リードスクリュー

リードスクリュー（またはリードスクリュー）は、パワースクリュー^[1]またはトランスレーションスクリュー^[2]としても知られ、機械のリンク機構として使用され、回転運動を直線運動に変換します。雄メンバーと雌メンバー間の滑り接触面積が大きいため、ねじ山は他のリンク機構と比較して摩擦エネルギー損失が大きくなります。リードスクリューは通常、高出力を伝えるために使用されず、低出力アクチュエータやポジショナー機構で断続的に使用されます。リードスクリューは、リニアアクチュエータ、マシンスライド（工作機械など）、バイス、プレス、ジャッキでよく使用されます。^[3]リードスクリューは、電動リニアアクチュエータの一般的なコンポーネントです。

リードスクリューは、他のねじ山と同じ方法で製造されます。つまり、転造、切断、研磨のいずれかの方法で製造されます。

リードスクリューは、分割ナット（ハーフナットとも呼ばれる）と一緒に使用されることがあります。分割ナットを使用すると、必要に応じてナットをねじから外し、ねじの回転とは無関係に軸方向に移動できます（手動旋盤でのシングルポイントねじ切りなど）。分割ナットは、ナットの部品を圧縮することで 摩耗を補正するためにも使用できます。

静圧リードスクリューは、通常のリードスクリューの多くの欠点を克服し、高い位置精度、非常に低い摩擦、非常に低い摩耗を備えていますが、高圧流体の連続供給と高精度の製造が必要であり、他のほとんどの直線運動リンク機構よりも大幅にコストが高くなります。^[4]

パワースクリューは、ねじ山の形状によって分類されます。

V ネジは、ネジ山間の摩擦が大きいため、Acmeなどの他のネジに比べてリードスクリューには適していません。V ネジのネジ山は、この摩擦を誘発してファスナーが緩まないようにするように設計されています。一方、リードスクリューは、摩擦を最小限に抑えるように設計されています。 ^[5]そのため、ほとんどの商業および産業用途では、リードスクリューに V ネジは使用されません。ただし、V ネジは、マイクロ旋盤やマイクロミルなどのリードスクリューとしてうまく使用されることがあります。^[6]

四角いねじは、その四角い形状にちなんで名付けられています。最も効率的で摩擦が最も少ないため、高出力のねじによく使用されますが、加工が最も難しいため、最も高価です。

アクメねじは29°のねじ山角度を持ち、四角ねじよりも加工しやすい。ねじ山角度によって摩擦が増加するため、四角ねじほど効率的ではない。^[3]また、アクメねじは台形ねじ形状のため、一般に四角ねじよりも強度が高く、耐荷重性も優れている。

バットレスねじは三角形です。ねじにかかる荷重が一方向にのみかかる場合に使用されます。^[7]これらの用途では四角ねじと同じくらい効率的ですが、製造はより簡単です。

リードスクリューの利点は次のとおりです。^[2]

• 大きな積載能力
• コンパクトさ
• デザインのシンプルさ
• 製造の容易さ
• 大きな機械的利点
• 精密で正確な直線運動
• スムーズで静かな操作
• メンテナンスの手間がかからない
• 部品点数が最小限
• ほとんどはセルフロック式（逆駆動不可）

欠点は、ほとんどがあまり効率的ではないことです。この低効率のため、連続的な動力伝達用途には使用できません。また、ねじ山の摩擦が大きく、ねじ山がすぐに摩耗する可能性があります。四角ねじの場合はナットを交換する必要があります。台形ねじの場合は、摩耗を補うために割りナットを使用することができます。 ^[5]

リードスクリューによる作動の代替手段としては、次のものがあります。

• ボールねじとローラーねじ（対比ではなくリードスクリューの一種として分類されることもある）
• 流体動力（油圧と空気圧）
• ギアトレイン（例：ウォームドライブ、ラックアンドピニオンドライブ）
• 電磁駆動（例：ソレノイド）
• 圧電アクチュエータ

荷物を持ち上げたり降ろしたりするために必要なトルクは、ねじ山を 1 回転「ほどく」ことで計算できます。これは、四角ねじまたはバットレスねじの場合に最も簡単に説明できます。ねじ山の角度は 0 であり、計算には影響しません。ほどかれたねじ山は、底辺が長く、高さがリードである直角三角形を形成します (右図)。荷物の力は下向き、法線力は三角形の斜辺に垂直、摩擦力は運動方向の反対方向 (法線力に垂直または斜辺に沿って) に向けられ、仮想の「努力」力は摩擦力の方向と反対方向に水平に作用します。この自由体図を使用して、荷物を持ち上げたり降ろしたりするために必要なトルクを計算できます。^{[8] [9]}${\displaystyle \pi d_{\text{m}}}$

${\displaystyle T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}}{\pi d_{\text{m}}-\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi +\lambda \right)}}$

${\displaystyle T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi -\lambda \right)}}$

どこ

• ${\displaystyle T}$= トルク
• ${\displaystyle F}$= ネジにかかる負荷
• ${\displaystyle d_{\text{m}}}$= 平均直径
• ${\displaystyle \mu \,}$= 摩擦係数（一般的な値は隣の表に記載されています）
• ${\displaystyle l}$= リード
• ${\displaystyle \phi \,}$=摩擦角
• ${\displaystyle \lambda \,}$= リード角

この式に基づくと、摩擦係数がリード角の接線よりも大きい場合、ねじはセルフロックしていることがわかります。同等の比較は、摩擦角がリード角（）よりも大きい場合です。^[11]これが当てはまらない場合、ねじは逆方向に駆動され、負荷の重量によって下がります。^[8]${\displaystyle T_{\text{lower}}}$${\displaystyle \phi >\lambda }$

上記のトルク方程式を使用して計算された効率は次の通りである: ^{[12] [13]}

${\displaystyle {\mbox{efficiency}}={\frac {T_{0}}{T_{\text{raise}}}}={\frac {Fl}{2\pi T_{\text{raise}}}}={\frac {\tan {\lambda }}{\tan {\left(\phi +\lambda \right)}}}}$

台形ねじなど、ねじ山角度がゼロ以外のねじの場合、摩擦力が増加するため、これを補正する必要がある。以下の式はこれを考慮している：^{[12] [14]}

${\displaystyle T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }}{\pi d_{\text{m}}-\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }+\tan {\lambda }}{1-\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)}$

${\displaystyle T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi \mu d_{\text{m}}\sec {\alpha }-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l\sec {\alpha }}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\mu \sec {\alpha }-\tan {\lambda }}{1+\mu \sec {\alpha }\tan {\lambda }}}\right)}$

ねじ角度の半分は どこですか。${\displaystyle \alpha \,}$

リードスクリューに荷重が乗るカラーがある場合、その界面間の摩擦力もトルク計算で考慮する必要があります。次の式では、荷重は平均カラー直径（）に集中していると仮定しています。 ^[12]${\displaystyle d_{\text{c}}}$

${\displaystyle T_{\text{c}}={\frac {F\mu _{\text{c}}d_{\text{c}}}{2}}}$

ここで、は荷重とカラー間の摩擦係数、はカラーの平均直径です。スラストベアリングを使用するカラーの場合、摩擦損失はごくわずかであり、上記の式は無視できます。^[15]${\displaystyle \mu _{\text{c}}}$${\displaystyle d_{\text{c}}}$

ねじ角度がゼロ以外の場合の効率は次のように表される。^[16]

${\displaystyle \eta ={\frac {\cos \alpha \ -\ \mu \tan \lambda }{\cos \alpha \ +\ \mu \cot \lambda }}}$

リードスクリュー（またはボールスクリュー）の運転速度は、通常、計算された臨界速度の80％以下に制限されます。臨界速度とは、スクリューの固有振動数を励起する速度です。スチールリードスクリューまたはスチールボールスクリューの場合、臨界速度はおよそ^{[18]です。}

${\displaystyle N={(4.76\times 10^{6})d_{\text{r}}C \over L^{2}}}$

どこ

• ${\displaystyle N}$= 臨界速度（RPM）
• ${\displaystyle d_{\text{r}}}$= リードスクリューの最小（ルート）直径（インチ）
• ${\displaystyle L}$= ベアリングサポート間の長さ（インチ）
• ${\displaystyle C}$= 片端が固定され、片端が自由の場合は .36
• ${\displaystyle C}$= 両端とも1.00
• ${\displaystyle C}$= 1.47 片端固定、片端単純
• ${\displaystyle C}$= 両端を固定した場合2.23

メートル法の単位を使用する場合: ^[19]

${\displaystyle N={\frac {Cd_{\text{r}}\times 10^{7}}{L^{2}}}}$

変数は上記と同じですが、値はミリメートル単位で、次のようになります。 ${\displaystyle C}$

• ${\displaystyle C}$= 固定自由支持の場合3.9 ^[20]
• ${\displaystyle C}$= 両端とも12.1をサポート
• ${\displaystyle C}$ = 固定支持構造の場合 18.7
• ${\displaystyle C}$= 両端を固定した場合27.2

• ボールねじ
• 微調整ネジ
• ジャックスクリュー

• バンダリ、VB（2007）、機械要素の設計、Tata McGraw-Hill、ISBN 978-0-07-061141-2。
• マーティン、ジョー（2004）、テーブルトップ加工：小型工作機械による小型部品製造の基本的アプローチ、ビスタ、カリフォルニア州、米国：Sherline、Inc.、ISBN 978-0-9665433-0-81998 年に初版が発行され、印刷ごとに内容が更新され、「改訂版」に似ています。現在は 4 回目の印刷中です。
• シグリー、ジョセフ E.; ミシュケ、チャールズ R.; ブディナス、リチャード ゴードン (2003)、『機械工学設計』（第 7 版）、マグロウ ヒル、ISBN 978-0-07-252036-1。