Was ist ein Kugelgewindetrieb?
Ein Kugelgewindetrieb (englisch: ball screw) ist eine Form von Vorschubspindel, die eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt, um die Position eines Bauteils zu bewegen. Die Spindel und die Mutter werden durch Kugeln angetrieben. Wenn sich die Spindel und die Mutter relativ zueinander drehen, rollen die Kugeln in einem endlosen Zyklus. Der Gleitwiderstand zwischen Spindel und Mutter ist wesentlich geringer als bei herkömmlichen Trapezgewindetrieben.
Die Präzisionsgüte von Spindel und Kugel ermöglicht eine präzise Bewegung, was zu einer hohen Positioniergenauigkeit führt. Sie werden in Automobil-Lenksystemen und Präzisionswerkzeugmaschinen eingesetzt.
Anwendungen von Kugelgewindetrieben
Kugelgewindetriebe sind Maschinenelemente, die eine Rotationsbewegung, z. B. eines Motors, in eine lineare Bewegung umwandeln. Zu den Hauptanwendungen gehören der Transport und die Positionierung von Produkten und Komponenten, Halbleiterfertigungsanlagen, Industrieroboter und Werkzeugmaschinen. Da der Weg (Steigung) einer einzelnen Umdrehung eines Kugelgewindetriebs genau reproduzierbar ist, kann in Kombination mit Schrittmotoren eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden.
Je nach Genauigkeit werden die Kugelgewindetriebe für die Förderung und Positionierung der Güter ausgewählt.
In NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen werden Kugelgewindetriebe eingesetzt, um den Vorschubmechanismus zu konfigurieren und eine präzise Positioniergenauigkeit zu erreichen. Kugelgewindetriebe werden auch in Nahrungsmittelmaschinen, medizinischen Geräten, Robotern und Spritzgießmaschinen, Druckgeräten, Unterhaltungsgeräten sowie in Automobilen, Zügen und Flugzeugen, Halbleiterfertigungsanlagen und Prüfgeräten eingesetzt.
Funktionsweise der Kugelgewindetriebe
Ein Kugelgewindetrieb ist ein Maschinenelement, das aus einer Gewindespindel, einer Mutter und einer Kugel besteht, die eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung oder eine lineare Bewegung in eine Drehbewegung umwandelt. Bei diesem Bauteil kommt die Tribotechnik zum Einsatz, die es ermöglicht, eine Kugel zwischen Spindelwelle und Mutter zu platzieren und leicht abrollen zu lassen. Die gleitende Kontaktbewegung der Spindeloberfläche wird in eine rollende Kontaktbewegung umgewandelt. Da die Kugeln stufenlos umlaufen müssen, ist eine Rückführungskomponente erforderlich.
Es gibt verschiedene Arten von Rückführungssystemen, wie z. B. Rückführrohr, Endabweiser, Endkappe sowie Stück- und Rückführplatten, die je nach Größe und Präzision in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Bei der Verwendung von Kugelgewindetrieben ist eine Führungsschiene zur Führung der Mutter erforderlich. Die Führungsschienen nehmen neben der axialen Belastung der Mutter auch vertikale Lasten und Momente auf.
Die Gewindespindel wird mit einem hohen Maß an Genauigkeit bewegt, indem man die Länge der Steigung, d. h. den Betrag der Bewegung pro Mutterumdrehung, mit der Anzahl der Gewindestreifen kombiniert. Die Kugel wird mit Druck beaufschlagt, um das Spiel der Mutter zu eliminieren und eine hohe Positioniergenauigkeit ohne ungleichmäßige Drehung der Gewindespindel oder der Mutter zu erreichen.
Weitere Informationen zu Kugelgewindetrieben
1. Merkmale von Kugelgewindetrieben
Kugelgewindetriebe zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, die Drehbewegung einer Maschine in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Umgekehrt ist es auch möglich, eine lineare Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Das Drehmoment zum Antrieb der Spindelwelle kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Spindel auf 1/3 oder weniger reduziert werden. Daher kann der Motor, der den Kugelgewindetrieb antreibt, kleiner und leichter gebaut werden.
Der Unterschied zwischen dem Anfahrreibungsdrehmoment und dem kinetischen Reibungsdrehmoment ist gering und Ruckgleiten kann vermieden werden, so dass Maschinen mit hoher Präzision gesteuert werden können. Muttern können durch die Verwendung von zwei Muttern oder durch die Verwendung von Kugeln mit einem größeren Durchmesser vorgespannt werden. Das Spiel wird eliminiert und die Steifigkeit erhöht, was zu einer besseren Steuerbarkeit führt.
Die Verschleiß- und Ermüdungslebensdauer des Kugelgewindetriebs lässt sich rechnerisch vorhersagen und erhöht so die Betriebssicherheit. Der Reibungskoeffizient an der Kontaktfläche zwischen Spindel und Mutter beträgt bei Gleitspindeln etwa 0,1-0,2, bei Kugelgewindetrieben dagegen 0,002-0,004. Daraus ergibt sich ein hoher Übertragungswirkungsgrad von mehr als 90 %.
Sie sind einfach zu handhaben und kostengünstig, da ihre Abmessungen und ihre Genauigkeit international genormt sind und in speziellen Fabriken in Massenproduktion hergestellt werden. Andererseits haben Kugelgewindetriebe den Nachteil, dass sie anfällig für Stöße sind. Da die gleitenden Teile in Punktkontakt stehen, neigen sie dazu, bei Stößen Dellen und andere Spuren zu hinterlassen. Außerdem können Fremdkörper, die in die gleitenden Teile eindringen, Fehlfunktionen und Ausfälle verursachen. Bei Verwendung als Gleitwelle in Werkzeugmaschinen muss eine Abdeckung oder ähnliches angebracht werden, um die Verunreinigung durch Späne zu verhindern.
2. Herstellungsmethoden der Kugelgewindetriebe
Kugelgewindetriebe können je nach Herstellungsverfahren in rollend und schleifend unterteilt werden.
Rollende Kugelgewindetriebe
Bei diesem Verfahren wird eine runde Stange unter Rotation gegen ein Werkzeug, das sogenannte Rollwerkzeug, gepresst, und die Gewinderillen werden durch plastische Verformung gebildet. Im Vergleich zum Schleifen ist der Genauigkeitsgrad tendenziell geringer.
Schleifende Kugelgewindetriebe
Bei diesem Verfahren wird eine Werkzeugmaschine, die Gewindeschleifmaschine, verwendet, um die Gewinderillen durch Schleifen zu formen. Da das Rundschleifen nach der Wärmebehandlung durchgeführt wird, ist die Oberfläche glatter als beim Walzen. Dieses Verfahren wird eingesetzt, wenn eine hochpräzise Maschinensteuerung erforderlich ist, wie z. B. bei den Schlittenachsen kleiner Werkzeugmaschinen für Präzisionsgeräte.