Kugelgewindetriebe
Kugelgewindetriebe (KGT) setzen sich aus einer Spindel, einer Mutter und einer größeren Anzahl Kugeln zusammen. Hierbei dienen die Kugeln als Verbindungselement zwischen der Spindel und der Mutter und werden als kraft- und bewegungsübertragende Wälzkörper genutzt. In den Umläufen der Gewinde auf der Spindel und in der Mutter wälzen die rollenden Kugeln mit höchster Laufgüte sehr präzise ab. KGT sind in erster Linie für die sichere Übertragung axialer Kräfte gedacht. Ihr Kraftverlauf erfolgt über die Wirkrichtung der Drucklinien durch die Kugeln. Bei O-Anordnung der Kugeln verlaufen sie mit der Spitze nach außen und bei einer X-Anordnung nach innen. Die jeweilige Wirkrichtung der Drucklinien ist sowohl für den Kraftfluss als auch für die Erzeugung der Vorspannung von Bedeutung.
Kugelgewindetriebe und ihre Präzision
KGT sind zusammen mit deren Lagerstellen und den Antriebselementen hochbelastbare, sehr dynamische und äußerst präzise Antriebseinheiten, um bspw. die Vorschubbewegungen von Werkzeugmaschinen erzeugen zu können. Aufgrund der hohen Belastbarkeit und der enormen Präzision haben sie sich im Laufe der Zeit optimal bewährt und sind auch heute immer noch ein sehr innovatives Maschinenelement mit Zukunft.
Die zwei Grundprinzipien der Kugelgewindetriebe
Im Allgemeinen werden KGT in zwei konstruktive Grundprinzipien differenziert:
- Kugelgewindetrieb mit angetriebener Spindel und stehender Mutter
- Kugelgewindetrieb mit angetriebener Mutter und stehender Spindel
Der Großteil der Spindeln werden mit einer angetriebenen Spindel ausgeführt. Hierbei wird die Rotation der Spindel in eine lineare Verschiebebewegung der Mutter relativ zur Spindel transformiert. Dieses Ausführung wird als Normalkonfiguration bezeichnet.
Jedoch kann unter bestimmten Umständen auch die Ausführungsform mit angetriebener Mutter von Vorteil sein. In diesem Fall wird die drehende Antriebsbewegung der Mutter in eine translatorische Bewegung der Spindel relativ zur Mutter umgewandelt. Im Vergleich zu angetriebenen Spindeln können mit angetriebenen Muttern längere Verfahrwege, höhere Drehzahlen und somit auch höhere Verfahrgeschwindigkeiten erzielt werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit mehrere Muttern auf einer Spindel zu platzieren und diese, mit separaten Antrieben, separat zu verfahren.
Einsatzbereiche der Kugelgewindetriebe
Die konstruktive Ausführung und das Herstellungsverfahren des KGT werden letztlich von dessen Verwendung bestimmt. Kugelgewindetriebe können außer in den geläufigen Anwendungsbereichen auch im Hochgeschwindigkeitsbereich, im Schwerlastbereich, im Kurzhub- und Oszillationsbereich sowie im Leichtlaufbereich eingesetzt werden. Zudem können KGT auch unter besonderen Umgebungsbedingungen wie bspw. unter Wasser oder bei hohen Temperaturen zum Einsatz kommen. Die technologischen Ansprüche und die gestellten Erwartungen sind in den jeweiligen Bereichen stark von der Anwendung abhängig.
KGT sind sehr spezifisch und zum Teil sogar konträr. Kann ein Kugelgewindetrieb bspw. eine hohe Last ertragen, wird er niemals auch sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten realisieren müssen. Im Gegensatz dazu wird ein hochdynamischer KGT durch verhältnismäßig geringe Kräfte belastet. Soll eine große Masse in kleinen Schritten verfahren werden, so ist dann meist auch keine hohe Dynamik erforderlich, sondern es wird eher ein geringes Losbrechmoment und eine sehr geringe Reibung erwartet. Deshalb sind spezielle, konstruktive Ausführungen notwendig, die dem jeweiligen Anforderungsprofil möglichst exakt entsprechen.
Präzisionskugelgewindetriebe
Bei den Präzisionskugelgewindetrieben ist ein perfektes Zusammenspiel zwischen Muttern, Kugeln und Spindeln notwendig. Hierbei sind die Einzelteile in sehr engen Toleranzen geschliffen und werden durch die manuelle Montage von hochqualifizierten Spezialisten zur höchsten Präzision gebracht. Bei der Herstellung der Bauteile werden ausschließlich hochwertigste Werkstoffe eingesetzt. Die hohe Tragfähigkeit und Präzision wird durch die verschließfesten, langzeitnitrierten Oberflächen der gesamten Spindel sowie die durchgehärteten Muttern und Kugeln, optimale Rückführungssysteme und wirkungsvolle Abstreifer garantiert. Außerdem ist die Einbau- und Belastungsrichtung von Präzisions-Kugelgewindetrieben grundsätzlich beliebig und hat keinen Einfluss auf deren Funktionsfähigkeit. Die jeweiligen Bauformen und die Anschlussmaße der Präzisions-Kugelgewindetriebe entsprechen der DIN ISO 3408 bzw. DIN 69051 oder als Sonderausführungen den individuellen Kundenanforderungen.
Kugelgewindemuttern
Die Kugelgewindemutter ist das umfangreichste Bauteil des KGT. Vor allem von der Mutter hängt die reibungslose Funktion des KGT ab, da in ihr die Kugellaufbahnen, die Kugelrückführungen und die Abstreifer enthalten sind. Über die Mutter wird die Vorspannung erzeugt, welche zum einen zur Vermeidung der Umkehrspanne dient und zum anderen die Steifigkeit signifikant erhöht.
Doppelmutter
Die Doppelmutter ist die primäre Mutterbauform im Werkzeugmaschinenbau, da hier fast nur vorgespannte Systeme mit 2-Punkt-Kontakt eingesetzt werden. Die beiden Mutterkörperteile werden so montiert, dass die Kugeln zwischen den Laufbahnen der Spindel und der Mutter eingespannt sind. Die axiale Verschiebung kann entweder durch eingeschliffene Zwischenscheiben oder durch Verdrehen der Mutterteile zueinander erfolgen. In beiden Fällen wird der Abstand zwischen den Gewindeumläufen der beiden Mutterteile vergrößert oder verkleinert.
Die Doppelmutter besteht in der Regel aus zwei Teilen, wobei der eine Teil die äußere Last aufnimmt und der andere Mutterteil die Vorspannung erzeugt. Hierbei ist die Lastmutter immer die Mutter, über die die Axialkraft im direkten Kraftfluss geleitet wird. Des Weiteren ist es abhängig vom Kraftfluss, ob on einer Doppelmutter O- oder X-Spannungen erzeugt werden. Aus Gründen der Fertigung können bei Doppelmuttern die tragenden Mutterteile auch zweiteilig ausgeführt werden, so dass eine Dreifach- bzw. Vierfachmutter ebenfalls möglich ist.
Einzelmutter
Diese Mutterbauform stellt die kompakteste und kostengünstige Variante dar. Aus diesem Grund ist sie sehr weit verbreitet und besteht nur aus einem Mutterkörperteil mit kontinuierlichem Gewindeverlauf. In der einfachsten Ausführung besitzen Einzelmuttern ein leichtes Axialspiel. Aufgrund der Vielfältigkeit in den Gewindeumläufen und/oder einer Kugelsortierung sowie der konstruktiven Gestaltung sind auch spielfreie, vorgespannte Einzelmuttern möglich. Durch des oftmals nicht optimalen Laufverhaltens dieser Ausführungen ist die Vorspannung meist mit erhöhter Reibung, erhöhter Betriebstemperatur und verstärktem Verschleiß verbunden.
Unterschiedliche Mutterbauformen
Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist die Außenkontur bzw. die Befestigungsart der Mutter. Neben der zylindrischen Bauform ist auch die Flanschbauform von Relevanz. Im Falle der vorgespannten Bauform über eine Doppelmutter müssen die beiden Mutterkörperteile immer in ein Gehäuse montiert werden. Hierbei erfolgt die Vorspannung dann von außen nach innen über Druckflansche. Die jeweilige Begrenzung der Vorspannung findet über eine Distanzscheiben zwischen den Mutternteilen statt. Hierbei entsteht immer eine X-Vorspannung.
Bei den Flanschbauformen (mit Seiten- oder Mittenflansch) hingegen ist der Befestigungsflansch immer ein fester Bestandteil des Mutterkörpers. In diesem Fall wird die Vorspannung über das Gegenmutterteil durch Verdrehen der beiden Mutternteile zueinander oder über eine anpassbare Zwischenscheibe von innen nach außen erzeugt. Die jeweilige Gegenmutter wird nur durch die Kugeln und die einwirkende Vorspannkraft in den Laufbahnen gehalten. Die Einstellung der variablen Vorspannkraft ist ein individueller Montageprozess, der sehr gut auf den Anwendungsfall abstimmbar ist und perfekte Voraussetzungen für hohe Tragfähigkeit und lange Haltbarkeit schafft.
Kugelgewindespindeln
Die Kugelgewindespindel ist diejenige Komponente eines Kugelgewindetriebes, dass die Mutter trägt. Sie wird als zylindrische Welle bezeichnet und besteht grundsätzlich aus mindestens zwei Teilen. Der eine Teil trägt die schraubenlinienförmige Kugellaufbahn, über die die Bewegungskinematik des KGT in ihrer kompletten Länge umgesetzt wird. Das Spindelgewinde wird dabei im aktuellen Kugelkontaktbereich immer nur sequenziell belastet. Auf dem anderen Teil befinden sich die Spindellagerung und gegebenenfalls der Antriebszapfen. Hier werden die Kräfte und Momente in die Spindel ein- bzw. in die Maschinenumgebung abgeleitet.
Unterschiedliche Spindelbauformen
Durch die konstruktive Gestaltung und der geometrischen Umsetzung ergeben sich einige grundsätzliche Spindelvarianten, die sich nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich sehr voneinander unterscheiden. Zum Teil sind die einzelnen Unterscheidungsmerkmale sehr auffällig.
Je nachdem, ob die Kugelgewindespindel angetrieben oder nicht drehend ausgeführt ist, können bestimmte Funktions- oder Herstellungsgründe Sonderbauformen erfordern, die nicht einer „normalen“ Vollspindel entsprechen. Zu diesen Spindelausführungen zählen:
- Hohlspindeln
- Bundspindeln
- Gekuppelte Spindeln
- Korrosionsbeständige Spindeln
Vollspindeln
Der Großteil der Kugelgewindespindeln wird als sogenannte Vollspindel ausgeführt. Hierbei entspricht der Spindelquerschnitt dem eines Vollzylinders (ohne Bohrung). Die Kraftübertragung findet über die gesamte Querschnittsfläche bei entsprechenden Zug-, Druck- und Torsionsspannungen statt. Bei der Vollspindel ist der erforderliche Bearbeitungsaufwand am geringsten, weshalb die Vollspindel herstellungstechnisch die einfachste und auch kostengünstigste Variante darstellt.
Hohlspindeln
Wenn die Spindelmitte bspw. für Kühl- oder Schmieraufgaben mit einer zentrischen Bohrung versehen werden soll, dann kann die Kugelgewindespindel auch als Hohlspindel ausgeführt werden. In diesem Fall entspricht der Spindelquerschnitt dem eines Rohres mit entsprechender Wandung. In diesem Fall muss die Rohrwandung allerdings so dimensioniert sein, dass die Axiallast und das Drehmoment unter Berücksichtigung der Gewinderillentiefe verformungsfrei und sicher überragen werden.
Bundspindeln
In der Regel ist der Außendurchmesser der Kugelgewindespindel der größte Durchmesser, aus dem alle sonstigen Spindelkonturen herausgearbeitet werden. Es gibt aber Umstände, in einzelnen Spindelbereiche größere Durchmesser als den Außendurchmesser des Kugelgewindes nutzen zu müssen. Dies kann dann der Fall sein, wenn eine vergrößerte Anlageschulter für ein Spindellager generiert werden soll oder mehr Steifigkeit und Stabilität in der Spindelwelle erzielt werden soll. Diese Spindeln bezeichnet man als Bundspindeln.
Gekuppelte Spindeln für Überlängen bis 25 m
Um im Bedarfsfall längere Spindeln herstellen zu können, besteht auch die Möglichkeit, zwei Spindeln fest zu kuppeln. In diesem Fall werden zwei fertiggeschliffene Spindeln so ausgerichtet, dass die Gewindegänge exakt ineinander übergehen. Die Gewinde werden dabei nicht als Schraubverbindung, sondern als verkrallende Gegenhaltungen des Vergussmaterials genutzt. Diese verkrallende Wirkung wird dabei durch die gegenläufige Steigungsrichtung zusätzlich verstärkt. In der Theorie lassen sich durch mehrere Kuppelstellen beliebig lange Spindel herstellen.
PACH Systems bietet Ihnen eine große Produktauswahl unterschiedlicher Kugelgewindetriebe, Kugelgewindemuttern oder Kugelgewindespindeln an. Hierzu arbeiten wir mit unseren langjährigen Partnern zusammen. Bitte teilen Sie uns Ihre Wünsche über unser Kontaktformular mit. Gerne unterbreiten wir Ihnen ein unverbindliches Angebot oder setzen uns zur detailgenauen Absprache mit Ihnen in Verbindung.
