モーターベアリングにおける波動バネ使用の問題点

波動バネとは

モーターベアリングシステムの配置では、いくつかのベアリングに予圧を加えるためにスプリングが使用されることが多い。大型モーターでは、一般的にコラムスプリングが使用されます。小型モーターでは、ウェーブスプリングまたはバタフライスプリングが最もよく使用されます。
ウェーブスプリングは、その名の通り波状の形状をしたバネ部品である。通常、荷重や変形が小さく、ばね剛性が小さく、軸力が小さい用途に使用されます。軽量・小型であるため、軽量化やスペースの限られた作業場に適している。

モーターベアリングシステムでは、ベアリングにアキシャル荷重をかけ、ベアリングノイズを最小限に抑えるとともに、擬似ブリネル圧痕を避ける役割を果たす。

• 作業高さの低減

スペースに制約のあるアプリケーションでは、従来の丸線ばねと比較して最大50%のスペースを節約できます。スペースの節約は、平らなスプリングの使用により実現できます。 材料 および正弦波波形のスプリングを製造することができます。その結果、製造に必要な材料が少なくなり、スプリングはよりコンパクトになり、スプリングとコンポーネントの総重量を減らすことができます。

• 設計の柔軟性

多くのユニークなプロセスに基づき、スプリングのどの側面も、アプリケーションの要件を満たすために特別に調整することができます。コイルの数、厚さ、端部のタイプ、波形の分布、材料のタイプはすべて、ユーザーのニーズに合わせてカスタマイズすることができます。

• コスト削減

従来の丸いワイヤースプリングに比べ、低い作業高さを可能にします。アセンブリ全体のサイズを小さくすることができ、製造に必要な材料が少なくて済むため、製造がより経済的で迅速になります。外周に鋳物や機械加工部品があるアプリケーションでは、ウェーブスプリングのコストを大幅に削減することができます。

• 均一な強度分布

力の均一な分散を必要とする一般的なアプリケーションは、シール、バルブ、コンポーネントに使用されるプラスチックのような柔らかい材料です。丸線スプリングと違い、より均等な力の分布が可能です。圧縮時、丸線スプリングは不意に曲がったり変形する可能性があります。高さが低いので 製品 も同様の誤差を減らすことができる。力の分布は重要な応用問題であり、片端または両端が平らな形状になるように設計することができる。360度の コンタクト平らな端部は、隣接する部品により均等にスプリングの力を分散させる。

• 汎用性

様々な産業で使用でき、ほとんどの用途に適している。例

フローバルブ：カウンタートップスプリングは、流体圧力の増加に伴うピストンの直線変位を正確に制御します。

圧力開放バルブ：アッセンブリ下の空気圧がスプリング荷重を増加させ、プレートをシール面から強制的に離し、圧力を下げるメカニズムを提供します。圧力が減少すると、スプリングは元の作動高さに戻り、ユニットが再びシールできるようになります。

シール面：流体を適切にシールするため、圧力をかけて相手面に正確に負荷をかけます。

振動アイソレーター：一定の負荷のもとで、アイソレーターは装置の作動中の振動を減衰させます。正確で予測可能な荷重/たわみ曲線を提供するために使用されます。

ウェーブ・スプリング・スタンダード

この製品は主に軸系に軸力を加えるために使用される。このスプリングの変形は、軸方向の圧縮によって発生する弾性力です。その結果生じる弾性力は、実際には曲げ変形に対するスプリングの内部抵抗です。

具体的なパラメータは、JB/T7590「電気機械用鋼製波動ばねの技術条件」に記載されているか、波動ばねのサプライヤーから入手することができる。
製品の材料はバネ鋼で、グレードは65Mn、表面酸化処理後、その硬度は45-52HRCの間です。
国内規格でのサイズ範囲はD16～D240で、内径は11.7mm～204mm。この範囲を超えるサイズについては、追加の検討または代替方法の使用が必要となる。

弾力性 ウェーブ スプリング

つまり、バネが自由高さHから試験高さhまで変形するとき、バネ力は規格で与えられた範囲内でなければならない。
実際の使用状態でスプリングの変形がこの範囲を超えると、スプリングの力がこの範囲に収まらなくなる。これは多くのモーターメーカーが遭遇する一般的な問題です。スプリングの変形が大きすぎることもあれば、小さすぎることもある。いわゆる大きすぎたり小さすぎたりするのは、規格の試験高さに達していないのです。
一方、製品の試験後の応力と靭性は規格に規定されている。スプリングの弾性の大きさは、上記規格の試験後の最小値の90%を下回ってはならない。同様に一定の曲げ後、損傷が発生してはならない。
従って、変形範囲内であれば、バネに圧力を加えただけで破損したり、弾性が大きく変化したりすることはないはずだ。

ウェーブスプリングとモーターベアリングの予圧

モーター軸受システムにおけるウェーブスプリングの機能は、アキシャル荷重と荷重を加えることであるため、このスプリングのバネ力は、加えるべき予圧値と等しくなければならない。つまり、試験高さ（変形後の高さ）におけるバネ力は、軸受に必要なアキシャル予圧値の範囲内でなければならない。

ウェーブスプリングの用途

• 航空宇宙用電気コネクター

この装置の2つのシングルレイヤー・ヒッチ製品は、圧縮時にジョイントに一定の力を与え、連続的な接続を保証する。

• フローバルブの用途

流体圧が上昇すると、スプリングがプランジャーの直線的な変位を正確に制御し、流体オリフィスを適切な流体の流れを可能にする位置に配置します。

• 多歯切削工具

このカッティング・ツールは、位置決めチップで製造された特別設計の製品を使用している。ウェーブスプリングは、カッティングツールの2つのハーフに圧力を加え、揺動させながら結合させる。

• クリーク

圧縮空気がバルブを通して供給されると、ウェーブスプリングが圧縮され、バルブからの流量を正確に調整する一定の圧力を正確に維持します。

• 圧力開放切換弁

正確な圧力は、このスプリングを用いて達成される。この装置の下での空気圧によってスプリングの荷重が増加し、プレートがシール面から強制的に離され、圧力リリーフ機構が提供されます。スプリングにかかる荷重が減少すると、ユニットは再びシールできるようになります。

• ウォーターバルブ

ウェーブスプリングは、平線圧縮スプリングとして知られ、一定の荷重を維持し、スピンドルのスレッドに係合することで、バルブハンドルが回転するのを防ぎます。ハンドルが反時計回りに回転すると、スプリングの抵抗が増加し、回転し続ける可能性を減らします。

• フェースシール

この製品は、炭素鋼の表面に正確に荷重をかけることで、液体を適切にシールするための圧力をかけます。一定の作動範囲で作動し、正確な力が得られます。この製品は、必要な弾性率を維持できないスタンプ式ウェーブワッシャーに取って代わるものです。適切なシールを維持しながら過度の摩耗を避けるためには、炭素鋼表面からスプリングによって提供されるシール面に正確な圧力を加える必要があります。

ボビンで予圧をかける際によく発生する問題

• ウェーブスプリングの摩耗

エンジニアの中には、スプリング表面は熱処理されているため、ベアリング表面に摩耗が生じると考える人もいる。本当にそうなのでしょうか？深溝玉軸受の外輪の硬度は約56HRCですが、波動ばねの硬度は前述の通り45～52HRCですので、摩耗が発生した場合、ばねの方が厳しくなります。
しかし、このような磨耗は、次のような悪影響を及ぼす。 ウェーブスプリング 従って、ベアリングの予圧にも影響する。ではなぜ、スプリングが圧縮され変形した後にこのような摩耗が起こるのでしょうか？理論的には、ベアリングの外輪も回転していないはずであり、わずかなクリープがあったとしても、このような激しい摩耗は起こらないはずである。(ただし、外輪の回転は例外である。）
これは、軸受システムが運転中に振動している可能性が高く、この振動の方向にはラジアル方向とアキシャル方向の成分がある可能性がある。その結果、ベアリング端面とスプリングとの間に接触摩擦が発生し、このような摩耗が生じた。
もちろん、ベアリングの外輪が激しく動いている可能性もあるが、この要因は外輪を観察すればすぐにわかる。

• ウェーブスプリング破損

波動ばねがある程度の靭性を持っていることは、製品の規格から分かっている。モータのバネに軸力が加わった場合、妥当な範囲内の変形であればバネの能力は損なわれない。仮に変形範囲を超え、ばねが弾性力を失ったとしても、金属の弾性を考慮すれば破損することはない。

金属の破断は、ベアリングの疲労と同じ理由で、最初は疲労によって引き起こされる。多くの場合、せん断応力が一定回数繰り返されることで疲労が生じます。
一つはせん断応力であり、もう一つは再発である。せん断応力だけで波形バネが発生すると疲労破壊しにくい。それはせん断応力の相互発生の結果でなければならない。モータの場合、最大の可能性は、モータが振動状態で作動し、バネが圧縮され、反発し、また圧縮され、反発し続けることである。

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