Präzisions-Kugelgewindetriebe mit angetriebener Mutter

Angetriebene Mutter

Angetriebene (rotierende) Muttern mit einer stationären Spindelwelle haben gegenüber der normalen Konfiguration mit rotierender Spindel verschiedene Vorteile. Da die Spindel nicht rotiert, sind für deren Verlagerung feste Lagerböcke ausreichend. Auch die Kühlung der Spindel ist durch eine zentrale Bohrung und feste Verschraubungen für die Kühlflüssigkeit einfach und wirtschaftlich herstellbar. Besonders bei längeren Spindeln ist die Nutzung von gereckten Spindeln problemlos möglich.

Höhere Drehzahlen und Verfahrgeschwindigkeiten mit angetriebener Mutter

Da die Mutter um die Spindel (Welle bzw. Achse) rotiert, wirkt sie als Schwingungserreger. Damit sie möglichst geringe Schwingungen erzeugt und ein Aufschwingen der Spindelwelle durch Resonanzerscheinungen später erfolgt, muss die Mutter einen guten Rundlauf und vor allem eine geringe Restunwucht aufweisen. Bei langen, nicht rotierenden Wellen mit angetriebenen Muttern sind deshalb bis zu 35 % höhere Drehzahlen und somit auch höhere Verfahrgeschwindigkeiten erreichbar.

Ableiten der Reckkräfte über feste Lager - ohne Erwärmung

Das Recken der Spindelwelle ist einfacher als bei einer drehenden Spindel, da die Reckkräfte nicht über rotierende, sondern über feste Lager in die Umgebungskonstruktion geleitet werden. Es kommt zu keiner Erwärmung der Lager und somit zu einer Reduzierung der Verlustleistung.

Einfache Kühlung

Die Flüssigkeitskühlung der Spindel ist erleichtert, da die Zuführung der Kühlflüssigkeit nicht über Drehdurchführungen, sondern direkt über feste Verschraubungen in der Spindel erfolgen kann.

Höhere Spindelsteifigkeit

Die Torsions- und die Axialsteifigkeit der Spindelwelle wird erhöht, da Axialkräfte und Torsionsmomente an beiden Enden der Spindel in die Umgebungskonstruktion abgeleitet werden. Dies bringt gerade bei Spindeln mit hohem Steigungs-Durchmesserverhältnis eine deutliche Verbesserung der Steifigkeit, die bei rotierenden Spindeln nicht erreichbar ist.

Mehrmutterbetrieb

Eine stehende Kugelgewindespindel kann auch mehrere Kugelgewindemuttern aufnehmen. Werden diese Muttern einzeln angetrieben, so können die Bewegungen der Muttern auch unabhängig voneinander genutzt werden.

Den Vorteilen rotierender Muttern stehen einige systembedingte Nachteile gegenüber.

Komplexe Schmiermittelzufuhr

Die Schmiermittelzufuhr von außen direkt in die Mutter ist erschwert, da Drehdurchführungen notwendig sind und die Zentrifugalkräfte es unmöglich machen können, das Schmiermittel bis an die Kugeln und Laufbahnen zu fördern. Die Drehdurchführungen für die Schmiermittelzufuhr in eine rotierende Mutter sind problematisch, da sie (eventuell auch erst im Laufe der Zeit) eine Leckage haben können, die höher ist als die normale Schmiermitteldurchflussrate einer Kugelgewindemutter. Ergebnis kann sein, dass das durch die Zentrifugalkräfte gegen die Wellendichtungen der Drehdurchführung gedrückte Öl verloren geht und die Schmierung der Kugeln und Laufbahnen komplett ausfällt.

Als Abhilfe und zur Einsparung der Drehdurchführungen für den Schmierstoff kann die Mutter durch einen Schmierkanal in der Spindel versorgt werden. Dazu wird, eventuell zusätzlich zur Kühlbohrung der Spindel, ein Tiefloch achsparallel bis zur Werkzeugwechselposition der Mutter eingebracht und durch eine Querbohrung das Schmiermittel in die Mutter eingespritzt, wenn sie sich gerade dort befindet. In der Regel reicht die Schmiermittelmenge dann problemlos bis zum nächsten Werkzeugwechsel.

Riemen- oder Zahnradtrieb mit Axiallagerung

Angetriebene Muttern sollten nach Möglichkeit axial an eine verlagerte Spindel montiert werden, die über einen Riemen- oder Zahnradtrieb angetrieben werden. Die während des Betriebes entstehende Wärme kann hierbei gut über den Mutterkörper an die Umgebung abgegeben werden.

Bei der Gestaltung des Riementriebes und der Lagerung ist unbedingt zu beachten, dass die Riemenzugkräfte vollständig von der Lagerung aufgenommen werden und die Mutter nicht z. B. durch die Riemenvorspannung zusätzlich radial belastet wird.

Die notwendigen Axiallager können im Durchmesser relativ groß sein und begrenzen unter Umständen die Verfahrgeschwindigkeit. Um den Lagerbohrungsdurchmesser zu minimieren und die Drehzahlgrenzen des Lagers zu erhöhen, werden die Lager oftmals direkt auf dem Mutterkörper montiert. In diesem Falle ist das Gewinde für die Spannmutter der Lager direkt in den Mutterkörper integriert.

Laufverhalten mit minimierter Restunwucht

Da die Mutter wegen der Gewindeumläufe und der Kugelrückführung keine homogene Massenverteilung hat, macht sich die dadurch entstehende Unwucht bei der Rotation um die Spindel herum im Laufverhalten deutlich bemerkbar. Angetriebene Muttern müssen deshalb durch Tarierflächen oder andere Auswuchtmaßnahmen feingewuchtet werden. Die ständige Veränderung der Restunwucht durch die sich verändernden Kugelpositionen kann nicht vollständig kompensiert werden.

Antrieb über Hohlwellenmotoren mit Kühlsystem

Ein Direktantrieb ist nur mit Hohlwellenmotoren möglich, die hinsichtlich der Wärmeemission in die Mutter allerdings problematisch sein können und unbedingt ein Kühlsystem benötigen, um keine thermischen Beeinträchtigungen zu erhalten.

Schwingungskritische Drehzahl

Die dynamischen Einsatzgrenzen für Präzisions-Kugelgewindetriebe mit angetriebener Mutter werden durch die schwingungskritische Drehzahl oder die während des Betriebes auf die Kugeln einwirkenden Massekräfte bestimmt.

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

Standards und Sonderanfertigungen

A.MANNESMANN liefert diese standardisierten Präzisions-Kugelgewindetriebe (AM 2.52) als Doppelmutter mit Seitenflansch, vorgespannt in den Nenndurchmessern 32, 40, 50, 63, 80, 100 und 125 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.