Kugelumlaufspindel

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.

Maßnormen gibt es bei den KGT nur bei den Anschlussmaßen. Das Standardsortiment reicht von sogenannten Miniaturkugelgewindespindeln, Steigung 1 bis 16 mm und Spindeldurchmesser zwischen 6 bis 20 mm, bis hin zu KGT mit Steigungen von 50 mm und Spindeldurchmessern bis zu 125 mm. Auch bei den Spindellängen werden Variationen von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern angeboten.

Muttergeometrie

Die Spindelmutter besteht aus folgenden Einzelteilen:

• Mutterkörpen mit eingearbeiteten Kugelläufen
• Kugelrückführkanal
• Rückführhülsen
• Befestigungen

Spindelmuttern werden in anbieterspezifischen Standards angeboten. Auch genormte Ausführungen werden als DIN Flanschmuttern oder DIN Doppelflanschmuttern aufgezeigt.

Kukelumlaufmutter werden passend zu der entsprechenden Spindel gefertigt, je nach Steigung und Durchmesser. Wie bei den Spindeln ist auch die Mutter relativ normfrei. Nur bei den Anschlüssen kann es Normungen geben.

Spiel und Vorspannung

Um das Spiel zwischen Spindel und Mutter auf nur wenige μm zu reduzieren oder gar vollkommen zu eleminieren, stehen verschiedene Möglichkeiten der Vorspannung zur Auswahl, die folgend erläutert werden.

Skizze	Erläuterung
	Doppelmutter Bei der Doppelmutter wird die Vorspannung mit Hilfe eines Vorspannringes eingestellt. Dieser befindet sich zwischen den beiden Hälten. Die Vorteile sind: Zweipunktkontakt gewährleistet guten Wirkungsgrad und Steifigkeit Einfachere Fertigung gegenüber der Pitch-Shift-Mutter gerade bei sehr langen Muttern bzw. bei großem Steigungswinkel Leichte, stufenlose Einstellbarkeit der Vorspannung ohne Kugelwechsel Die Nachteile sind: Längere Bauform gegenüber der Einzelmutter, höhere Kosten Wie bei allen Muttern mit Zweipunktkontakt sollte die Axialkraft das 2,8-fache der Vorspannung nicht überschreiten, da sonst manche Kugeln völlig entlastet werden.
	Federvorgespannte Doppelmutter Fast ausschließlich bei kleinen Kugelgewindetrieben wird die Federvorspannung einsetzt. Zwei Muttern, die in einem Gehäuse verdrehsicher gelagert sind, werden durch ein Federpaket auseinander gedrückt. Durch die Feder ist die Vorspannung unabhänig von Fertigungstoleranzen oder Verschleiß immer gleich. Die Vorteile sind: Fertigungstoleranzen wirken sich nicht auf die Vorspannung und damit auf das Reibmoment aus Die Vorspannung kann sehr klein sein, und die Mutter ist zuverlässig immer spielfrei Die Nachteile sind: Die Doppelmutter ist größer und aufwändiger Durch die gleitend im Gehäuse gelagerte Mutter wird die Koaxialität von Spindel und Mutter beeinträchtigt. Die Ausrichtung ist daher schwerer. Es können (zumindest in einer Richtung) keine Kräfte übertragen werden, die über der Vorspannkraft liegen, da sonst die Feder nachgibt und Spiel auftritt.
	Einzelmutter Einzelmuttern werden durch Kugelübermaß vorgespannt. Es ergibt sich ein 4-Punkt-Kontakt der Kugeln. Dadurch unterscheidet sich diese Art von Mutter grundsätzlich von allen anderen. Dies beeinflusst verschiedene technische Daten. Durch die vier Kontaktpunkte wird auch die Kugelkinematik beeinflusst, so dass die Einzelmutter mit Vorspannung immer einen etwas schlechteren Wirkungsgrad hat als eine Mutter mit Zweipunktkontakt. Einzelmutter auch etwas stärker auf Fertigungstoleranzen reagieren, so dass sehr lange Spindeln normalerweise nicht mit vorgespannten Einzelmuttern ausgestattet werden. Die Vorteile sind: Wirtschaftlichkeit kompakte Bauform Kraftspitzen rufen keine Entlasten von Kugeln hervor
	Lead-Offset-Mutter (Steigungsversatz) Beim Vorspannen einer Doppelmutter werden die beiden Hälften gegen den Widerstand der Kugeln etwas gegeneinander verdreht. Dadurch entsteht ein Gewinde mit einem "Steigungssprung". Genau das ist das Prinzip der Lead-Offset Mutter, nur dass die gesamte Mutter aus einem Stück besteht und der "Sprung" bei der Bearbeitung des Gewindes erzeugt wird. Die Feinabstimmung der Vorspannung erfolgt dann durch Kugelsortierungen, genau wie bei der Einzelmutter. Der Vorteil ist: etwas kompaktere Bauform als bei der Doppelmutter Der Nachteil ist: Größere Gewindelänge, die an einem Stück (von einer Seite) bearbeitet werden muss. Besonders das Schleifen des Innengewindes von sehr langen Muttern mit großem Steigungswinkel wird dadurch erschwert oder unmöglich. Größere Gewindelänge, die an einem Stück (von einer Seite) bearbeitet werden muss. Besonders das Schleifen des Innengewindes von sehr langen Muttern mit großem Steigungswinkel wird dadurch erschwert oder unmöglich.

Beanspruchung

Je nach Spindeldurchmesser und Spindelsteigung können KGT dynamische Lasten von wenigen Kilonewton (kN) bis hin zu hunderten kN aufnehmen. Bei Vorgespannten KGT wird bei hohen Drehzahlen, wie z.B. das Benutzen des Eingangs bei Maschinen, viel Wärme freigesetzt. Die entstandene Wärme beeinflusst das gesamte System. Durch die Wärmeausdehnung längs sich die Spindel und eine genaue Positioniergenauigkeit ist nicht mehr gegeben. Die Präzision der betroffenen Maschinenachse nimmt ab. Unter hoher Belastung erhöht ein Reiben der Kugeln aneinander das zur Bewegung nötige Drehmoment und Verursacht verschleiß. Hohlgebohrte Spindeln, durch die Kühlflüssigkeit fließt, können übermäßige Erwärmung so kompensieren.

Verschleißminderung

Die erste Art der Verschleißminderung ist das zuführen einer Kugel, die um wenige Mikrometer kleiner ist und zwischen zwei normalen Kugel positioniert wird. Diese Kugel übt keinen Druck auf die Gewindeflanken aus und unterliegt nicht den Zwang mitzulaufen. Durch die tragenden Kugeln wird die eingesetzte Kugel entgegen der eigentlichen Drehrichtung bewegt. Dieser Vorgang ist jedoch nur ein Kompromiss, da das entfernen der tragenden Kugeln die axiale Belastbarkeit veringert.

Eine weitere, sehr kostspilige Möglichkeit ist das einsetzten von Kugelkäfigen aus Kunststoff. Die Realisierung erfolgt deshalt auch nur bei Hochgeschwindigkeits-Kugelgewindetrieben.

Herstellung

Üblicher Weise wird die Spindel mit dem Verfahren des Gewindewirbelns hergestellt. Anschließend wird die Spindel gerollt und geschliffen. Zumeist wird die Laufrille gehärtet oder bei schnell drehenden Spindeln sogar beschichtet.

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.

Quellen

• Wikipedia
• Google
• SKF GmbH
• Inkoma Maschinenbau GmbH
• NSK Europe ltd.
• Steinmeyer GmbH & Co.KG
• Paul Horn GmbH
• Buch: Berufsfeld Metall INDUSTRIEMECHANIK; STAM Verlag / 2. Auflage