Was ist eine Trapezschraube?
Trapezschrauben gehören zu den Vorschubspindeln und sind ein Maschinenelement zur Umwandlung einer von einem Motor oder ähnlichem erzeugten Drehbewegung in eine lineare Bewegung.
Die Drehbewegung eines Motors kann durch die lineare Bewegung des Mutterteils bei der Drehung der Spindelwelle in eine Bewegung auf einem linearen Bewegungsmechanismus wie einer Linearführung umgewandelt werden. Sie besteht aus einer Kombination von Gewindespindel und Mutterteil, wobei das Mutterteil aus einem Material mit guten Gleiteigenschaften hergestellt ist.
Obwohl sie die gleiche Funktion wie eine Kugelumlaufspindel mit einem ähnlichen Mechanismus hat, benötigt die Trapezschraube keine Kugeln, so dass sie mit einem einfachen Mechanismus realisiert werden kann und relativ kostengünstig ist. Aufgrund dieser Vorteile werden Trapezschrauben in linearen Bewegungen von Präzisionsgeräten und verschiedenen anderen elektronischen Geräten eingesetzt.
Anwendungen von Trapezschrauben
Trapezschrauben werden in der linearen Bewegung von Präzisionsgeräten eingesetzt, typischerweise in der Halbleiterfertigung. Bei Kugelgewindetrieben besteht die Gefahr, dass Kugeln herausfallen und sich mit dem hergestellten Produkt vermischen, während bei Trapezschrauben eine Vermischung der Kugeln nicht zu befürchten ist. Aus diesem Grund werden sie häufig in der Medizin- und Lebensmittelindustrie eingesetzt.
Funktionsweise von Trapezschrauben
Trapezschrauben können eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandeln, da die Schraube spiralförmig geformt ist. Die Drehung der Schraubenwelle bewirkt, dass sich das Mutterteil in der axialen Richtung der Schraubenwelle bewegt.
Da die Kraftumwandlung durch Gleiten zwischen Spindelwelle und Mutterteil erfolgt, sind der Reibungskoeffizient und die Verschleißfestigkeit der Kontaktflächen sehr wichtig. Um eine niedrige Reibung und Verschleißfestigkeit zu erreichen, wird für das Mutterteil Bronzeguss BC6C oder Polyacetalharz POM verwendet.
Für die Gewindeschäfte werden Kohlenstoffstahl S45C für den Maschinenbau und austenitischer rostfreier Stahl SUS304 aufgrund ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit verwendet. Die Kombination aus einer Gewindewelle aus rostfreiem Stahl und einem Mutterteil aus Polyacetalharz bietet eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eignet sich daher als linearer Bewegungsmechanismus für Maschinen, die in feuchter Umgebung eingesetzt werden.
Bei der Befestigung eines Bauteils an einem Kunststoffmutterteil muss das Anzugsdrehmoment angepasst werden, um eine Beschädigung des Mutterteils zu vermeiden.
Arten von Trapezschrauben
Es gibt drei Arten von Trapezschrauben, abhängig von der Form der Schraube:
1. Dreikantschrauben
Dieser Schraubentyp hat ein gleichseitiges, dreieckiges Gewindeprofil und wird ebenfalls zur Befestigung verwendet. Sie sind leicht zu bearbeiten und bieten eine hohe Genauigkeit unter den Trapezschrauben. Nachteilig ist dagegen die schlechte Kraftübertragung.
2. Trapezgewindespindel
Trapezgewindespindeln haben ein trapezförmiges Gewindeprofil. Der Steigungswinkel, der sogenannte Gewindehalbwinkel, beträgt 30° oder 29°. Sie werden häufig für Gleitschrauben in Bearbeitungszentren und Maschinenteilen verwendet.
3. Vierkantschrauben
Vierkantschrauben haben ein quadratisches Gewinde. Obwohl ihre Positioniergenauigkeit geringer ist, haben sie einen hohen Wirkungsgrad bei der Kraftübertragung und werden daher häufig in Maschinen verwendet, die große Kräfte in axialer Richtung übertragen, wie z. B. Pressen und Hebevorrichtungen.
Weitere Informationen zu Trapezschrauben
1. Unterschied zu Kugelgewindetrieben
Im Vergleich zu Kugelgewindetrieben sind Trapezschrauben kostengünstiger, da sie keine komplexen Mechanismen erfordern. Andererseits ist ihre Positioniergenauigkeit (die im nächsten Abschnitt erläutert wird) geringer als die von Kugelgewindetrieben und entspricht nur der Klasse C10. Weitere Nachteile von Trapezschrauben sind, dass sie anfällig für Scherkräfte und nicht axiale Momente sind und dass ihr Übertragungswirkungsgrad geringer ist als der von Kugelgewindetrieben.
Daher werden Trapezschrauben manchmal in Verbindung mit Linearführungen eingesetzt, um die Richtung der Last zu begrenzen. Kugelgewindetriebe sind auch geeignet, wenn ein hoher Wirkungsgrad oder eine hohe Positioniergenauigkeit erforderlich ist.
2. Positioniergenauigkeit
Die Positioniergenauigkeit bezieht sich auf den Grad der Übereinstimmung zwischen der bei der Positionierung erreichten Ist-Position und der Soll-Position sowie auf die Differenz zwischen dem Mittelwert der realisierten Positionen und dem Soll-Wert, wenn die Positionierung mehrmals durchgeführt wird.
C0, C1, C2, C3 und C5 sind als Präzisionskugelgewindetriebe definiert, wobei die Genauigkeit umso höher ist, je kleiner die Zahl ist, und C7, C8 und C10 als Rollkugelgewindetriebe. Wie bereits erläutert, entspricht die Positioniergenauigkeit von Trapezschrauben der Klasse C10, wobei C10 bei einem Verfahrweg von 300 mm einen Fehler von bis zu ±210 µm zulässt.