Kugelumlaufspindel: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 5. Mai 2011, 16:31 Uhr

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Fertigstellung zum 05.05.2011 von B. Einwald / Fertigungstechnik; Herr Etzien

Kugelumlaufspindel / Kugelgewindetrieb

Definition

Eine Kugelumlaufspindel oder auch Kugelgewindetrieb (KGT), ist
die Gesamtheit eines Wälzschraubtriebes mit Kugeln als Wälzkörper.
Er dient zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung
oder umgekehrt. _{(Definition nach DIN 69051-1)}

Verwendung

Haupteinsatzgebiete für die KGT sind Werkzeugmaschien. Sie dienen zur genauen Positionierung der Werkstückträger bzw. Werkzeugträgern. Die zu bewegenden Teile sind meistens an der Kugelumlaufmutter befestigt und zusätzlich über Linearführungen gelagert. In sehr vielen Bereichen des Maschinenbaus wurden früher Trapezgewindespindeln eingesetzt, die heutzutage fast schon vollständig von den KGT abgelöst. Zudem werden durchbauartbedingte Änderungen neue Einsatzgebiete erschlossen, in denen bisher meistens Hydrauliksysteme Verwendung fanden, wie z.B. bei Pressen, Spritzgießmaschinen und Servolenkungen.

Aufbau und Funktionsweise

Der KGT wird entweder direkt von einem Motor angetrieben oder aber auch über Getriebe und Riementriebe. Wie auch bei Wälzlagern dienen Kugeln in Laufrillen zwischen Spindel und Mutter zur Umsetzung einer Bewegung. Diese Kugeln wandern bei der Drehung axial. Durch Rückführkanäle in der Spindelmutter werden die Kugeln rückgeführt und ein Kreislauf entsteht. Die Kugeln zirkulieren.

Spindelgeometrie

Beide Flamken des Gewindes werden von den umlaufenden Kugeln im Idealfall an je einem Punkt (gothische Laufrille) berührt. Dieses geschieht Spielfrei. Sollte trotzdem ein Spiel vorhanden sein, kann dieses nachjustiert werden. Erklärung und Vorgehensweise wird im Punkt "Spiel und Vorspannung" näher erläutert!

Die Steigung der Kugekumlaufspindel wird in mm (Millimeter) angegeben. Die Millimeterangabe bezieht sich auf den Hub der Spindelmutter pro Umdrehung der Spindel. Durch diese Bestimmung werden Berechnungen zur Dimensionierung, z.B. einer Maschinenachse, erleichtert, da ab dem Antriebsmotor in der Regel Drehzahlen und Drehmomente auf den Trieb übermittelt werden. Auch lässt sich so mit Steigung und Drehzahl der Vorschub leicht ermitteln.

Kugelumlaufspindeln sollen trotz hoher Vorschübe und hohen dynamischen Lasten eine hohe Päzision, Positioniergenauigkeit gewährleisten.

Da ein Kugelgewindetrieb, anders als bei Wälzlagern, keinen Käfig besitzt, berühren sich die Wälzkörper. Dadurch ist die Geschwindigkeit begrenzt. Um möglichst viel Potenzial aus den Kugelgewindetrieben zu erreichen, werden spezielle Gewindetriebe gefertig, so genannte Hochleistungsgewindetriebe. Sie werden mit großen Steigungen gefertigt und kleinen Spindeldurchmessern.

Ein Verhältnis von 1:1 bedeutet nach Definition 100% Steigung der Rampe. Dieses Verhältnis wird bei standard Kugelgewindetrieben verwendet. Bei Hochleistungskugelgewindetrieben beträgt die Steigung ein mehrfaches des Spindeldurchmessers. Dabei werden Verhältnisse von 3:1 erreicht. Die Begrenzung ergibt sich aus der Notwendigkeit, einen Kompromiss mit der Anforderung mechanischer Stabilität zu finden, da die Spindel mit ihrer Laufrille die Kräfte überträgt. Für die Charakterisierung der Kräfteaufteilung werden Steigungswinkel und Lastwinkel nach DIN 69051 angegeben. Speziell abgestimmte, paarweise montierte Muttern dienen zur Kompensation auftretender, störender Schwingungen. Sie werden als Schwingungsdämpfer verwendet.

Muttergeometrie

Spiel und Vorspannung

Beanspruchung

Verschleißminderung

Herstellung

Weiterentwicklung

Adaptronischer Kugelgewindetrieb

Bei modernen, adaptronischen Kugelgewindetrieben variieren zwischen den Muttern eingebaute Aktorelemente die Vorspannung und wirken so der Wärmeentwicklung entgegen und vermindern Schwingungen.

Bei hohen, dynmischen Belastungen dämpfen weiterhin keramische Elemente im Trieb die Stöße und tragen damit zur Positioniergenauigkeit bei.

Rollengewindetrieb

Eine Weiterentwicklung der Kugelgewindetriebe sind sogenannte Rollengewindetriebe, die als Rollengewindetriebe mit Rollenrückführung oder als Planetenrollengewindetriebe ausgeführt sein können.

Kugel- und Rollengewindetriebe ihrerseits wiederum sind Komponenten sogenannter Aktoren, die in der Antriebstechnik weit verbreitet sind.