Kugelrücklaufsysteme, Kugelumlaufspindelauswahl und Kugelumlaufspindelschmierung.

Durch die Auswahl der richtigen Kugelumlaufspindel für eine bestimmte Anwendung werden die Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Lebensdauer der Maschine sichergestellt und gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten minimiert.

Ein Kugelumlaufspindelantrieb wandelt Rotationsbewegungen in Linearbewegungen oder umgekehrt um und kann hohe Axialkräfte – bis zu 340.000 kg statische Kapazität bei einem Kugelumlaufspindelantrieb mit einem Durchmesser von 1524 mm – mit einem Wirkungsgrad von typischerweise über 90 % aufbringen bzw. aushalten. Kugelumlaufspindeln dienen der Führung, Unterstützung, Positionierung und präzisen Bewegung von Komponenten und Produkten in zahlreichen Automatisierungsanwendungen.

Ein Kugelgewindetrieb besteht aus einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelumlaufmutter mit Kugelumlauflagern. Die Schnittstelle zwischen Spindel und Mutter bilden Kugellager, die in den entsprechenden Formen der Kugelumlaufspindel und der Kugelumlaufmutter rollen. Die Belastung der Kugelumlaufspindel wird auf eine große Anzahl von Kugellagern verteilt, sodass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Dank der Wälzkörper weist der Kugelgewindetrieb einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf, was einem hohen mechanischen Wirkungsgrad entspricht.

Der Hauptunterschied zwischen Kugelumlaufspindeln und Leitspindeln besteht in der Verwendung von Kugelumlauflagern, die die Reibung minimieren und die Effizienz maximieren. Kugelumlaufspindeln sind zwar teurer als Leitspindeln, aber ihre Fähigkeit, hohe Lasten zu tragen, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen und eine vorhersehbare Lebensdauer zu bieten, macht sie für viele Anwendungen den Mehrpreis durchaus lohnenswert.

Kugelumlaufspindeln bieten typischerweise einen mechanischen Wirkungsgrad von über 90 %, sodass ihre Kosten oft durch den geringeren Leistungsbedarf ausgeglichen werden. Die höhere Tragfähigkeit, die längere Lebensdauer und die vorhersehbare Zuverlässigkeit von Kugelumlaufspindeln sind Vorteile gegenüber Leitspindeln.

Wiederholbarkeit und Genauigkeit

Die Genauigkeit gibt an, wie genau sich ein Bewegungssystem einer Sollposition nähert, und wird als maximaler Fehler zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Position definiert. Die Wiederholgenauigkeit ist definiert als die Fähigkeit eines Positionierungssystems, während des Betriebs zu einer Position zurückzukehren. Kugelumlaufspindeln bieten eine hervorragende Wiederholgenauigkeit (das Spiel hängt vom Kugellagerdurchmesser ab, liegt aber typischerweise zwischen 0,005 und 0,015 Zoll) und Genauigkeit (±0,004 Zoll/Fuß bei Präzisions-Kugelumlaufspindeln und ±0,0005 Zoll/Fuß bei Kugelumlaufspindeln mit der Bezeichnung „Precision Plus“).

Die Steigungsgenauigkeit ist das gängigste Maß für die Genauigkeit von Kugelumlaufspindeln. Sie gibt an, wie weit eine nicht rotierende Kugelmutter bei einer einzigen 360°-Drehung der Spindel läuft. Die Steigungsgenauigkeit wird als zulässige Wegabweichung (tatsächliche Position gegenüber theoretischer Position) pro Fuß oder pro 300 mm gemessen. Kugelumlaufspindeln werden in den Ausführungen „Precision Plus“ und „Transport“ angeboten, wobei die Ausführung „Precision Plus“ die Steigungsfehlerakkumulation über den gesamten Verfahrweg streng kontrolliert.

Spiel ist die freie Bewegung zwischen Mutter und Spindel und kann axial und radial gemessen werden. Axiales Spiel lässt sich am besten messen, indem man die Spindel gegen Bewegung sichert und die Kugelumlaufmutter axial drückt und zieht, während man ihre Bewegung mit einer Messuhr misst. Spiel kann auch gemessen werden, indem man eine Messuhr auf die Kugelumlaufmutter im System setzt und sie einen Zoll vorwärts und zurück in die Ausgangsposition bewegt. Die Abweichung vom Nullpunkt ist das Spiel. Die Wiederholgenauigkeit ist einfach der quantitative Wert des Spiels einer Kugelumlaufspindel.

Eine nicht vorgespannte Kugelumlaufmutter weist ein inneres Spiel zwischen den Komponenten auf, was bedeutet, dass Spiel vorhanden ist. Eine vorgespannte Kugelumlaufmutter weist kein axiales Spiel auf und eliminiert daher Spiel und erhöht somit die Steifigkeit. Die Vorspannung erhöht auch das zum Drehen der Spindel erforderliche Drehmoment und wird als Prozentsatz der Vorspannung zur dynamischen Kapazität gemessen (eine Kugelumlaufmutter mit einer dynamischen Kapazität von 1500 lb und einer Vorspannung von 10 % hat eine innere Vorspannung von 150 lb). Kugelumlaufspindeln mit Präzisionsgewinde werden in der Regel ohne Vorspannung verwendet. Die Vorspannung einer Kugelumlaufspindel verbessert die Wiederholgenauigkeit durch Eliminierung des Spiels, beeinträchtigt jedoch nicht die Genauigkeit.

Vorgespannte Kugelmuttern sind für Präzisions-Plus-Gewinde und ausgewählte Präzisionsspindelprodukte erhältlich. Aufgrund der Komplexität, der zusätzlichen Bearbeitung, Montage und Überprüfung/Messung sind sie teurer als nicht vorgespannte Muttern. Kugelgewindetriebe können mit Doppel- oder Einzelmutterkonfigurationen vorgespannt werden. Es gibt drei Hauptarten der Vorspannung: Einzelmutter mit übergroßer Kugel (4-Punkt-Kontakt), Einzelmutter mit übersprungener Führung (2-Punkt-Kontakt) und Doppelmutter (2-Punkt-Kontakt). Durch die Vorspannung einer Einzelmutter wird die kleinste Packungsgröße bei voller Tragfähigkeit beibehalten. Kugelmuttern mit übersprungener Führung haben die halbe Tragfähigkeit von Einzelmuttern ähnlicher Größe, da in jeder Richtung nur die Hälfte der Kugellager belastet wird. Vorgespannte Doppelmutterbaugruppen haben die gleiche Tragfähigkeit wie Einzelmuttern, da in jeder Richtung nur eine Kugelmutter belastet wird.

Es gibt viele Verfahren zur Herstellung von Kugelumlaufspindeln, obwohl sie typischerweise in zwei Kategorien eingeteilt werden: Präzision und Präzision Plus. Die Laufbahn einer Kugelumlaufspindel mit Präzisionsgewinde wird durch Kaltwalzen geformt. Die Mutter wird maschinell bearbeitet, um der Leistungsfähigkeit der Spindel zu entsprechen. Dieses Verfahren bietet eine mittlere Genauigkeit in der Größenordnung von ±0,004 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit bei Transport-Zoll-Spindeln. Spindel und Mutter von Kugelumlaufspindeln mit Präzisions-Plus-Gewinde werden durch Präzisionsschleifen hergestellt. Kugelumlaufspindeln mit Präzisions-Plus-Gewinde bieten eine deutlich höhere Genauigkeit von ±0,0005 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit bei Präzisions-Plus-Zoll-Spindeln. Die Kosten von Kugelumlaufspindeln mit Präzisions-Plus-Gewinde sind aufgrund der längeren Bearbeitungszeit höher als bei Präzisionsspindeln.

Ballrücklaufsysteme

Drei verschiedene Arten von Kugelrückführungssystemen sind allgemein gebräuchlich. Externe Rückführungsrohre, die typischerweise bei Zollgewindetrieben verwendet werden, sind kostengünstig und einfach zu installieren, zu warten und zu reparieren. Interne Knopfrückführungssysteme werden typischerweise bei Gewindetrieben mit geringer Steigung verwendet. Sie sind kompakt, ohne äußere radiale Vorsprünge, die die Montage erschweren, und verursachen weniger Lärm und Vibrationen als externe Rückführungen. Interne Knopfrückführungssysteme werden häufig bei Baugruppen mit 4-Punkt-Kontakt, Einzelmutter und Vorspannung verwendet. Interne Endkappenrückführungen werden typischerweise bei Gewindetrieben mit hoher Steigung verwendet. Sie sind kompakt, ohne äußere radiale Vorsprünge, die die Montage erschweren. Auch ihre Lärm- und Vibrationsentwicklung ist im Vergleich zu externen Rückführungen geringer.

Auswahl der Kugelumlaufspindel

Die Auswahl des Kugelgewindetriebs, der die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Tragfähigkeit und Lebensdauer bietet, erfolgt am besten in einem iterativen Prozess. Auslegungslast, Systemausrichtung, Verfahrweg, erforderliche Lebensdauer und Geschwindigkeit bestimmen Durchmesser und Steigung des Kugelgewindetriebs. Die Auswahl der einzelnen Kugelgewindetriebkomponenten erfolgt dann anhand der Anforderungen an Genauigkeit und Wiederholbarkeit, der Maßbeschränkungen, der Montagekonfiguration, des verfügbaren Leistungsbedarfs und der Umgebungsbedingungen.

Bestimmen Sie zunächst die für die Anwendung erforderliche Positionsgenauigkeit und Wiederholbarkeit. Zoll-Kugelumlaufspindeln werden in zwei Hauptqualitäten hergestellt: Transport und Präzision Plus. Transport-Kugelumlaufspindeln werden in Anwendungen eingesetzt, die nur grobe Bewegungen erfordern oder lineare Rückmeldung zur Positionsbestimmung benötigen. Präzisions-Plus-Kugelumlaufspindeln werden verwendet, wenn eine genaue und wiederholbare Positionierung entscheidend ist. Transport-Kugelumlaufspindeln ermöglichen eine größere kumulative Abweichung über die Nutzlänge der Spindel. Präzisions-Plus-Kugelumlaufspindeln enthalten eine Ansammlung von Steigungsfehlern für eine präzise Positionierung über die gesamte Nutzlänge der Spindel.

Bestimmen Sie, wie die Kugelumlaufspindel in der Maschine montiert wird. Die Konfiguration der Endlager und der Verfahrweg bestimmen die Belastungs- und Geschwindigkeitsbegrenzungen der Kugelumlaufspindel.

Eine Kugelumlaufspindel kann unter Zugbelastung Lasten bis zur Nennkapazität der Mutter bewältigen. Verwenden Sie für eine Kugelumlaufspindel unter Druckbelastung ein beim Hersteller erhältliches Druckbelastungsdiagramm, um einen Kugelumlaufspindeldurchmesser auszuwählen, der die Auslegungslast erreicht oder übersteigt. Alle Spindeln mit Kurven, die durch oder rechts vom eingezeichneten Punkt verlaufen, sind beispielsweise für die folgende Beispielanwendung geeignet. Die in diesem Diagramm dargestellten geeigneten Druckbelastungen dürfen die maximale statische Tragfähigkeit, die in der Nenntabelle für die einzelne Kugelumlaufspindelbaugruppe angegeben ist, nicht überschreiten. Bei einer Länge von 85 Zoll (2159 mm), einer Systemlast von 30.000 lb (133.500 N) und einer Endfixierung, bei der ein Ende fixiert und das andere Ende gelagert ist, ist die Mindestauswahl eine Kugelumlaufspindelbaugruppe mit einer Präzision von plus Zoll von 1,750 x 0,200.

Berechnen Sie mit der folgenden Formel die Steigung der Kugelumlaufspindel, die die erforderliche Geschwindigkeit erzeugt.

Steigung (Zoll) = Hubgeschwindigkeit (Zoll min.-1)/U/min

Bestimmen der Lebenserwartung einer Anwendung

Die Lebensdauer der Baugruppe lässt sich anhand der für jede Kugelmutter angegebenen dynamischen Tragzahl berechnen. Alle Kugelmuttern, deren Kurven durch den eingezeichneten Punkt verlaufen oder darüber liegen, sind für das Beispiel geeignet. Die in diesem Diagramm angezeigten Lebensdauererwartungen dürfen die maximale statische Tragzahl gemäß der Nennwerttabelle für die jeweilige Kugelmutterbaugruppe nicht überschreiten. In diesem Beispiel beträgt die gewünschte Anwendungslebensdauer (Gesamthub) 50,8 Millionen mm (2 Millionen Zoll). Die maximale normale Betriebslast beträgt dann 44.500 N (10.000 lb).

Bestimmung der kritischen Schraubendrehzahl

Die kritische Spindeldrehzahl ist der Zustand, bei dem die Drehzahl der Baugruppe harmonische Schwingungen erzeugt. Die kritische Drehzahl hängt vom Spindelkerndurchmesser, der freien Länge und der Endlagerkonfiguration ab. In den meisten Herstellerdiagrammen sind alle Spindeln mit Kurven, die durch oder rechts vom eingezeichneten Punkt verlaufen, für das folgende Beispiel geeignet. Die vier Zeichnungen der Endbefestigung zeigen die Lagerkonfigurationen zur Lagerung einer rotierenden Welle, und das Diagramm veranschaulicht die Auswirkungen dieser Bedingungen auf die kritische Wellendrehzahl für die freie Spindellänge. Die in diesem Diagramm dargestellten zulässigen Geschwindigkeiten gelten für die gewählte Spindelwelle und sind nicht repräsentativ für die erreichbaren Geschwindigkeiten aller zugehörigen Kugelmutterbaugruppen.

Wenn die Berechnungen zu Last, Lebensdauer und Drehzahl bestätigen, dass der ausgewählte Kugelgewindetrieb die Konstruktionsanforderungen erfüllt oder übertrifft, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Andernfalls erhöhen größere Spindeldurchmesser die Tragfähigkeit und die Drehzahl. Kleinere Steigungen verringern die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Motordrehzahl), erhöhen die Motordrehzahl (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und verringern das erforderliche Eingangsdrehmoment. Höhere Steigungen erhöhen die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Motordrehzahl), verringern die Motordrehzahl (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und erhöhen das erforderliche Eingangsdrehmoment.

Bestimmen Sie, wie die Kugelmutter in die Anwendung integriert wird. Ein Kugelmutterflansch ist die typische Methode zur Befestigung der Kugelmutter an der Last. Gewinde- und Zylinderkugelmuttern sind alternative Möglichkeiten zur Schnittstellengestaltung.

Vorgespannte Kugelumlaufmuttern eliminieren das Systemspiel und erhöhen die Steifigkeit. Abstreifersätze schützen die Baugruppe vor Verunreinigungen und enthalten Schmiermittel. Für die meisten Kugelumlaufspindeln sind außerdem Lagerhalterungen und Endbearbeitungen erhältlich.

Kugelumlaufspindeln müssen vor der ordnungsgemäßen Installation sorgfältig behandelt werden. Stöße auf die Kugellager können die Laufringe durch Brinelling oder Rissbildung beschädigen. Hohe Belastungen oder Biegungen der Spindel können zu Verbiegungen führen. Es ist wichtig, die Baugruppe verpackt und geschmiert an einem sauberen, trockenen Ort aufzubewahren, da Schmutz und Verunreinigungen die Umwälzkanäle verstopfen und hohe Luftfeuchtigkeit oder Regen Korrosion verursachen können.

Die Systemmontage ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Die Kugelmutter sollte nur axial belastet werden, da jede radiale Belastung die Leistung der Baugruppe erheblich reduziert. Für optimale Leistung und Lebensdauer sollte die Baugruppe außerdem korrekt auf das Antriebssystem, die Lagerhalterungen und die Last ausgerichtet sein.

Kugelumlaufspindelschmierung

Der Kugelumlaufspindelantrieb sollte niemals ohne ausreichende Schmierung betrieben werden. Schmiermittel erhalten den Vorteil der geringen Reibung von Kugelumlaufspindeln, indem sie den Rollwiderstand zwischen Kugeln und Rillen sowie die Gleitreibung zwischen benachbarten Kugeln minimieren.

Öl kann mit kontrollierter Durchflussrate direkt an die Bedarfsstelle abgegeben werden und entfernt beim Durchlaufen der Kugelmutter Verunreinigungen. Es kann zudem für die Kühlung sorgen. Für die ordnungsgemäße Ölabgabe sind jedoch eine Pumpe und ein Dosiersystem erforderlich, da Öl auch Prozessflüssigkeiten verunreinigen kann.

Fett ist günstiger und muss seltener aufgetragen werden als Öl. Zudem verunreinigt es die Prozessflüssigkeiten nicht. Fett lässt sich jedoch nur schwer in der Kugelmutter halten und neigt dazu, sich an den Enden des Kugelmutterwegs anzusammeln, wo es Späne und Schleifpartikel ansammelt. Die Unverträglichkeit von altem Fett mit Nachschmierfett kann zu Problemen führen. Daher ist es wichtig, die Verträglichkeit zu prüfen. Ein tragfähiges Fett kann die Lebensdauer einer Baugruppe verlängern, die Gesamttragfähigkeit ändert sich dadurch jedoch nicht.