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预紧

第 1.4 节 - 技术原理

1.4.1 预紧的功能

SCHNEEBERGER MONORAIL 导轨表现出弹性变形行为，这种行为不是线性的而是递减性的（degressive）。 这意味著滚动元件在最小力作用下相对柔软，随著力的增加而变得更加刚硬。 导轨通过预紧进行预紧，因此部分弹性变形已经被消除。结果是整体系统的刚度得到提升。

SCHNEEBERGER MONORAIL 导轨经过预紧处理，确保轮廓轨道导轨在承受力时也能保持零间隙。 这意味著滚动元件不会从轨道上脱离。否则，由于预紧的结果，系统的刚度会受到影响， 进而也会影响移动力 FV 和使用寿命。

预紧的效果

  • 改变刚度：从而也改变导引系统的自然频率
  • 影响行程脉动：滑座的周期性运动变化
  • 增加位移阻力：提高滑座的抗位移能力
  • 影响使用寿命：增加作用在滑座上的负载，从而降低额定使用寿命。计算寿命时，需要将预紧作为附加力纳入考量

因此，预紧的选择始终是刚度、位移阻力和使用寿命之间的折衷，需要根据应用情况进行权衡。 为此，SCHNEEBERGER 提供四种不同的预紧等级 V0、V1、V2 和 V3。

预紧与使用寿命关系

Nominal service life as a function of preload and force based on the example of an MR 45 roller guideway. 以 MR 45 滚子导轨为例，额定使用寿命作为预紧和力的函数。比率 P/C (%) 以等效力 P (N) 和额定动载荷 C (N) 对额定使用寿命 Lnom (km) 作图。1=低预紧 2=中预紧 3=高预紧

1.4.2 预紧等级

SCHNEEBERGER 针对不同需求提供四种不同的预紧等级，范围在额定动载荷 C 的 0 - 13% 之间。 预紧等级的公差为 ± 3% C。详细数值可在 SCHNEEBERGER MONORAIL 和 AMS 产品目录中查阅。

V0 - 极低/微间隙

0% 或微小间隙

仅适用于 MONORAIL BM（钢球）系列

V1 - 低预紧

约 2-3% 的额定动载荷 C

高速运动、低负载、延长寿命

V2 - 中预紧

约 5-8% 的额定动载荷 C

标准应用，平衡刚度与寿命

V3 - 高预紧

约 10-13% 的额定动载荷 C

高刚度、精密加工、机床应用

产品系列对应

  • MONORAIL MR（滚子）系列：提供 V1、V2、V3 三种预紧等级（低、中、高预紧）
  • MONORAIL BM（钢球）系列：另外提供 V0 等级，预紧可在极低预紧和微小间隙之间变化

预紧的产生

滑座中的预紧 V 是通过使用过盈配合的滚动元件产生的。 这意味著滚动元件的直径比导轨与滑座之间的间隙大几微米。 因此，当滑座被推到导轨上时，滑座的侧翼会弯曲。 预紧是由滑座本体弹性产生的恢复力造成的。预紧力的大小通过选择相应的滚动元件直径来设定。

预紧力产生

Preload force Fvsp generated by rolling elements, which acts against the carriage. The figure shows a finished ground carriage top. 由滚动元件产生的预紧力 Fvsp，作用于滑座上。图示为精磨加工后的滑座顶部。

1.4.3 预紧对性能的影响

刚度与振动行为

低阻尼系统的振幅取决于激励频率与自然频率的比率。 较高的刚度会增加自然频率并减少静态挠度。 在机床中，目标是达到高自然频率，使得在指定的激励力和激励频率下，放大的振幅尽可能保持最小。

结论：使用高预紧等级的滚子导轨。

有效预紧范围

对于小于 3 倍预紧力的外部负载，预紧在负载下得以保持。 这意味著系统具有高刚度。如果外力超过预紧力的值，刚度会降低。 因此，在设计中如果有较高刚度的要求，需要确保保持在有效预紧力范围内。

设计要点

当外力 F < 3 × Fvsp（预紧力）时，系统保持高刚度。
当外力超过此阈值时，刚度会显著降低。

使用寿命考量

预紧等级也会影响导轨的使用寿命。预紧 V1、V2 或 V3 不仅增加刚度， 只要预紧有效，它们也会对滚动接触面施加负载。 在计算寿命时，需要将预紧力作为附加力纳入当量载荷计算中。

影响使用寿命的因素包括：作用在 MONORAIL 滑座上的力、所选的预紧、 额定动载荷以及事件概率。如果整个行程距离上作用恒定的力， 则使用等效力 P 计算寿命。然而，如果预期有变化的力，则必须使用动态等效力 Pj。

选择建议

在选择预紧等级时，应综合考虑刚度需求、运动速度、负载条件和寿命要求。 详细的选型指南请参阅第 4.5 节 - 预紧。

1.4.4 预紧的调整与互换性

预紧的量测与检验

预紧不仅会使滑座侧翼膨胀，还会在滑座顶部产生轻微的下沉。 这种顶部的变形与预紧力的大小成正比，因此可用于量测和检验预紧。

安装注意事项

为保证滑座安装后保持默认的预紧，必须遵守本手册中规定的连接结构的平整度规范。 否则，在拧紧螺钉时可能因滑座变形而导致预紧损失或预紧增加。

滑座的互换性

SCHNEEBERGER MONORAIL 导轨的一个特点是，无论预紧如何， 滑座在任何导轨上都具有水平的滑座顶部。 不同预紧的滑座可以在任何导轨上使用。设定的预紧始终保持不变。

MONORAIL 滑座和导轨是独立制造的，具有极高的精度，因此完全互换。 这意味著任何滑座都可以在同一尺寸的任何轨道上使用，而不会影响预紧等级， 因为预紧是由滑座的滚动元件决定的。

滑座更换

同一尺寸的滑座可以更换，预紧得以保持。 根据类型不同，滑座具有不同的螺钉孔模板。 滑座类型 A 和 B 是例外。尽管它们的长度不同，但具有相同的钻孔模板，因此可以互换。 例如，短型（A）和长型（B）滑座可以互换，而无需修改机床滑台。 这对于所有其他滑座类型是不可能的。

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