Kugelgewindetriebe für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen (High-Speed)

Spitzenwerte in Beschleunigung und Verzögerung

Um effektive Beschleunigungsphasen realisieren zu können, ist die Beschleunigung nicht konstant, sondern deren zeitlicher Verlauf wird über den Ruck bestimmt. Hierdurch kann es kurzzeitig zu beträchtlichen Spitzenwerten bei der Beschleunigung kommen, die deutlich über den Nominalwerten liegen und die Beschleunigungskräfte innerhalb weniger Millisekunden extrem ansteigen lassen. Gleiches gilt für die Verzögerung.

Optimiert für höchste Kurzzeitbelastung in allen Betriebsphasen

AM-Präzisions-Kugelgewindetriebe für die Hochgeschwindigkeits-Anwendungen sind speziell für diese besonderen Anforderungen ausgelegt, um auch die kurzzeitigen hohen Belastungen in allen Betriebsphasen sicher übertragen zu können. Bei der Herstellung wird deshalb auf ein besonders ruhiges, schwingungsarmes und gleichmäßiges Laufverhalten des Kugelgewindetriebes geachtet. Sie werden deshalb meist drehzahloptimiert als Doppelmutter mit Gesamtumlenksystemen und erhöhter Vorspannung ausgeführt. Damit die Betriebsdrehzahlen auch bei längeren Kugelgewindespindeln in einem erträglichen Rahmen bleiben, werden bei diesen Kugelgewindetrieben üblicherweise größere Gewindesteigungen genutzt.

Parameter der Hochgeschwindigkeits-Anwendungen

Zu den Hochgeschwindigkeits-Anwendungen zählen alle die Applikationen, bei denen schnelllaufende Kugelgewindetriebe (d_n > 130.000) eingesetzt werden. Verfahrgeschwindigkeiten von 150 m/min und Beschleunigungen von 20 m/s² bei Ruckwerten von bis zu 1.000 m/s³ sind in Abhängigkeit von der zu bewegenden Masse und bei optimal abgestimmten Betriebsbedingungen für AM-Kugelgewindetriebe noch keine absoluten Grenzwerte.

Sicherheit durch Schmierung, Kühlung und Überwachung

Durch zusätzliche Schmierungs- und Kühlmaßnahmen, so wie dem Einsatz von Überwachungssensorik direkt am Kugelgewindetrieb, können auch allerhöchste Dynamikansprüche über eine lange Gebrauchsdauer betriebssicher realisiert werden.

Als Anhaltswert gilt für Hochgeschwindigkeits-Kugelgewindetriebe mit angetriebener Mutter der Drehzahlkennwert von d_n x n (Nenndurchmesser x Drehzahl) < 220.000!

Standards und Sonderanfertigungen

A.MANNESMANN liefert diese Präzisions-Kugelgewindetriebe für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen in den Nenndurchmessern 25, 32, 40, 50, und 63 mm mit allen gängigen Gewindesteigungen und in den Genauigkeitsklassen besser als IT 5.

Selbstverständlich fertigen wir als Hersteller ebenfalls Sonderdurchmesser, stellen Sie uns Ihre Anfrage.

Kennwerte der Kugelgewindetriebe

Neben den Abmessungen sind die Tragzahlen, die Muttersteifigkeit und das Leerlaufdrehmoment die klassifizierenden Kennwerte von Kugelgewindetrieben. Die Tragzahlen beschreiben die Tragfähigkeiten des Kugelgewindetriebes während der Bewegung (dynamisch) und im Ruhezustand (statisch). Die dynamische Tragzahl ist auch die Grundlage der Lebensdauerberechnung.

Die Muttersteifigkeit ist das Maß für die Axialkraft, die für die Verformung im Kugelübergangskontakt erforderlich ist. Das Leerlaufdrehmoment ist der Kennwert für die innere Systemreibung. Gemeinsam mit der Muttersteifigkeit kann über das Leerlaufdrehmoment auch auf die Vorspannung geschlossen werden.

Die Kennwerte finden Sie in dem technischen Datenblatt jedes Kugelgewindetriebes.

Rotatorisches Massenträgheitsmoment

Für die Auslegung des Antriebsmotors wird meist das rotatorische Massenträgheitsmoment (J_s) der Spindel benötigt. Bei angetriebenen Vollspindeln entspricht diese (mit guter Näherung bei Vernachlässigung der Gewindegeometrie) dem zylindrischen Spindelkörper bezogen auf seine Drehachse.

Hier gehen der Kugelkontaktdurchmesser d_c auf der Spindel mit der 4. Potenz, die Spindellänge l_s und die Dichte des Spindelwerkstoffes r_s bestimmend ein. Das Massenträgheitsmoment J_s wird meist in kgcm² angegeben. Bezieht man das rotatorische Massenträgheitsmoment J_s auf die Spindellänge von einem Meter, so kann man es sehr leicht durch die Multiplikation des Verhältnisses der vorhandenen Spindellänge zu einem Meter umrechnen.

Spindeltorsion

Üblicherweise wird die Spindel von einem Motor angetrieben. Das Antriebsmoment des Motors wird durch die Spindel zur Mutter geleitet und dort in eine axiale Kraft umgewandelt. In der schlanken Spindel entsteht dabei eine Verdrillung durch das vorliegende Torsionsmoment. Die Torsionslänge, der Torsionswinkel und somit auch die Torsionssteifigkeit sind von der axialen Mutterposition auf der Spindel abhängig. Da diese im Betrieb durch die axiale Verschiebung variabel veränderlich ist, ist auch die Torsionssteifigkeit kein konstanter Kennwert.

Die maximale Torsionsspannung der Spindel (kann meist als kreisförmiger Vollquerschnitt angenommen werden) lässt sich aus dem Torsion- bzw. Drehmoment (T) und aus dem polaren Widerstandsmoment der Kugelgewindespindel (W_ps) bzw. dem Spindeldurchmesser bestimmen.

Der Verdrehwinkel (Drillwinkel) ist von der Spindellänge bzw. von der Position (I), wo das Drehmoment wirksam wird, und vom Schubmodul (G) des Spindelwerkstoffes abhängig. Für die Berechnung des Drillwinkels wird zusätzlich noch das Flächenmoment 2. Grades (I_ps) und das Torsionsmoment (T) benötigt.

Da die Wirkposition (l) durch die axiale Verfahrbewegung der Mutter veränderlich ist, ist auch der Drillwinkel (j) kein konstanter Wert, sondern eine Funktion der Länge (l). Der Drillwinkel ist aber auch direkt von der zeitlichen Veränderung des wirksamen Drehmomentes abhängig, wodurch er auch noch als Funktion der Zeit zu sehen ist. Deshalb können über die Drillung zeitlich variable Torsionsschwingungen entstehen, die über das Kugelgewinde auch in axialer Richtung wirksam werden.

Zug- und Druckbelastung

Neben der Torsionsbelastung wird eine angetriebene Spindel hauptsächlich auf Zug oder auf Druck belastet. In beiden Fällen sind die Zug- bzw. die Druckfestigkeit der Spindel die Belastungsgrenzwerte.

Bei der Beurteilung der Belastung ist es wichtig, den richtigen „kleinsten“ Spindelquerschnitt zu berücksichtigen. Denn nur der Querschnitt, der im Kraftfluss der Spindel liegt, ist für die Spannungsermittlung relevant. Bei der Zugbelastung liegt der bestimmende Spindelquerschnitt meist nicht im Bereich des Kugelgewindes, sondern im Bereich des Befestigungsgewindes der Lagerungen. Da bei der Druckbelastung besonders langer Spindeln die Gefahr des Ausknickens besteht, ist auch die Knickstabilität zu beachten.

Kennwertberechnungen

Daraus berechnen wir für Sie die Kennwerte:

Die Berechnungen und Ergebnisse erhalten Sie dann schnellstmöglich per E-Mail.