Schwerlast-Kugelgewindetriebe – die Antriebslösung mit höherer Tragzahl

Quizfrage zur Antriebstechnologie: Wenn Sie eine Axiallast von 500 kN über einen Hubweg von 1500 mm bewegen müssen – verwenden Sie dazu einen Rollen- oder einen Kugelgewindetrieb?

Wenn Sie sich spontan für den Rollengewindetrieb entschieden haben, sind Ihnen die Schwerlast-Kugelgewindetriebe von Thomson als wirtschaftliche und einfache Alternative vermutlich nicht bekannt. Rollengewindetriebe wurden lange als einzig nutzbare Technologie zur Bewegung großer Lasten propagiert, wenn der verfügbare Einbauraum begrenzt ist. Tatsächlich haben technologische Weiterentwicklungen der Kugelgewindetriebe spezielle Ausführungen hervorgebracht, die sich als Lösungen auch für hohe Lasten anbieten. Dieser Umstand ist deshalb so bedeutend, weil ein Schwerlast-Kugelgewindetrieb bei identischen Leistungsparametern in der Regel noch nicht einmal die Hälfte der Kosten eines vergleichbaren Rollengewindetriebs verursacht.

Wo liegt der Unterschied?
Ein Kugelgewindetrieb (Abbildung 1) besteht aus einer Spindel mit einer Mutter, die sich linear bewegt, sobald ein Motor die Spindel dreht. Je nach dem zu automatisierenden Industrieverfahren ist die Mutter mit einem Tisch, Arm oder sonstigen Lastelement verbunden. Die in der Mutter integrierten Kugeln greifen in die Laufbahnen und tragen auf diese Weise die Last. Der Reibungskoeffizient zwischen den Komponenten ist extrem gering, sodass normalerweise ein System-Wirkungsgrad von über 90 % vorliegt. Die Tragzahl des Kugelgewindetriebs ist somit eine Funktion aus dem Kugel-Durchmesser, der Anzahl der Kugeln und der Kontaktfläche. Die Kombination dieser Parameter bestimmt die Tragzahl der Baugruppe und damit die Lebensdauer.

Abbildung 1: Thomson Kugelgewindetriebe bestehen aus einer Kugelgewindespindel mit einer Kugelgewindemutter, die sich linear bewegt, sobald ein Motor die Spindel dreht. Je nach dem zu automatisierenden Industrieverfahren ist die Mutter mit einem Tisch, Arm oder sonstigen Lastelement verbunden. Thomson fertigt Kugelgewindemuttern mit drei unterschiedlichen Kugelrückführungen, je nach Durchmesser und Steigung der Spindel.

Für höhere Lasten spezifizieren Konstrukteure häufig Rollengewindetriebe (Abbildung 2). In einem Rollengewindetrieb besteht die lasttragende Mechanik aus umlaufenden Rollen anstelle von Kugeln. Die Rollen verfügen über eine größere wirksame Berührungsflache als Kugeln, was sowohl die Tragzahl erhöht als auch die Lebensdauer des Systems verlängern kann.

Abbildung 2: Rollengewindetrieb. Die Rollenlager mit gerillten Rollelemente verfügen über eine größere wirksame Berührungsflache als Kugeln, was sowohl die Tragzahl erhöht als auch die Lebensdauer des Systems verlängern kann.

Diese Vorteile werden jedoch teuer erkauft. Im Vergleich zum relativ einfachen, praxisbewährten Kugelsystem erfordern Rollengewindetriebe eine aufwändige – und damit kostspielige – Präzisionsbearbeitung in der Herstellung und sind zudem deutlich komplexer aufgebaut. Das trägt zu den insgesamt höheren Kosten des Rollengewindetriebs bei und erfordert mehr Einbauplatz in der Endkonstruktion.

Eigenschaften eines Schwerlast-Kugelgewindetriebs
Thomson Industries hat einen Kugelgewindetrieb für hohe Tragzahlen entwickelt, der eine spezielle Laufbahnform nutzt, sodass die Belastbarkeit um vier- bis achtmal über der eines herkömmlichen Kugelgewindetriebs liegt. Damit erhalten Konstrukteure die Möglichkeit, einen Kugelgewindetrieb in fast jeder Anwendung einzusetzen, die bislang einen Rollengewindetrieb verlangte. Bedenkt man andererseits, dass die zeitliche Laufleistung einer Baugruppe direkt von deren Tragzahl abhängt (siehe L10 Lebensdauerberechnung), würde die Verwendung eines hochbelastbaren Kugelgewindetriebs in einer Niederlast-Anwendung die Lebensdauer des Produkts verlängern.

Tabelle 1 zeigt, welche Vorteile ein Schwerlast-Kugelgewindetrieb in einer Anwendung bietet, die eine dynamische Tragzahl von mindestens 470 kN erfordert. Ein Standard-Kugelgewindetrieb kann zwar als Lösung dienen, hat aber den doppelten Durchmesser und kostet 60 % mehr. Ein Rollengewindetrieb eignet sich ebenfalls, hat aber eine fast 50 % größere Mutter und einen Preis, der das 1,5-fache eines Schwerlast-Kugelgewindetriebs beträgt.

Tabelle 1: Vergleich eines Standard-Schwerlast-Kugelgewindetriebes mit einem Rollengewindetrieb in einer Anwendung, die eine dynamische Tragzahl von mindestens 470 kN erfordert.

Vergleich von Kosten, Preis und Durchmessern bei Standard-Schwerlast-Kugelgewindetrieben und Rollengewindetrieben.

Schwerlast-Kugelgewindetriebe sind mit bis zu 15 m Spindellänge und Einzel- oder Doppelmuttern in Standardgrößen von 40 bis 160 mm Durchmesser bei einer dynamischen Tragzahl von bis zu 1.440 kN erhältlich. Anwendungen, die am meisten von Schwerlast-Kugelgewindetrieben profitieren sind zumeist große Bearbeitungsmaschinen wie beispielsweise Portal-Fräsmaschinen, Wasserstrahlfräsen, Plasmaschneider und Schweißautomaten sowie Spritzgussanlagen, Metallpressen und -formen (z.B. Nietpressen, Servopressen, Rohr- und Blechbiegemaschinen, Prüfstände, Richtmaschinen), und Hochlast-Aktuatoren, „Elektrifizierung“ von hydraulischen/pneumatischen Systemen

Kugelgewindebetriebe für Horizontal- und Vertikal-Achsen bewegen schwere Lasten präzise und sicher, sind langlebig und kommen mit wenig Wartung aus. Beispielanwendungen sind u.a. in Fräsmaschinen, Wasserstrahlfräsen, Plasmaschneidern und Schweißautomaten zu finden.

Große Bearbeitungsmaschinen. Fräsmaschinen, Wasserstrahlfräsen, Plasmaschneider und Schweißautomaten sind Beispiele für industrielle Anwendungen, bei denen Kugelgewindetriebe in Horizontal- und Vertikal-Achsen schwere Lasten präzise und sicher bewegen, langlebig sein und mit wenig Wartung auskommen müssen. Nehmen wir eine Montageeinrichtung in der Automobilfertigung, die 7 Tage die Woche, täglich 24 Stunden lang eine Last von 100 kN bewegen muss. Gemäß der Ermüdungsausfall-Analyse und statistisch erwartbaren Lebensdauer würde das Produkt drei bis vier Monate halten. Die Nutzung eines Schwerlast-Kugelgewindetriebs würde die Tragzahl jedoch verdoppeln und eine achtfache Lebensdauer mit sich bringen. Das heißt, die Konstrukteure haben die Wahl zwischen einer höheren Tragzahl, einer längeren Lebensdauer der Baugruppe und einer optimalen Kombination der beiden Größen.

Spritzgussanlagen und Metallbearbeitungsmaschinen. Hier kommen Kugelgewindetriebe zum Einsatz, um hohe Lasten präzise über kurze Hübe zu bewegen. Sie kontrollieren die Systemgenauigkeit und Produkttoleranzen. Nehmen wir als weiteres Beispiel eine Spritzgussanlage, bei der 400 kN Kraft über 500 mm Hubweg benötigt werden, wofür Konstrukteure üblicherweise einen Rollengewindetrieb spezifizieren würden. Diese hohe Kraft wird aber möglicherweise nur für die letzten 10 mm benötigt, auf denen die Form unter Druck gesetzt wird. In diesem Fall würde die hohe Tragzahl über den gesamten Hubweg unnötig hohe Kosten generieren. Wird stattdessen ein Schwerlast-Kugelgewindetrieb eingesetzt, erhält der Konstrukteur die benötigte Kraft auf den letzten 10 mm, während die zusätzlichen Faktoren der hohen Tragzahl in die verlängerte Lebensdauer der Einheit einfließen.

In Spritzgussanlagen und Metallbearbeitungsmaschinen bewegen Kugelgewindetriebe hohe Lasten über kurze Hübe. Außerdem kontrollieren Präzisions-Kugelgewindetriebe die Systemgenauigkeit und Produkttoleranzen.

Die alternative Lösung für schwere Lasten
Die Verwendung von Schwerlast-Kugelgewindetrieben in Anwendungen, die bislang Rollengewindetrieben vorbehalten waren, kann Kosten sparen und/oder die Lebensdauer der Endprodukte verlängern. Jede neue Anwendung erfordert eine sorgfältige Analyse der Tragzahl, Produktlebensdauer und Kosten – und dabei kann es sich durchaus erweisen, dass einige Anwendungen nach wie vor für Rollengewindetriebe prädestiniert sind. Angesichts neuer technologischer Entwicklungen der Kugelgewindetriebe mit immer höheren Tragzahlen ist es jedoch sinnvoll, für jede Anwendung, die Sie bislang einem Rollengewindetrieb zugeordnet haben, einen Schwerlast-Kugelgewindetrieb in Betracht zu ziehen.

Titelabbildung: Thomson verfügt über Schwerlast-Kugelgewindetriebe, die in Spritzgussanlagen, Metallpressen und -formen, Prüfständen sowie Richt- und Rohrbiegemaschinen eingesetzt werden.