Kierretanko vai hihna? CNC-akselin vetotavan valinta

Kaksi rakentajaa tilaa samat moottorit, saman ohjaimen ja saman alumiiniprofiilin. Toisen kone tekee 12 000 mm/min pikaliikkeitä, toisen 4 800 mm/min – mutta toinen jyrsii alumiinia ja toinen ei. Ero on yksi osa: vetotapa. Kun rakennat omaa CNC-jyrsintä, 3D-tulostinta, laserkonetta tai lineaariakselia, yksi ensimmäisistä isoista päätöksistä on kierretanko vai hihna? Valinta ei ole makuasia eikä pelkkä hintakysymys. Se määrää akselin huippunopeuden, työntövoiman, resoluution, jäykkyyden, käyttöpituuden ja sen, pysyykö akseli paikallaan, kun virta katkeaa.

Tässä vertailussa käymme läpi kaksi hobbyluokan valtavirtaratkaisua: T8-trapetsikierretangon (Tr8x8) ja 6 mm GT2-hammashihnan 20-hampaisella hihnapyörällä. Käytämme oikeita lukuja, oikeita kaavoja ja oikeita hintoja, jotta voit tehdä päätöksen omalle koneellesi etkä kopioi sitä sattumanvaraisesti jostain rakennusohjeesta.

Sisällysluettelo

1. Miten liike syntyy
2. Nopeus ja hyötysuhde
3. Työntövoima ja pitokyky
4. Resoluutio ja välys
5. Jäykkyys ja akselin pituus
6. Trapetsikierre vs. M8-tanko
7. Hinta, melu ja huolto
8. Kierretanko vai hihna – vertailutaulukko
9. Suositukset akselikohtaisesti
10. Askelasetukset ja asennusvinkit
11. Osaluettelo molempiin vetotapoihin
12. Yhteenveto

Miten liike syntyy

Ero on periaatteessa yksinkertainen, mutta siitä seuraa lähes kaikki muu.

Kierretanko: moottori pyörittää itse tankoa, ja kelkkaan kiinnitetty mutteri kulkee kierteen mukana eteenpäin. Kierre toimii valtavana alennusvaihteena. Haittapuoli: pitkä osa – tanko itse – pyörii koko pituudeltaan, ja mutteri liukuu terästä vasten joka kierroksella.

Hihnaveto: moottori pyörittää pientä hihnapyörää, ja hammashihna vetää kelkkaa. Vain hihnapyörät pyörivät; pitkä osa eli hihna on paikallaan ja pelkästään vedossa. Välitys on käytännössä 1:1, joten liike on nopeaa mutta vääntö ei monistu.

Muista tämä yksi lause: kierretankoakselilla pitkä osa pyörii, hihna-akselilla pitkä osa on paikallaan ja venyy. Kierretangon raja on kriittinen pyörimisnopeus (tangon ruoskiminen), hihnan raja on venymä ja löysyys.

Nopeus ja hyötysuhde

Liike moottorin kierrosta kohti kertoo kaiken:

• Tr8x8-kierretanko: 8 mm/kierros
• GT2 + 16 hampaan pyörä: 2 mm × 16 = 32 mm/kierros
• GT2 + 20 hampaan pyörä: 2 mm × 20 = 40 mm/kierros eli 5× kierretanko
• GT2 + 40 hampaan pyörä: 80 mm/kierros eli 10× kierretanko

NEMA17-moottorilla realistisella 600 rpm:n kierrosnopeudella tämä tarkoittaa: kierretanko 80 mm/s (4 800 mm/min), GT2 20H 400 mm/s (24 000 mm/min). Käytännössä hihnavetoinen akseli tekee 1 000 mm matkalla 8 000–15 000 mm/min pikaliikkeitä ilman ongelmia, kun kierretankokone alkaa jo kuumentua ja mutteri kuluu.

Taustalla on hyötysuhde. Trapetsikierteen mekaaninen hyötysuhde on vain noin 20–40 % – loput menee liukukitkaan ja lämmöksi. Hihnavedon hyötysuhde on tyypillisesti yli 90 %. Siksi teollisuudessa hihna on oletusvalinta pitkille iskuille, suurelle läpimenolle ja tiheälle käynnistys–pysäytysrytmille.

Työntövoima ja pitokyky

Tässä kierretanko ottaa selvän voiton. Kaavat:

Kierretanko:  F = 2π · T · η / nousu
Hihna:        F = T / r        (r = hihnapyörän jakohalkaisijan säde)

Sama NEMA17, 40 Ncm eli 0,4 Nm:

• Tr8x8, η ≈ 0,35 → F ≈ 2π × 0,4 × 0,35 / 0,008 m ≈ 110 N (n. 11 kg)
• GT2 20H (jakohalkaisija 12,73 mm, r = 6,365 mm) → F ≈ 0,4 / 0,006365 ≈ 63 N
• GT2 40H (r = 12,73 mm) → F ≈ 31 N

Kierretanko antaa siis heikommasta hyötysuhteesta huolimatta 2–5-kertaisen työntövoiman samalla moottorilla, koska 8 mm/kierros on iso alennus. Vähennä lukemista noin puolet varmuuden vuoksi: askelmoottorin vääntö romahtaa kierrosnopeuden kasvaessa.

Hihnalla on lisäksi toinen katto, jota moottori ei näe: hihna itse. Halvan 6 mm GT2-hihnan murtolujuus on luokkaa 500–550 N, mutta suositeltu käyttökireys vain pari kiloa. Käytännössä 6 mm hihna-akseli suunnitellaan kymmenien newtonien voimille – sitä suuremmilla kuormilla hihna hyppää hampaan yli (askelhäviö, kerrossiirtymä) kauan ennen kuin moottori jumittuu. Siksi järeämmät koneet siirtyvät 9 mm hihnaan tai GT3-profiiliin.

Painovoima ja pitokyky ovat ratkaisevassa roolissa Z-akselilla. Pysähtynyt kierretanko pitää asemansa: jos ohjain menettää virran, kara jää paikalleen sen sijaan, että putoaisi työkappaleen läpi. Kitka luo itselukitusvaikutuksen. Rehellinen tarkennus: Tr8x8:n nousukulma on noin 20 °, mikä on tiukan itselukituksen rajan yläpuolella, joten nelikierteinen Tr8x8 voi periaatteessa valua takaisin raskaalla kuormalla. Yksikierteinen Tr8x2 (nousukulma ~5 °) on varmasti itselukittuva. Käytännössä askelmoottorin pitovääntö, mutterin kitka ja 5-kertainen alennus riittävät hyvin pitämään pedin tai portaalin paikallaan.

Hihnavetoinen Z sen sijaan valuu alas heti virrankatkaisussa, ellei mukana ole vastapainoa tai hihna-alennusvaihdetta. Juuri näin Voron 2.4 tekee: hihnavetoinen Z-akseli alennuksella.

Resoluutio ja välys

1,8° moottori (200 askelta/kierros) ja 1/16 mikroaskellus = 3 200 mikroaskelta/kierros:

askelta/mm (hihna) = (askelta/kierros × mikroaskeleet) / (hihnan jako × hampaat)
askelta/mm (ruuvi) = (askelta/kierros × mikroaskeleet) / nousu

GT2 16H : 3200 / 32 = 100 askelta/mm  → 0,010  mm
GT2 20H : 3200 / 40 =  80 askelta/mm  → 0,0125 mm
GT2 40H : 3200 / 80 =  40 askelta/mm  → 0,025  mm
Tr8x8   : 3200 /  8 = 400 askelta/mm  → 0,0025 mm

Kierretanko antaa siis viisinkertaisen teoreettisen resoluution. Tästä syystä Marlinin vakiorivi on kirjaimellisesti { 80, 80, 400, 93 }: X ja Y hihnalla, Z kierretangolla.

Kierretangon välys ja sen poisto

Välys on kuitenkin toinen tarina. Tavallinen T8-messinkimutteri antaa suoraan paketista 0,2–0,5 mm välystä, ja se muuttuu mittavirheeksi jokaisessa suunnanvaihdossa. Jousikuormitteinen kaksiosainen T8 Anti-backlash -mutteri (3,90 €) painaa puolikkaat vastakkaisia kierrepintoja vasten ja pudottaa välyksen alle 0,05 mm:iin. Sen POM-sisäke on itsevoiteleva, joten se on myös hiljaisempi kuin puhdas messinki. Tätä osaa ei kannata jättää pois mistään kierretankoakselista, jolla on väliä.

Hihnan jousto käyttäytyy kuin välys

GT2-hihnan pyöristetyssä hammasprofiilissa on lähes olematon geometrinen välys – se on koko profiilin idea vanhempiin T2.5- ja MXL-hihnoihin verrattuna. Sen sijaan hihnalla on joustoa, joka käyttäytyy kuormanvaihdossa kuin välys. Käytännön tarkkuus on 0,05–0,2 mm kireyden ja jännevälin mukaan, ja se muuttuu ajan ja lämpötilan myötä. Kireys on huoltokohde: oikein kiristetty 6 mm GT2-hihna soi näpäytettäessä noin 85–110 Hz tavallisella tulostimen jännevälillä.

Toinen usein ohitettu virhelähde on hihnapyörän kiinnitys. Jos hihnapyörän lukitusruuvi ei ole moottoriakselin tasopintaa (D-lovea) vasten, pyörä luistaa mikroskooppisesti joka suunnanvaihdossa ja saat oireen, joka näyttää täysin hihnan välykseltä mutta ei korjaannu kiristämällä. Laadukas alumiinipyörä kahdella ruuvilla, kuten GT2 hihnapyörä 20H 5mm, poistaa tämän ongelman kokonaan.

Jäykkyys ja akselin pituus

Tämä on useimmiten se kohta, joka ratkaisee päätöksen.

Aksiaalinen jäykkyys. 400 mm teräksinen Tr8x8 on luokkaa tuhansia newtoneita millimetriä kohti (käytännössä mutteri, yhdistäjä ja päälaakerit rajoittavat). 6 mm GT2-hihna 500 mm vapaalla jännevälillä on noin 60 N/mm ja 1 000 mm jännevälillä noin 30 N/mm. Se tarkoittaa, että 10 N sivuttainen leikkuuvoima siirtää 500 mm hihnajännettä ~0,17 mm ja 1 000 mm jännettä ~0,33 mm. Sama voima ei liikuta kierretankoakselia käytännössä lainkaan. Tästä syystä hihna myös värähtelee ja menettää mittatarkkuutta kuormassa: puu, MDF ja vaahtomuovi ovat sen kotikenttää, alumiini ja teräs eivät.

Kierretangon ruoskiminen. Kriittinen pyörimisnopeus rajoittaa pitkää kierretankoa:

n_c = C × 4,76e6 × d_r / L²      (d_r ja L tuumina)
C: pää kiinni + toinen vapaa 0,36 | molemmat tuetut 1,00
   yksi kiinni + yksi tuettu 1,47 | molemmat kiinni 2,23

Tr8x8, d_r ≈ 6,2 mm (0,244"):
L = 400 mm, pää vapaa  → n_c ≈ 1 690 rpm → 80 % ≈ 1 350 rpm ≈ 180 mm/s
L = 800 mm, pää vapaa  → n_c ≈   420 rpm → 80 % ≈   340 rpm ≈  45 mm/s
L = 800 mm, molemmat tuetut → n_c ≈ 1 170 rpm (n. 3× nopeampi)

Kriittinen nopeus skaalautuu suhteessa 1/L², eli akselin pituuden kaksinkertaistaminen pudottaa turvallisen kierrosnopeuden neljäsosaan. Yli noin 500 mm:n pituisella tangolla, kuten T8 kierretangolla (800 mm), tarvitset tukilaakerin molempiin päihin – muuten tanko ruoskii näkyvästi jo kauan ennen laskennallista rajaa, koska halvat tangot eivät ole täysin suoria.

Hihna-akselilla vastaavaa rangaistusta ei ole, koska vain pieni hihnapyörä pyörii. Juuri tästä syystä käytännössä jokainen suuriformaattinen hobbyjyrsin – LowRider, MPCNC, X-Carve, Shapeoko – on hihnavetoinen X- ja Y-akselilla.

Z-wobble. Kierretanko ei ole koskaan täysin suora, mistä syntyy tulosteisiin jaksollinen aaltoilu (jakso 8 mm Tr8x8:lla). Korjauskeinot: käytä joustavaa akselinyhdistäjää 5x8mm jäykän sijasta, älä sido väärää tankoa molemmista päistä (se taipuu banaaniksi), anna mutterin kellua sivusuunnassa ja pidä kelkan paino aina lineaarilaakereilla – ei koskaan ruuvilla. Hihnalla tätä ilmiötä ei ole lainkaan, koska mikään pitkä osa ei pyöri.

Poikkeus: jos moottorin ja ruuvin kohdistus on koneistettu tarkaksi ja haluat maksimaalisen aksiaalisen jäykkyyden esimerkiksi jyrsimen Z-akselille, kiinteä akselinyhdistäjä 5x8mm ei jousta lainkaan pituussuunnassa. Joustava yhdistäjä nimittäin taipuu myös vetävässä suunnassa jonkin verran – täysin merkityksettömästi tulostimessa, mutta havaittavasti raskaassa upotusleikkauksessa.

Trapetsikierre vs. M8-tanko

Kaikki Protocachen T8-tangot ovat 304-ruostumatonta terästä ja trapetsikierteisiä (TR8, noin 30° kylkikulma, nelikierteinen, nousu 8 mm/kierros). Trapetsi- ja ACME-kierteet ovat voimansiirtokierteitä: ne on suunniteltu muuttamaan pyörintä liikkeeksi pienellä kitkalla ja suurella kuormankantokyvyllä.

Rautakaupan M8-kierretanko on eri asia. Sen 60° kolmiokierre on suunniteltu puristamaan, ei liikuttamaan. Seuraukset: korkea kitka, mutterin jumiutuminen ja nykiminen, vääntöhäviöt, vain 1,25 mm liikettä kierrosta kohti (2 560 askelta/mm 1/16 mikroaskelluksella – tuskastuttavan hidas ja se kuluttaa ohjaimen askeltaajuutta) sekä huono suoruus. Älä käytä sitä lineaarivetoon.

Nimivaroitus: ”T8” tarkoittaa markkinoilla sekä Tr8x8:aa (2 mm jako × 4 kierrettä = 8 mm nousu) että Tr8x2:ta (yksikierteinen, 2 mm nousu). Sama 8 mm ulkohalkaisija, täysin eri käyttäytyminen: Tr8x2 on 1 600 askelta/mm ja varmasti itselukittuva mutta nelinkertaisesti hitaampi. Kaikki Protocachen T8-tuotteet ovat nelikierteisiä 8 mm nousun versioita, ja mutterin on vastattava nousua – ei pelkkää halkaisijaa.

Hinta, melu ja huolto

Akselikohtainen hinta oikeilla hinnoilla:

• Kierretankoakseli: T8 kierretanko 400 mm 12,90 € + anti-backlash-mutteri 3,90 € + joustava yhdistäjä 4,90 € = 21,70 € (+ laakeripesät pidemmillä matkoilla). Huomaa: mutteria ei toimiteta minkään tangon mukana.
• Hihna-akseli: GT2 hammashihna 6mm 2,90–4,90 € + GT2 hihnapyörä 20H 8mm 3,90 € = 6,80–8,80 € (+ kiristin ja ohjainpyörä).

Hihnaveto on siis noin kolmasosa hinnasta, eikä kustannus kasva pahasti pituuden myötä – hihnaa saa muutamalla eurolla metrin. Kierretangon hinta on tasainen 12,90 € koko valikoimassa: 250 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 700 mm ja 800 mm. Pitkät tangot pakottavat kuitenkin laakeripesiin ja pudottavat käytettävää nopeutta, joten todellinen kokonaishinta nousee.

Melu: hihna on hiljainen, kierretangossa liukukontakti tuottaa tunnusomaisen viheltävän huminan ja siirtää mutterin nykimisen runkoon. POM-sisäkkeinen mutteri on selvästi hiljaisempi kuin puhdas messinki. Järjestys on hihna < kierretanko < kuularuuvi. Matalilla nopeuksilla ajuri hallitsee kuitenkin äänimaailmaa: TMC2209 StealthChop-tilassa poistaa askelmoottorin vinkumisen, minkä jälkeen mekaniikan ääni alkaa kuulua.

Huolto: kierretanko tarvitsee voitelua ja mutteri on kuluva osa – välys palaa vähitellen. Hihna tarvitsee uudelleenkiristystä ja hampaat on pidettävä puhtaana; hiekka ja pöly upottuvat hampaisiin ja kuluttavat. Kierretanko sietää pölyä ja lastuja selvästi paremmin.

Kierretanko vai hihna – vertailutaulukko

Ominaisuus	T8 kierretanko (Tr8x8)	GT2-hihna (6 mm, 20H)
Liike / moottorin kierros	8 mm	40 mm
Resoluutio 1/16	400 askelta/mm, 0,0025 mm	80 askelta/mm, 0,0125 mm
Nopeus @600 rpm	80 mm/s	400 mm/s
Työntövoima 0,4 Nm	~110–150 N	~60 N (hihna rajoittaa aiemmin)
Hyötysuhde	20–40 %	yli 90 %
Välys	0,2–0,5 mm; alle 0,05 mm anti-backlash-mutterilla	lähes 0 geometrisesti, 0,05–0,2 mm joustosta
Aksiaalinen jäykkyys	erittäin suuri (kN/mm)	matala (~30–60 N/mm)
Pitää aseman ilman virtaa	kyllä	ei
Käytännön maksimipituus	~500 mm ilman tukilaakereita, ~800 mm laakeripesät molemmissa päissä	1 000 mm+
Melu	kuuluva hurina	hiljainen
Hinta / akseli	~21,70 €	~7–9 €
Törmäystilanne	moottori jumittuu, jotain taipuu	hihna hyppää hampaan yli

Suositukset akselikohtaisesti

• 3D-tulostimen X/Y: hihna, aina. Kevyt kelkka, suuri nopeus ja kiihtyvyys, tiheät suunnanvaihdot, ei työntövoiman tarvetta. GT2 6 mm + 20H, 80 askelta/mm. Ender 3 käyttää 852 mm suljettua silmukkaa.
• 3D-tulostimen Z: kierretanko Tr8x8, 400 askelta/mm. Hidas akseli, liikkuu tulostuksen aikana yhteen suuntaan (välys ei haittaa), pitää pedin painovoimaa vastaan. Hihnavetoinen Z alennuksella kannattaa vain, jos jahtaat Z-wobblen poistoa.
• CNC-jyrsimen X/Y puulle ja MDF:lle, suuri formaatti: hihna. 0,05–0,2 mm riittää puulle, ja kierretangon ruoskiminen tekee ruuvista epäkäytännöllisen yli ~500–600 mm:llä.
• CNC-jyrsimen Z: kierretanko, käytännössä pakollinen. Tarvitsee upotusvoimaa, ei saa pudottaa karaa virtakatkossa, liikematka on lyhyt (100–150 mm), joten kriittinen nopeus ei rajoita. Lisää anti-backlash-mutteri.
• Alumiinin ja teräksen jyrsintä: ruuvit kaikilla akseleilla. Metallin syöttönopeudet ovat matalia (alumiini ~1 300–1 700 mm/min, teräs ~500–620 mm/min), joten ruuvin hitaus ei haittaa lainkaan – kun taas puulle haluat 6 000–30 000 mm/min, mihin vain hihna pystyy.
• Laserin portaali: hihna. Kevyt pää, suuri nopeus, nolla leikkuuvoima.
• Kameraliuku, lineaariaktuaattori, laboratoriopositioija: kierretanko, jos akselin on pidettävä asema tai nostettava pystysuunnassa; hihna, jos sen on liikuttava pitkälle ja nopeasti.

Yhdistelmä on normaali ja oikea ratkaisu: teollisuudessakin sama kone käyttää ruuvia pystynostoon ja hihnaa vaakaliikkeeseen.

Askelasetukset ja asennusvinkit

// Marlin: X,Y GT2 20H hihnalla, Z Tr8x8 kierretangolla
// 1,8° moottorit, 1/16 mikroaskellus
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT { 80, 80, 400, 93 }

// Ajonaikainen säätö ja tallennus:
// M92 X80 Y80 Z400
// M500

[stepper_x]
rotation_distance: 40   # 2 mm jako x 20 hammasta
microsteps: 16

[stepper_z]
rotation_distance: 8    # Tr8x8 nousu
microsteps: 16

# Klipper: rotation_distance = hihnan jako x hampaat, tai = ruuvin nousu
# grbl: $100 / $101 / $102 ovat askelta/mm, sama laskenta

Kierretanko: käytä 5 mm moottoriakselin ja 8 mm ruuvin välissä joustavaa yhdistäjää, älä jäykkää, ellei kaikki ole koneistettu tarkaksi – jäykkä yhdistäjä siirtää jokaisen asennusvirheen mutteriin ja runkoon. Anna mutterin kellua sivusuunnassa (tai käytä Oldham-liitosta), niin Z-akselin raidoitus jää pois. Älä koskaan anna ruuvin kantaa kelkan painoa. Tue molemmat päät laakeripesillä yli ~500 mm:llä.

Hihna: kaksilaippaiset hihnapyörät (Protocachen GT2-pyörät ovat sellaisia) pitävät hihnan radallaan. Pidä vähintään kuusi hammasta kerrallaan kosketuksessa hihnapyörään. Kiristä molemmat kiinnitysruuvit akselin tasopintaan. Kiristä hihna noin 85–110 Hz näpäytysääneen ja tarkista uudelleen ensimmäisten käyttötuntien jälkeen, kun uusi hihna asettuu. Sovita reikä akseliin: 5 mm tavalliselle NEMA17:lle, 8 mm 8 mm vetoakselille, 6,35 mm tuumakoolle (yleinen NEMA23-moottoreissa). Älä sekoita profiileja – GT2-pyörät toimivat vain GT2 6 mm hihnalla, sillä MXL- ja T2.5-hammasgeometria on erilainen.

Alennusvaihde hihnalla

Jos tarvitset hihnan nopeuden mutta ruuvin väännön, rakenna kaksivaiheinen hihnaveto: moottorille pieni pyörä ja vetoakselille iso. Esimerkiksi 20H → GT2 hihnapyörä 40H 8mm antaa 2:1 alennuksen: työntövoima kaksinkertaistuu, resoluutio kaksinkertaistuu (160 askelta/mm) ja nopeus puolittuu – mutta pyörivät osat pysyvät lyhyinä, joten kriittisen pyörimisnopeuden rangaistusta ei tule. Tämä on tapa tehdä hihna-Z, joka ei valu alas: 3:1 tai 4:1 alennuksella kelkan paino ei riitä pyörittämään moottoria takaisin. 36-hampainen pyörä on tähän hyvä välimuoto.

Osaluettelo molempiin vetotapoihin

Alla ovat tässä artikkelissa käsitellyt osat. Kierretankoakselille tarvitset kolme osaa: tangon, mutterin ja yhdistäjän – huomaa, että mutteria ei toimiteta tangon mukana. Hihna-akselille riittävät hihna ja hihnapyörä oikealla akselireiällä.

Kierretankoveto

Hihnaveto

Yhteenveto

Kysymys kierretanko vai hihna ei siis kaipaa yhtä vastausta vaan akselikohtaisen vastauksen. Kysy itseltäsi kolme asiaa: pitääkö akselin pitää kuormaa ilman virtaa, kuinka pitkä se on, ja tarvitsetko työntövoimaa vai nopeutta. Vastaukset kertovat vetotavan lähes aina yksiselitteisesti.

Lyhyesti: hihna, kun akseli on pitkä, kevyt ja nopea – tulostimen X/Y, laserportaali, iso puujyrsin. Kierretanko, kun akselin pitää pitää kuormaa tai työntää lujaa – kaikki Z-akselit, metallijyrsintä, lineaariaktuaattorit. Sekoita rohkeasti: paras hobbykone käyttää kumpaakin siinä, missä se on paras.

Molemmat vetotavat löytyvät Protocachen valikoimasta varastosta ja Suomesta toimitettuna – T8-trapetsikierretangot 250–800 mm, anti-backlash-mutterit, GT2-hihnat ja hihnapyörät kaikilla tavallisilla akselireiillä. Tutustu valikoimaamme ja tilaa akselisi osat kerralla, niin pääset rakentamaan sen sijaan, että odotat.