Kugelrücklaufsysteme, Auswahl von Kugelgewindetrieben und Schmierung von Kugelgewindetrieben.

Die Auswahl der richtigen Kugelumlaufspindel für eine bestimmte Anwendung gewährleistet Maschinengenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Lebensdauer bei gleichzeitiger Minimierung der Gesamtbetriebskosten.

Kugelgewindetriebe wandeln Drehbewegungen in Linearbewegungen um und umgekehrt. Sie können hohe Schubkräfte aufnehmen oder aushalten – bis zu 750.000 lb statische Kapazität mit einer Kugelgewindespindel mit Ø 6.000 Zoll – und erreichen dabei typischerweise einen Wirkungsgrad von über 90 %. Kugelgewindetriebe dienen der Führung, Abstützung, Positionierung und präzisen Bewegung von Bauteilen und Produkten in einer Vielzahl von Automatisierungsanwendungen.

Ein Kugelgewindetrieb besteht aus einer Kugelgewindespindel und einer Kugelumlaufmutter mit Kugelumlauflagern. Die Verbindung zwischen Spindel und Mutter wird durch Kugellager gebildet, die in passgenauen Rollen in Kugelgewindespindel und Kugelumlaufmutter rollen. Die Last der Kugelgewindespindel verteilt sich auf eine große Anzahl von Kugellagern, sodass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Dank dieser Wälzkörper weist der Kugelgewindetrieb einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten und damit einen hohen Wirkungsgrad auf.

Der Hauptunterschied zwischen Kugelgewindetrieben und Trapezgewindetrieben liegt in der Verwendung von Kugelumlauflagern im Kugelgewindetrieb. Dadurch wird die Reibung minimiert und der Wirkungsgrad maximiert. Kugelgewindetriebe sind zwar teurer als Trapezgewindetriebe, ihre Fähigkeit, hohe Lasten zu tragen, hohe Drehzahlen zu erreichen und eine vorhersehbare Lebensdauer zu gewährleisten, macht sie aber in vielen Anwendungen trotz der höheren Kosten lohnenswert.

Kugelgewindetriebe erreichen typischerweise einen mechanischen Wirkungsgrad von über 90 %, wodurch sich ihre Kosten oft durch den geringeren Energiebedarf amortisieren. Die höhere Tragfähigkeit, die längere Lebensdauer und die vorhersehbare Zuverlässigkeit von Kugelgewindetrieben sind Vorteile gegenüber Gewindespindeln.

Wiederholbarkeit und Genauigkeit

Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie genau ein Bewegungssystem eine Sollposition anfährt, und wird als maximaler Fehler zwischen Soll- und Ist-Position definiert. Wiederholgenauigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Positioniersystems, während des Betriebs in die Ausgangsposition zurückzukehren. Kugelgewindetriebe bieten eine ausgezeichnete Wiederholgenauigkeit (das Spiel ist vom Kugellagerdurchmesser abhängig, liegt aber typischerweise zwischen 0,005 und 0,015 Zoll) und Präzision (±0,004 Zoll/Fuß für Präzisionskugelgewindetriebe und ±0,0005 Zoll/Fuß für Kugelgewindetriebe der Klasse „Precision-Plus“).

Die Steigungsgenauigkeit ist das gebräuchlichste Maß für die Genauigkeit von Kugelgewindetrieben. Sie gibt an, wie weit sich eine nicht rotierende Kugelmutter bei einer 360°-Umdrehung des Gewindetriebs bewegt. Die Steigungsgenauigkeit wird als zulässige Abweichung (tatsächliche Position im Vergleich zur Sollposition) pro Fuß oder pro 300 mm gemessen. Kugelgewindetriebe sind in den Ausführungen Präzision Plus und Transport erhältlich, wobei die Ausführung Präzision Plus die Steigungsfehlerakkumulation über den gesamten Verfahrweg streng kontrolliert.

Das Spiel zwischen Mutter und Spindel kann axial und radial gemessen werden. Am besten misst man das axiale Spiel, indem man die Spindel fixiert und die Kugelumlaufmutter axial bewegt, während man ihre Bewegung mit einer Messuhr misst. Alternativ kann man das Spiel auch messen, indem man eine Messuhr an der Kugelumlaufmutter im System ansetzt und diese jeweils 25,4 mm (1 Zoll) vor- und zurückbewegt. Die Abweichung von Null entspricht dem Spiel. Die Wiederholgenauigkeit ist der quantitative Wert des Spiels einer Kugelumlaufspindel.

Eine nicht vorgespannte Kugelumlaufmutter weist internes Spiel zwischen den Bauteilen auf. Eine vorgespannte Kugelumlaufmutter hingegen hat kein axiales Spiel, wodurch das Spiel eliminiert und die Steifigkeit erhöht wird. Die Vorspannung erhöht zudem das zum Drehen der Spindel erforderliche Drehmoment und wird als Prozentsatz der Vorspannung im Verhältnis zur dynamischen Tragfähigkeit angegeben (eine Kugelumlaufmutter mit einer dynamischen Tragfähigkeit von 1500 lb und einer Vorspannung von 10 % hat eine interne Vorspannung von 150 lb). Präzisionskugelgewindetriebe werden üblicherweise ohne Vorspannung eingesetzt. Das Vorspannen eines Kugelgewindetriebs verbessert die Wiederholgenauigkeit durch die Beseitigung des Spiels, beeinträchtigt jedoch nicht die Genauigkeit.

Vorgespannte Kugelmuttern sind für Präzisionsgewindespindeln und ausgewählte Präzisionsgewindespindeln erhältlich. Aufgrund des höheren Aufwands für Bearbeitung, Montage und Prüfung/Messung sind sie teurer als nicht vorgespannte Muttern. Kugelgewindespindeln können mit einfacher oder doppelter Mutter vorgespannt werden. Es gibt drei Hauptarten der Vorspannung: einfache Mutter mit übergroßer Kugel (4-Punkt-Kontakt), einfache Mutter mit Kugelüberlauf (2-Punkt-Kontakt) und doppelte Mutter (2-Punkt-Kontakt). Die einfache Mutter ermöglicht die kleinste Baugröße bei voller Tragfähigkeit. Kugelmuttern mit Kugelüberlauf haben die halbe Tragfähigkeit von gleich großen einfachen Muttern, da nur die Hälfte der Kugellager in jeder Richtung vorgespannt ist. Doppelte Muttern haben die gleiche Tragfähigkeit wie einfache Muttern, da nur eine Kugelmutter in jeder Richtung vorgespannt ist.

Es gibt zahlreiche Herstellungsverfahren für Kugelgewindetriebe, die sich im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen lassen: Präzision und Präzision Plus. Die Laufbahn eines Präzisions-Kugelgewindetriebs wird durch Kaltwalzen geformt. Die Mutter wird entsprechend der Gewindeleistung bearbeitet. Dieses Verfahren bietet eine mittlere Genauigkeit von etwa ±0,004 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit bei Kugelgewindetrieben der Zoll-Serie. Gewinde und Mutter von Präzisions-Plus-Kugelgewindetrieben werden durch Präzisionsschleifen hergestellt. Präzisions-Plus-Kugelgewindetriebe bieten eine deutlich höhere Genauigkeit von ±0,0005 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit bei Präzisions-Plus-Kugelgewindetrieben der Zoll-Serie. Aufgrund der längeren Bearbeitungszeit sind Präzisions-Plus-Kugelgewindetriebe teurer als Präzisionsgewindetriebe.

Ballrücklaufsysteme

Drei verschiedene Arten von Kugelrücklaufsystemen werden häufig verwendet. Externe Rücklaufrohre, typischerweise bei Gewindespindeln mit Zollgewinde, sind kostengünstig und einfach zu montieren, zu warten und zu reparieren. Interne Rücklaufsysteme mit Druckknöpfen kommen typischerweise bei Gewindespindeln mit geringer Steigung zum Einsatz. Sie sind kompakt, weisen keine äußeren radialen Vorsprünge auf, die die Montage erschweren, und bieten im Vergleich zu externen Rücklaufsystemen weniger Geräusche und Vibrationen. Interne Rücklaufsysteme mit Druckknöpfen werden häufig bei Vierpunktaufhängungen, Einzelmutter- und Vorspannungssystemen verwendet. Interne Rücklaufsysteme mit Endkappen kommen typischerweise bei Gewindespindeln mit hoher Steigung zum Einsatz. Sie sind kompakt und weisen keine äußeren radialen Vorsprünge auf, die die Montage erschweren. Auch ihre Geräusch- und Vibrationsentwicklung ist im Vergleich zu externen Rücklaufsystemen gering.

Kugelgewindetrieb-Auswahl

Die Kugelgewindespindel, die die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Tragfähigkeit und Lebensdauer bietet, wird am besten durch ein iteratives Verfahren ausgewählt. Die Auslegungslast, die Systemausrichtung, der Verfahrweg, die erforderliche Lebensdauer und die erforderliche Drehzahl bestimmen den Durchmesser und die Steigung der Kugelgewindespindel. Die einzelnen Komponenten werden anschließend anhand der Anforderungen an Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit, der Maßbeschränkungen, der Montagekonfiguration, des verfügbaren Leistungsbedarfs und der Umgebungsbedingungen ausgewählt.

Ermitteln Sie zunächst die für die Anwendung erforderliche Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Zoll-Kugelgewindetriebe werden in zwei Hauptqualitäten gefertigt: Transport und Präzision Plus. Kugelgewindetriebe der Transportklasse eignen sich für Anwendungen, die lediglich eine Grobbewegung erfordern oder eine lineare Positionsrückmeldung nutzen. Kugelgewindetriebe der Präzisionsklasse Plus kommen zum Einsatz, wenn eine genaue und wiederholgenaue Positionierung entscheidend ist. Kugelgewindetriebe der Transportklasse erlauben eine größere kumulative Abweichung über die gesamte Länge des Gewindetriebs. Kugelgewindetriebe der Präzisionsklasse Plus minimieren den Steigungsfehler und gewährleisten so eine präzise Positionierung über die gesamte Länge.

Ermitteln Sie, wie die Kugelgewindespindel in die Maschine eingebaut wird. Die Konfiguration der Endlager und der Verfahrweg bestimmen die Belastungs- und Drehzahlgrenzen der Kugelgewindespindel.

Eine Kugelumlaufspindel unter Zugbelastung kann Lasten bis zur Nennlast der Mutter aufnehmen. Bei einer Kugelumlaufspindel unter Druckbelastung wählen Sie anhand eines vom Hersteller bereitgestellten Druckbelastungsdiagramms einen Kugelumlaufspindeldurchmesser, der die Auslegungslast erreicht oder übersteigt. Alle Spindeln, deren Kurven durch oder oberhalb und rechts vom dargestellten Punkt verlaufen, eignen sich beispielsweise für die folgende Beispielanwendung. Die in diesem Diagramm dargestellten Druckbelastungen dürfen die maximale statische Tragfähigkeit gemäß der Bemessungstabelle für die jeweilige Kugelumlaufspindel nicht überschreiten. Bei einer Länge von 85 Zoll (2159 mm), einer Systemlast von 30.000 lb (133.500 N) und einer einseitig fixierten und am anderen Ende gelagerten Einspannung ist die Mindestauswahl eine Kugelumlaufspindel mit den Maßen 1,750 x 0,200 Zoll Präzision plus Zoll.

Berechnen Sie die Steigung der Kugelumlaufspindel, die die erforderliche Drehzahl erzeugt, mithilfe der folgenden Formel.

Vorlauf (Zoll) = Vorschubgeschwindigkeit (Zoll min⁻¹)/U/min

Bestimmung der Lebensdauer der Anwendung

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

Bestimmung der kritischen Schraubendrehzahl

Die kritische Drehzahl einer Schraube ist der Zustand, bei dem die Drehzahl der Baugruppe harmonische Schwingungen erzeugt. Sie hängt vom Gewindegrunddurchmesser, der freien Länge und der Konfiguration der Endlagerung ab. In den meisten Herstellertabellen sind alle Schrauben, deren Kurven durch oder oberhalb und rechts vom dargestellten Punkt verlaufen, für das folgende Beispiel geeignet. Die vier Zeichnungen der Endlagerungen zeigen die Lagerkonfigurationen zur Abstützung einer rotierenden Welle. Die Tabelle veranschaulicht den Einfluss dieser Bedingungen auf die kritische Drehzahl der Welle in Abhängigkeit von der freien Schraubenlänge. Die in dieser Grafik dargestellten zulässigen Drehzahlen gelten für die gewählte Schraubenwelle und sind nicht repräsentativ für die Drehzahlen aller zugehörigen Kugelumlaufmutter-Baugruppen.

Wenn die Berechnungen zu Last, Lebensdauer und Drehzahl bestätigen, dass die gewählte Kugelgewindespindel die Konstruktionsanforderungen erfüllt oder übertrifft, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Andernfalls erhöhen Spindeln mit größerem Durchmesser die Tragfähigkeit und die Nenndrehzahl. Kleinere Steigungen verringern die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Eingangsdrehzahl des Motors), erhöhen die Motordrehzahl (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und verringern das erforderliche Eingangsdrehmoment. Größere Steigungen erhöhen die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Eingangsdrehzahl des Motors), verringern die Eingangsdrehzahl des Motors (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und erhöhen das erforderliche Eingangsdrehmoment.

Ermitteln Sie, wie die Kugelumlaufmutter in die Anwendung integriert wird. Ein Kugelumlaufmutterflansch ist die übliche Methode, die Kugelumlaufmutter an der Last zu befestigen. Gewindekugelumlaufmuttern und zylindrische Kugelumlaufmuttern sind alternative Möglichkeiten zur Herstellung der Schnittstelle.

Vorgespannte Kugelmuttern eliminieren das Systemspiel und erhöhen die Steifigkeit. Abstreifer schützen die Baugruppe vor Verunreinigungen und enthalten Schmierstoff. Lagerstützen und Endbearbeitungen sind für die meisten Kugelgewindetriebe ebenfalls erhältlich.

Kugelgewindetriebe müssen vor der Montage sorgfältig behandelt werden. Stöße auf die Kugellager können die Lagerringe durch Brinellierung oder Rissbildung beschädigen. Hohe Belastungen oder Biegungen des Gewindetriebs können zu Verformungen führen. Es ist wichtig, die Baugruppe verpackt, geschmiert und in einem sauberen, trockenen Bereich zu lagern, da Schmutz und Verunreinigungen die Rückführungsbahnen blockieren und hohe Luftfeuchtigkeit oder Regen Korrosion verursachen können.

Die Systemmontage ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Die Kugelumlaufmutter darf nur axial belastet werden, da jede radiale Belastung die Leistung der Baugruppe erheblich beeinträchtigt. Die Baugruppe muss zudem präzise auf das Antriebssystem, die Lager und die Last ausgerichtet sein, um optimale Leistung und Lebensdauer zu gewährleisten.

Kugelgewindeschmierung

Die Kugelgewindespindel darf niemals ohne ausreichende Schmierung betrieben werden. Schmierstoffe erhalten den Vorteil der geringen Reibung von Kugelgewindespindeln aufrecht, indem sie den Rollwiderstand zwischen Kugeln und Nuten sowie die Gleitreibung zwischen benachbarten Kugeln minimieren.

Öl kann mit kontrollierter Durchflussrate direkt an die gewünschte Stelle aufgebracht werden und reinigt beim Durchfließen der Kugelumlaufmutter Verunreinigungen. Es kann auch zur Kühlung beitragen. Andererseits ist für die korrekte Ölzufuhr ein Pumpen- und Dosiersystem erforderlich, da Öl auch Prozessflüssigkeiten verunreinigen kann.

Fett ist kostengünstiger und muss seltener aufgetragen werden als Öl und verunreinigt keine Prozessflüssigkeiten. Allerdings lässt sich Fett nur schwer im Kugelumlaufgehäuse halten und neigt dazu, sich an den Enden des Kugelumlaufs anzusammeln, wo sich Späne und abrasive Partikel ansammeln. Die Unverträglichkeit von altem Fett mit Nachschmierfett kann zu Problemen führen, daher ist es wichtig, die Kompatibilität zu prüfen. Ein lasttragendes Fett kann die Lebensdauer einer Baugruppe verlängern, die Gesamttragfähigkeit ändert sich dadurch jedoch nicht.