Kugelgewindetriebe

Für Anwendungen, die eine höhere Genauigkeit, hohe Spielfreiheit und hohe Verfahrgeschwindigkeit erfordern, gibt es Spindeln, bei denen zwischen den Gewindegängen der Spindel und der Mutter Kugeln die Kräfte übertragen. Diese Kugeln laufen in einem geschlossenen System um.
Die Gleitreibung von Trapezgewindetrieben wird durch Rollreibung ersetzt, mit all den Vorteilen, die damit verbunden sind. Diese Spindeltriebe werden Kugelumlaufspindeln, Kugelgewindespindeln oder Kugelgewindetriebe genannt.

Dynamische Vorgänge mit ständigen raschen Bewegungsprozessen werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads häufig mit Kugelgewindetrieben gelöst. Der heutige Werkzeugmaschinenbau ist ohne diese Spindelart nicht mehr denkbar. Bei Bewegungen der Werkzeugschlitten in drei Achsen, mit den geforderten Geschwindigkeiten und der gewünschten Spielfreiheit, sind Kugelgewindetriebe unverzichtbar.


Aufbau und Funktion eines Kugelgewindetriebs

In der Regel bewegt sich die nicht drehende Kugelgewindemutter linear auf der rotierenden Kugelgewindespindel. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektromotor, der über den Spindelzapfen angeschlossen ist.


Kugelgewindespindel

Die Laufbahnen der Kugelgewindespindel haben ein gotisches Profil. Dadurch entsteht ein Punktkontakt zwischen Laufbahn und Kugeln, der zu hervorragenden Laufeigenschaften mit exakter Führung, gleichmäßiger Lastverteilung und hoher Steifigkeit führt. Ist die Steigung der Spindel größer als der Kugeldurchmesser, können Spindeln und Mutter zwei- oder mehrgängig ausgeführt werden. Da hierdurch die Anzahl der tragenden Gänge bei gleichem Bauraum erhöht wird, ist die Tragfähigkeit dieser Kugelgewindetriebe größer als bei eingängigen Trieben.


Kugellaufbahn mit gotischem Profil


Kugelgewindemuttern

Kugelgewindemuttern sind in der Regel das linear bewegte Teil des Kugelgewindetriebs und werden an der Anschlusskonstruktion befestigt. Dafür stehen sie in verschiedenen Bauformen, wie Flansch-, Zylinder- oder Einschraubmuttern, zur Verfügung. Wie die Spindeln haben die Gewindemuttern Laufbahnen, in denen die Kugeln geführt werden und einen Wälzkörperumlauf durchlaufen. Dieser besteht aus dem Vorlauf, in der die Kugeln die Kräfte zwischen Spindel und Mutter übertragen (Tragzone), und dem Rücklauf.

 

Vorspannung und Steifigkeit

Durch das Vorspannen von Kugelgewindetrieben wird die Steifigkeit der Mutter erhöht. Darüber hinaus wird das Axialspiel reduziert und die Positioniergenauigkeit verbessert. Die Vorspannung entspricht üblicherweise 2 % bis 10 % (bei Doppelmuttern) der dynamischen Tragzahl.

Meist wird die Vorspannung über Kugelsortierung festgelegt. Bei Muttern mit Vorspannung werden Kugeln mit einem definierten Übermaß eingebaut. Dadurch werden die Kugeln auch ohne Belastung von außen bereits geringfügig elastisch verformt. Es entsteht Vierpunktkontakt zwischen den Laufbahnen und den Kugeln.

  
Zweipunktkontakt bei einem nicht vorgespannten Kugelgewindetrieb


Vierpunktkontakt bei einem durch Kugelsortierung vorgespannten Kugelgewindetrieb

Einstellbare Muttern sind geschlitzt. Bei diesem Mutterntyp lässt sich der wirksame Durchmesser des Mutterngewindes durch eine Stellschraube verändern. Die Vorspannung ist somit stufenlos einstellbar.

Bei Doppelmuttern werden zwei Einzelmuttern durch einen Distanzring definiert gegeneinander verspannt und anschließend fixiert. Die Dicke des Distanzrings bestimmt dabei die Stärke der Vorspannung.

Eine andere Vorspannungsmöglichkeit besteht darin, die beiden Mutternhälften gegeneinander zu verdrehen.

Beim Shiften (Verschieben) wird das Wirkprinzip einer vorgespannten Doppelmutter in einer Einzelmutter umgesetzt. In der Mitte der Mutter wird ein definierter Steigungsversatz im Gewinde erzeugt, so dass sich die Kugelumläufe vor und hinter dem Steigungsversatz gegeneinander verspannen.

Da bei vorgespannten Doppelmuttern und geshifteten Einzelmuttern Zweipunktkontakt auftritt, zeichnen sie sich durch ein wesentlich günstigeres Reibmomentverhalten aus als vorgespannte Einzelmuttern.


Genauigkeit

Kugelgewindetriebe müssen je nach Aufgabenstellung bestimmte Genauigkeitswerte erreichen. Grundsätzlich ist es selbst mit den modernsten Fertigungsverfahren nicht möglich, Spindeln eines Kugelgewindetriebs ohne Abweichungen zu fertigen.

Dadurch entstehen Wegschwankungen. Abhängig des Ausmaßes dieser Schwankungen werden Spindeln in verschiedene Toleranzklassen eingeteilt. Für gerollte Spindeln gelten die Toleranzklassen T1, T3, T5, T7 und T9, wobei T1 die Toleranzklasse mit der geringsten Wegschwankung ist. Geschliffene Präzisionsspindeln werden in P-Toleranzklassen unterteilt.

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