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Kugelgewindetriebe für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen (High-Speed)

Überblick über Kugelgewindetriebe für High-Speed-Anwendungen

Um bei Hochgeschwindigkeits-Anwendungen sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten realisieren zu können, müssen vom Kugelgewindetrieb hohe Drehzahlen mit großen Gewindesteigungen umgesetzt werden. Ein sehr ruhiges Betriebsverhalten ist gerade bei diesen hohen Dynamikanforderungen unumgänglich.

Hohe Flexibilität im Einsatz

Obwohl die Dauerbelastung im High-Speed-Bereich vergleichsweise gering ist, wirken bei der zeitlichen Veränderung der hohen Beschleunigungen bzw. Verzögerungen zusätzlich auch sehr hohe, kurzzeitige Spitzenbelastungen auf den Kugelgewindetrieb ein. Damit in allen Betriebsphasen die Kugeln schlupffrei und präzise abrollen können, muss gegebenenfalls die Vorspannung und somit die Ablösekraft entsprechend modifiziert werden.

Einsatzbereiche

Werkzeugmaschinen, wie z. B. Bearbeitungszentren für die High-Speed-Cutting-Anwendung, erfordern neben hochtourigen Hauptspindeln auch sehr dynamische Vorschubachsen, um in kurzen Zykluszeiten hochpräzise Werkstücke herstellen zu können. Die hohen Verfahrgeschwindigkeiten minimieren die Nebenzeiten und ermöglichen dabei optimale Zerspanungsprozesse. Bei der hohen Dynamik derartiger Vorschubachsen steht aber nicht nur die axiale Verfahrgeschwindigkeit, sondern im besonderen Maße auch eine hohe Beschleunigung und eine hohe Verzögerung im Vordergrund.

High-Speed-Kugelgewindetriebe werden für extrem dynamische Anforderungen eingesetzt. Sie sind so konzipiert, dass sie auch und gerade bei sehr hohen Steigungen extrem hohe Verfahrgeschwindigkeiten erreichen. Dazu verkraften sie mühelos hochgradige Beschleunigung und Verzögerung, Spitzenbelastung und auch hohen Ruck.

Die Kugelgewindetriebe von A.MANNESMANN für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen sind gerade für diese extremen Herausforderungen bestens gerüstet.

Vorteile auf einen Blick

Wirtschaftliche Vorteile

  • Kostengünstigste Standard-Ausführung
  • Extrem hohe Geschwindigkeiten
  • Hohe Spitzenbelastungen
  • Geringe Verlustleistung
  • Hervorragende Energieeffizienz
  • Hohe Langzeithaltbarkeit / Lebensdauer
  • Höchstmaß an Langzeitpräzision
  • Höchstmögliche Maschinenverfügbarkeit
  • Perfektionierte Verschleißfestigkeit durch nitrierte Spindel
  • Wirtschaftliche Standardbauformen oder Individualfertigung

Technische Vorteile

  • Angetriebene Mutter
  • Minimale Restunwucht der Mutterkörper (Wuchtqualität Q2,5)
  • Schwingungskritische Drehzahl bestimmt Einsatzgrenzen (Drehzahlkennwert von dn x n (Nenndurchmesser x Drehzahl) < 220.000)
  • Hohe Drehzahlen (dn < 130.000)
  • Hohe axiale Verfahrgeschwindigkeit
  • Hohe Steigung
  • Hohe Drehzahlen
  • Hohe Beschleunigung (bis über 20 m/s2) bzw. Verzögerung
  • Hoher Ruck (bis zu 1.000 m/s3)
  • Geringere Dauerlast
  • Sehr ruhiges Laufverhalten
  • Erhöhte Vorspannung
  • Hohe Ablösekraft
  • Sehr gutes Dynamikverhalten
  • Hohe Präzision und Leistungsfähigkeit
  • Sehr lange Lebensdauer
  • Hohe Muttersteifigkeit
  • Geringe Reibung
  • Niedriges Leerlaufdrehmoment
  • Höchste Kraftübertragungsraten
  • Extrem hoher Wirkungsgrad (bis 98 %)

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 (dn > 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 dn 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.

Angetriebene Mutter und Spindel an einem Kugelgewindetrieb


A.MANNESMANN Produktdatensystem

Für unsere standardisierten Präzisions-Kugelgewindetriebe der Baureihe AM 2.51 und AM 2.52 bieten wir Ihnen für Ihre Nutzung umfassende und in Ihrem CAD-System verwendbare Bauteilzeichnungen und Bemaßungen zum Download.

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 (Js) 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 dc auf der Spindel mit der 4. Potenz, die Spindellänge ls und die Dichte des Spindelwerkstoffes rs bestimmend ein. Das Massenträgheitsmoment Js wird meist in kgcm2 angegeben. Bezieht man das rotatorische Massenträgheitsmoment Js 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 (Wps) 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 (Ips) 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

Im Rahmen unseres Services bieten wir Ihnen die Berechnung der wichtigsten Kennwerte an. Damit möchten wir Sie frühzeitig in Ihrer Planung unterstützen.

Nehmen Sie Kontakt zu uns auf unter salesamannesmannde mit dem Betreff „Kennwertberechnung“ oder telefonisch unter +49 2191 989-0 und nennen uns folgende Parameter Ihres gewünschten Kugelgewindetriebes:

  • Nenndurchmesser d0 [mm]
  • Steigung P [mm]
  • Kugeldurchmesser DK [mm]
  • Spindellänge Ln [mm]
  • Lagerauswahl: Lagerung A, Lagerung B, Lagerung C, Lagerung D

Daraus berechnen wir für Sie die Kennwerte:

  • Dynamische Tragzahl
  • Statische Tragzahl
  • Muttersteifigkeit
  • Leerlaufdrehmoment

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

Ihre Anforderung an uns

Nutzen Sie unsere Profi-Kompetenz zur Entwicklung der besten Lösung. Unsere Ingenieure erreichen Sie direkt unter

+49 2191 989-200

sales@amannesmann.de

Online-Anfrage KGT

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