Kugelrücklaufsysteme, Kugelumlaufspindelauswahl und Kugelumlaufspindelschmierung.

Durch die Auswahl der richtigen Kugelumlaufspindel für eine bestimmte Anwendung werden die Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Lebensdauer der Maschine sichergestellt und gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten minimiert.

Ein Kugelumlaufspindelantrieb wandelt Drehbewegungen in Linearbewegungen oder umgekehrt um und kann hohe Axialkräfte – bis zu 340.000 kg statische Tragkraft bei einem Kugelumlaufspindelantrieb mit Ø 153 mm – mit einem Wirkungsgrad von typischerweise über 90 % aufbringen bzw. aushalten. Kugelumlaufspindeln dienen der Führung, Lagerung, Positionierung und präzisen Bewegung von Komponenten und Produkten in einer Vielzahl von Automatisierungsanwendungen.

Ein Kugelgewindetrieb besteht aus einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelumlaufmutter mit Kugelumlauflagern. Die Schnittstelle zwischen Spindel und Mutter bilden Kugellager, die in den entsprechenden Formen der Kugelumlaufspindel und der Kugelumlaufmutter rollen. Die Belastung der Kugelumlaufspindel wird auf eine große Anzahl von Kugellagern verteilt, sodass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Dank der Wälzkörper weist der Kugelgewindetrieb einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf, was einem hohen mechanischen Wirkungsgrad entspricht.

Der Hauptunterschied zwischen Kugelumlaufspindeln und Leitspindeln besteht in der Verwendung von Kugelumlauflagern, die die Reibung minimieren und die Effizienz maximieren. Kugelumlaufspindeln sind zwar teurer als Leitspindeln, aber ihre Fähigkeit, hohe Lasten zu tragen, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen und eine vorhersehbare Lebensdauer zu bieten, rechtfertigt den Mehrpreis für viele Anwendungen.

Kugelumlaufspindeln bieten typischerweise einen mechanischen Wirkungsgrad von über 90 %, sodass ihre Kosten oft durch den geringeren Leistungsbedarf ausgeglichen werden. Die höhere Tragfähigkeit, die längere Lebensdauer und die vorhersehbare Zuverlässigkeit von Kugelumlaufspindeln sind Vorteile gegenüber Leitspindeln.

Wiederholbarkeit und Genauigkeit

Die Genauigkeit gibt an, wie genau sich ein Bewegungssystem einer Sollposition nähert, und wird als maximaler Fehler zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Position definiert. Die Wiederholgenauigkeit ist definiert als die Fähigkeit eines Positionierungssystems, während des Betriebs zu einer Position zurückzukehren. Kugelumlaufspindeln bieten eine hervorragende Wiederholgenauigkeit (das Spiel hängt vom Kugellagerdurchmesser ab, liegt aber typischerweise zwischen 0,005 und 0,015 Zoll) und Genauigkeit (±0,004 Zoll/ft für Präzisions-Kugelumlaufspindeln und ±0,0005 Zoll/ft für Kugelumlaufspindeln mit der Bezeichnung „Precision Plus“).

Die Steigungsgenauigkeit ist das gängigste Maß für die Genauigkeit von Kugelumlaufspindeln. Sie gibt an, wie weit sich eine nicht rotierende Kugelmutter bei einer einzigen 360°-Drehung der Spindel bewegt. Die Steigungsgenauigkeit wird als zulässige Wegabweichung (tatsächliche Position gegenüber theoretischer Position) pro Fuß oder pro 300 mm gemessen. Kugelumlaufspindeln werden in den Ausführungen „Precision Plus“ und „Transport“ angeboten, wobei die Ausführung „Precision Plus“ die Ansammlung von Steigungsfehlern über den gesamten Verfahrweg streng kontrolliert.

Spiel ist die freie Bewegung zwischen Mutter und Spindel und kann axial und radial gemessen werden. Axiales Spiel lässt sich am besten messen, indem die Spindel gegen Bewegung gesichert wird und die Kugelumlaufmutter axial gedrückt und gezogen wird, während die Bewegung mit einer Messuhr gemessen wird. Spiel lässt sich auch messen, indem man eine Messuhr auf die Kugelumlaufmutter im System setzt und sie einen Zoll vorwärts und zurück in die Ausgangsposition bewegt. Die Abweichung vom Nullpunkt ist das Spiel. Die Wiederholgenauigkeit ist der quantitative Wert des Spiels einer Kugelumlaufspindel.

Eine nicht vorgespannte Kugelumlaufmutter weist ein inneres Spiel zwischen den Komponenten auf, wodurch Spiel entsteht. Eine vorgespannte Kugelumlaufmutter hingegen weist kein axiales Spiel auf, wodurch Spiel vermieden und die Steifigkeit erhöht wird. Die Vorspannung erhöht zudem das zum Drehen der Spindel erforderliche Drehmoment und wird als Prozentsatz der Vorspannung zur dynamischen Kapazität gemessen (eine Kugelumlaufmutter mit einer dynamischen Kapazität von 1500 lb und einer Vorspannung von 10 % hat eine innere Vorspannung von 150 lb). Präzisions-Kugelumlaufspindeln werden üblicherweise ohne Vorspannung verwendet. Die Vorspannung einer Kugelumlaufspindel verbessert die Wiederholgenauigkeit durch Spielbeseitigung, beeinträchtigt jedoch nicht die Genauigkeit.

Vorgespannte Kugelumlaufmuttern sind für Präzisions-Plus-Gewinde und ausgewählte Präzisionsspindelprodukte erhältlich. Aufgrund der Komplexität, der zusätzlichen Bearbeitung, Montage und Prüfung/Messung sind sie teurer als nicht vorgespannte Muttern. Kugelumlaufspindeln können mit Doppel- oder Einzelmuttern vorgespannt werden. Es gibt drei Hauptarten der Vorspannung: Einzelmutter mit übergroßer Kugel (4-Punkt-Kontakt), Einzelmutter mit übersprungener Führung (2-Punkt-Kontakt) und Doppelmutter (2-Punkt-Kontakt). Die Vorspannung einer Einzelmutter gewährleistet die kleinste Baugröße bei voller Tragfähigkeit. Kugelumlaufmuttern mit übersprungener Führung haben die halbe Tragfähigkeit von Einzelmuttern ähnlicher Größe, da in jeder Richtung nur die Hälfte der Kugellager belastet wird. Vorgespannte Doppelmuttern haben die gleiche Tragfähigkeit wie Einzelmuttern, da in jeder Richtung nur eine Kugelumlaufmutter belastet wird.

Kugelumlaufspindeln lassen sich in vielen Verfahren herstellen, werden aber üblicherweise in zwei Kategorien eingeteilt: Präzisions- und Präzisions-Plus-Gewinde. Die Laufbahn einer Präzisions-Kugelumlaufspindel wird durch Kaltwalzen geformt. Die Mutter wird entsprechend der Spindelleistung bearbeitet. Dieses Verfahren bietet eine mittlere Genauigkeit von etwa ±0,004 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit bei Transport-Zoll-Gewinden. Spindel und Mutter von Präzisions-Plus-Gewinde-Kugelumlaufspindeln werden durch Präzisionsschleifen hergestellt. Präzisions-Plus-Gewinde-Kugelumlaufspindeln bieten eine deutlich höhere Genauigkeit von ±0,0005 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit bei Präzisions-Plus-Zoll-Gewinden. Die Kosten für Präzisions-Plus-Gewinde-Kugelumlaufspindeln sind aufgrund der längeren Bearbeitungszeit höher als bei Präzisionsspindeln.

Ballrücklaufsysteme

Drei verschiedene Arten von Kugelrückführungssystemen sind weit verbreitet. Externe Rückführungsrohre, typischerweise bei Zollgewindetrieben, sind kostengünstig und einfach zu installieren, zu warten und zu reparieren. Interne Kugelrückführungssysteme werden typischerweise bei Gewindetrieben mit geringer Steigung verwendet. Sie sind kompakt, ohne äußere radiale Vorsprünge, die die Montage erschweren, und verursachen weniger Lärm und Vibrationen als externe Rückführungen. Interne Kugelrückführungssysteme werden häufig bei 4-Punkt-Kontakt-, Einzelmutter- und Vorspannungsbaugruppen verwendet. Interne Endkappenrückführungen werden typischerweise bei Gewindetrieben mit hoher Steigung verwendet. Sie sind kompakt, ohne äußere radiale Vorsprünge, die die Montage erschweren. Auch ihre Geräusch- und Vibrationsentwicklung ist im Vergleich zu externen Rückführungen geringer.

Auswahl der Kugelumlaufspindel

Die Auswahl des Kugelumlaufspindelsystems, das die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Tragfähigkeit und Lebensdauer bietet, erfolgt am besten in einem iterativen Prozess. Auslegungslast, Systemausrichtung, Verfahrweg, erforderliche Lebensdauer und Geschwindigkeit bestimmen Durchmesser und Steigung des Kugelumlaufspindelsystems. Die einzelnen Kugelumlaufspindelkomponenten werden dann anhand der Anforderungen an Genauigkeit und Wiederholbarkeit, der Maßbeschränkungen, der Montagekonfiguration, des verfügbaren Leistungsbedarfs und der Umgebungsbedingungen ausgewählt.

Bestimmen Sie zunächst die für die Anwendung erforderliche Positionsgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Zoll-Kugelumlaufspindeln werden in zwei Hauptqualitäten hergestellt: Transport und Präzision Plus. Transport-Kugelumlaufspindeln werden in Anwendungen eingesetzt, die nur grobe Bewegungen erfordern oder lineare Rückmeldung zur Positionsbestimmung benötigen. Präzision Plus-Kugelumlaufspindeln werden dort eingesetzt, wo eine genaue und wiederholbare Positionierung entscheidend ist. Transport-Kugelumlaufspindeln ermöglichen eine größere kumulative Abweichung über die gesamte Nutzlänge der Spindel. Präzision Plus-Kugelumlaufspindeln enthalten eine Ansammlung von Steigungsfehlern für eine präzise Positionierung über die gesamte Nutzlänge der Spindel.

Bestimmen Sie, wie die Kugelumlaufspindel in der Maschine montiert wird. Die Konfiguration der Endlager und der Verfahrweg bestimmen die Belastungs- und Drehzahlgrenzen der Kugelumlaufspindel.

Eine Kugelumlaufspindel kann unter Zugbelastung Lasten bis zur Nennkapazität der Mutter bewältigen. Verwenden Sie für eine Kugelumlaufmutter unter Druckbelastung ein Druckbelastungsdiagramm des Herstellers, um einen Kugelumlaufspindeldurchmesser auszuwählen, der die Auslegungslast erfüllt oder übersteigt. Alle Spindeln mit Kurven, die durch oder rechts vom eingezeichneten Punkt verlaufen, sind beispielsweise für die folgende Beispielanwendung geeignet. Die in diesem Diagramm dargestellten geeigneten Druckbelastungen dürfen die maximale statische Tragfähigkeit, die in der Nenntabelle für die einzelne Kugelumlaufmutter-Baugruppe angegeben ist, nicht überschreiten. Bei einer Länge von 85 Zoll (2159 mm), einer Systemlast von 30.000 lb (133.500 N) und einer Endfixierung, bei der ein Ende fixiert und das andere Ende gelagert ist, ist die Mindestauswahl eine Kugelumlaufspindelbaugruppe mit einer Präzision von plus Zoll von 1,750 x 0,200.

Berechnen Sie mit der folgenden Formel die Steigung der Kugelumlaufspindel, die die erforderliche Geschwindigkeit erzeugt.

Steigung (Zoll) = Hub (Zoll min.-1)/U/min

Bestimmen der Lebenserwartung einer Anwendung

Die Lebensdauer der Baugruppe lässt sich anhand der für jede Kugelmutter angegebenen dynamischen Tragzahl berechnen. Alle Kugelmuttern, deren Kurven durch den eingezeichneten Punkt verlaufen oder darüber liegen, sind für das Beispiel geeignet. Die in diesem Diagramm dargestellten Lebensdauererwartungen dürfen die maximale statische Tragfähigkeit gemäß der Nennwerttabelle für die jeweilige Kugelmutterbaugruppe nicht überschreiten. In diesem Beispiel beträgt die gewünschte Anwendungslebensdauer (Gesamthub) 50,8 Millionen mm (2 Millionen Zoll). Die maximale normale Betriebslast beträgt dann 44.500 N (10.000 lb).

Bestimmung der kritischen Schraubendrehzahl

Die kritische Spindeldrehzahl ist der Zustand, bei dem die Drehzahl der Baugruppe harmonische Schwingungen erzeugt. Die kritische Drehzahl hängt vom Spindelkerndurchmesser, der freien Länge und der Endlagerkonfiguration ab. In den meisten Herstellerdiagrammen sind alle Spindeln mit Kurven, die durch oder rechts vom eingezeichneten Punkt verlaufen, für das folgende Beispiel geeignet. Die vier Zeichnungen der Endbefestigung zeigen die Lagerkonfigurationen zur Lagerung einer rotierenden Welle, und das Diagramm veranschaulicht die Auswirkungen dieser Bedingungen auf die kritische Wellendrehzahl für die freie Spindellänge. Die in diesem Diagramm dargestellten zulässigen Geschwindigkeiten gelten für die gewählte Spindelwelle und sind nicht repräsentativ für die erreichbaren Geschwindigkeiten aller zugehörigen Kugelmutterbaugruppen.

Wenn die Berechnungen zu Last, Lebensdauer und Drehzahl bestätigen, dass der ausgewählte Kugelumlaufspindel die Konstruktionsanforderungen erfüllt oder übertrifft, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Andernfalls erhöhen größere Spindeldurchmesser die Tragfähigkeit und die Drehzahl. Kleinere Steigungen verringern die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Motordrehzahl), erhöhen die Motordrehzahl (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und verringern das erforderliche Eingangsdrehmoment. Höhere Steigungen erhöhen die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Motordrehzahl), verringern die Motordrehzahl (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und erhöhen das erforderliche Eingangsdrehmoment.

Bestimmen Sie, wie die Kugelmutter in die Anwendung integriert wird. Ein Kugelmutterflansch ist die typische Methode zur Befestigung der Kugelmutter an der Last. Gewinde- und zylindrische Kugelmuttern sind alternative Möglichkeiten zur Schnittstellengestaltung.

Vorgespannte Kugelumlaufmuttern eliminieren das Systemspiel und erhöhen die Steifigkeit. Abstreifersätze schützen die Baugruppe vor Verunreinigungen und enthalten Schmiermittel. Für die meisten Kugelumlaufspindeln sind außerdem Lagerhalterungen und Endbearbeitungen erhältlich.

Kugelumlaufspindeln müssen vor der ordnungsgemäßen Montage sorgfältig behandelt werden. Stöße auf die Kugellager können die Laufringe durch Brinelling oder Rissbildung beschädigen. Hohe Belastungen oder das Biegen der Spindel können zu Verbiegungen führen. Es ist wichtig, die Baugruppe verpackt, geschmiert und an einem sauberen, trockenen Ort aufzubewahren, da Schmutz und Verunreinigungen die Umlaufbahnen verstopfen und hohe Luftfeuchtigkeit oder Regen Korrosion verursachen können.

Die Systemmontage ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Die Kugelmutter sollte nur axial belastet werden, da jede radiale Belastung die Leistung der Baugruppe erheblich reduziert. Für optimale Leistung und Lebensdauer sollte die Baugruppe außerdem korrekt auf das Antriebssystem, die Lagerhalterungen und die Last ausgerichtet sein.

Kugelumlaufspindelschmierung

Der Kugelumlaufspindelantrieb sollte niemals ohne ausreichende Schmierung betrieben werden. Schmiermittel erhalten den Vorteil der geringen Reibung von Kugelumlaufspindeln, indem sie den Rollwiderstand zwischen Kugeln und Rillen sowie die Gleitreibung zwischen benachbarten Kugeln minimieren.

Öl kann mit kontrollierter Durchflussrate direkt an die Bedarfsstelle abgegeben werden und entfernt Verunreinigungen beim Durchlaufen der Kugelmutter. Es kann zudem für die Kühlung sorgen. Für die ordnungsgemäße Ölabgabe sind jedoch eine Pumpe und ein Dosiersystem erforderlich, da Öl auch Prozessflüssigkeiten verunreinigen kann.

Fett ist günstiger und muss seltener aufgetragen werden als Öl. Zudem verunreinigt es die Prozessflüssigkeiten nicht. Fett lässt sich jedoch nur schwer in der Kugelmutter halten und neigt dazu, sich an den Enden des Kugelmutterwegs anzusammeln, wo es Späne und Schleifpartikel ansammelt. Die Unverträglichkeit von altem Fett mit Nachschmierfett kann Probleme verursachen. Daher ist es wichtig, die Verträglichkeit zu prüfen. Ein tragfähiges Fett kann die Lebensdauer einer Baugruppe verlängern, die Gesamttragfähigkeit ändert sich dadurch jedoch nicht.