. Les tolérances de palier ou de filetage sont ajustées de façon à créer une absence de jeu, ce qui optimise la précision de positionnement et la rigidité du système. On les introduit généralement entre la tige filetée et le double écrou, par exemple en utilisant deux écrous serrés l’un contre l’autre. La tension du ressort entre les écrous peut généralement être ajustée à l’aide d’une bague filetée.

Le terme de précharge est également défini dans les normes. Par exemple, JIS 1192 définit la précharge comme la force exercée en interne sur les entraînements à vis à billes en utilisant un groupe de billes en acier axialement déportées ou une paire d’écrous pour réduire le jeu et augmenter la rigidité de l’entraînement par vis à billes. Cependant, une précharge excessive peut également affecter la durée de vie de l'entraînement de la vis à billes. La quantité de précharge doit donc être examinée avec attention.

Types de précharge

En général, il existe deux types de précharge : radiale et axiale. La précharge radiale est une force appliquée perpendiculairement à l’axe de rotation, par exemple sur les bagues de palier dans un roulement à rouleaux. Elle exerce un contact uniforme entre le roulement à rouleaux et la course. La précharge axiale est appliquée le long de l'axe du palier ou de la broche et empêche le jeu dans la direction longitudinale. La précharge axiale est utilisée pour les entraînements par vis à billes.

Importance de la force de précharge

L'utilisation d'une précharge présente les avantages suivants :

• La rigidité s’améliore, ce qui optimise à son tour la capacité de charge et la répétabilité.
• La durée de vie augmente. Cependant, il convient de veiller à ce que la précharge ne soit pas trop élevée, car elle peut également avoir un effet négatif.
• Les vibrations et les bruits sont réduits, ce qui est par exemple pertinent pour les applications nécessitant un mouvement silencieux.
• Le jeu est réduit, ce qui permet un contrôle et un positionnement plus précis du mouvement. Ceci est important, entre autres, pour les machines CNC ou en robotique.

Lors du calcul de la force de précharge nécessaire, il faut tenir compte des classes de tolérance requises des composants à fabriquer (voir Classes de tolérance selon les normes ISO 22081 et DIN ISO 2768 : Utilisation optimisée des tolérances générales).

Calcul de la force de précharge

La force de précharge de l'écrou représente toujours une charge constante sur l'entraînement de la vis à billes. Il est donc important de trouver une force de précharge qui, en même temps, n’exerce pas de contrainte excessive sur l’entraînement de la vis à billes tout en remplissant son objectif. A cet effet, la charge de fonctionnement attendue en particulier peut être envisagée. La force de précharge peut, par exemple, être calculée à partir de la charge nominale dynamique. Cela indique les charges auxquelles l'entraînement de la vis à billes peut résister afin d'obtenir une durée de vie de 1 million de tours.   Cela est spécifié par le fabricant. Les capacités de charge sont par exemple normalisées par la norme ISO 281. Pour les écrous à vis à billes avec contact à 4 points, 5 à 8 % de la charge nominale dynamique est logique pour la précharge et 8 à 10 % pour le contact à 2 points. D’autres valeurs s’appliquent pour les déterminations conformément aux Norme ANSI.

Diverses méthodes de précharge

Il existe diverses méthodes pour régler la précharge, telles que les écrous à vis à billes avec précharge réglable. Dans cette variante, un ressort est monté entre deux écrous et appuie les écrous contre les côtés gauche et droit de la course de broche. La précharge peut être ajustée davantage avec une bague filetée. La précharge peut également être réalisée automatiquement en utilisant des systèmes hydrauliques. Divers méthodes sont présentées en détails ci-dessous :

Écrou double préchargé à ressort

La sélection de la tension de ressort correcte est cruciale pour optimiser la précharge (voir Sélection de ressorts de traction et de ressorts de compression – aperçu/utilisations/exemples d'application). L’écrou double à ressort est une bonne option pour les petits entraînements à vis à billes. Les deux écrous sont situés dans un boîtier en rotation fixe, où ils sont écartés par un ressort serré entre eux. Le ressort garantit que la précharge reste toujours la même, même en cas d’usure ou en raison des tolérances de fabrication. La précharge elle-même est également relativement petite. Les inconvénients de l'écrou double à ressort sont qu'il est généralement plus complexe et plus grand et que l'alignement est plus difficile. Les forces ne peuvent plus être transférées dans toutes les directions : le ressort peut présenter une limite d’élasticité si les forces sont supérieures à la force de précharge.

Installation de billes dotées d’une taille définie

Les billes peuvent être montées avec un encombrement défini si des écrous standard individuels sont utilisés dans l'entraînement de la vis à billes.   Cela se traduit par un contact à quatre points entre quatre points de la bille et l’écrou. Cela entraîne une augmentation significative de la friction.

• (1) Vis-mère (coupe transversale)
• (2) Écrou (coupe transversale)

En raison de la friction élevée, cette méthode doit être utilisée avec une petite précharge ou un jeu. L’efficacité se détériore quelque peu et la réponse aux tolérances de production est également plus élevée avec ce type de précharge. Pour les vis-mères particulièrement longues, il n'est donc pas judicieux d'installer des écrous simples préchargés. Les avantages sont : efficacité et design compact.

Installation d'un seul écrou avec décalage de pas

Un décalage de pas peut toujours être sélectionné pour des écrous individuels. Cela implique l'installation d'un écrou avec un pas de filetage qui s'écarte légèrement de la broche. Ce décalage défini entraîne le déplacement de la position des éléments roulants dans le filetage de la broche, ce qui entraîne un contact à deux points. Cette méthode est adaptée au préchargement moyen.

• (1) Vis-mère (coupe transversale)
• (2) Écrou (coupe transversale)

Installation d'un élément d'entretoise pour les écrous doubles

Une variante de précharge plus complexe consiste à installer un système à double écrou avec un élément d’entretoise.

• (1) Vis-mère (coupe transversale)
• (2) Écrou (coupe transversale)
• (3) Élément d’entretoise

Deux écrous filetés sont serrés l’un contre l’autre au moyen d’un élément d’espacement, ce qui entraîne un contact à deux points. La friction augmente très peu en conséquence. Le jeu axial est presque complètement éliminé, ce qui contribue à la rigidité et à la précision de l'entraînement de la vis à billes. Cette méthode est viable pour les précharges moyennes et élevées. Les éléments d'entretoise permettent de régler facilement la précharge, c'est pourquoi ils sont adaptés aux charges variables.