Gewindetriebe nicht einfach abtun!

Warum Gewindetriebe für viele Linearantriebsanwendungen die beste Lösung sind – und wie sie optimal eingesetzt werden

Robert Lipsett, Engineering Manager
Thomson BSA, Thomson Industries, Inc.

www.thomsonlinear.com
 sales.europe@thomsonlinear.com
 

Thomson BSA-Gewindetriebe.

Für lineare Positionierungssysteme gelten Kugelgewindetriebe häufig als erste Wahl, da die darin verwendeten Umlaufkugellager eine hohe Leistungsfähigkeit in puncto Wirkungsgrad, Tragzahl und Positioniergenauigkeit gewährleisten. Bei sorgfältiger Auswahl und Anwendung können jedoch auch Trapezgewindetriebe einen Wirkungsgrad erzielen, der in vielen Einsatzszenarios an den von Kugelgewindetrieben heranreicht; auch sie bieten hohe Tragzahlen und fahren Positionen ebenfalls sehr genau an. Darüber hinaus sind sie aus Gründen, die noch erläutert werden, für viele Anwendungen tatsächlich besser geeignet. Gewindetriebe bieten zahlreiche Vorteile wie flexiblere Konfigurationen und Baugrößen, mögliche Nutzung ohne Schmiermittel, eine höhere Laufruhe, saubere Werkstoffe sowie geringere Kosten. Um herauszufinden, ob sich für eine bestimmte Anwendung der Einsatz von Gewindetrieben anbietet und dann den richtigen Gewindetrieb auszuwählen, genügen wenige einfache Schritte.

Gewindetriebe nutzen den Steigungswinkel des Gewindes, um eine Dreh- in eine Linearbewegung umzusetzen. Die Leistungsfähigkeit eines Gewindetriebs hängt im hohen Maße vom Reibungskoeffizienten zwischen Mutter und Spindel ab – der wiederum durch den Werkstoff von Mutter und Spindel bestimmt wird. Bei Gewindetrieben kommen in der Regel Muttern zum Einsatz, die aus schmierstoffhaltigem Kunststoff oder aus Bronze gefertigt sind. Während Kunststoffmuttern im Allgemeinen auf Edelstahl-Spindeln laufen, werden Muttern aus Bronze häufig mit Einsatzstahl-Spindeln kombiniert. Bei der Verwendung von Bronze-Muttern können aber auch Edelstahl-Spindeln eingesetzt werden.

Tragzahl
Bei der Entscheidung, welche Spindelausführung die bessere Wahl für Ihre Anwendung ist, sollten Sie zunächst die benötigte Tragzahl ins Auge fassen. Kunststoffmuttern werden üblicherweise für geringe Lasten unterhalb von 50 kg verwendet, wenngleich es Ausführungen für 150 kg und mehr gibt. Bronzemuttern können auf der anderen Seite für Anwendungen genutzt werden, bei denen mehrere Tonnen bewegt werden müssen. Kugelgewindetriebe bieten in der Regel im Vergleich zu Gewindetrieben eine identische oder höhere Tragzahl. Daher sind sie zu bevorzugen, wenn die zu bewegenden Lasten die Möglichkeiten des Gewindetriebes übersteigen.

Wirkungsgrad
Ebenso bieten Kugelgewindetriebe einen höheren Wirkungsgrad, da ein Wälzkontakt einen geringeren Reibungskoeffizienten aufweist als ein Gleitkontakt. Der Wirkungsgrad von Kugelgewindetrieben ist relativ konstant und liegt üblicherweise bei über 90 %. Demgegenüber bewegt sich der typische Wirkungsgrad von Gewindetrieben zwischen 20 und 80 %. Bei einem Gewindetrieb hängt der Wirkungsgrad im hohen Maße von seinem Steigungswinkel ab. Der Steigungswinkel ergibt sich aus dem Arkustangens der Steigung dividiert durch den Flankendurchmesser. Er stellt den Vorschubwinkel des Gewindes dar. Ein größerer Steigungswinkel bedeutet grundsätzlich einen höheren Wirkungsgrad, denn bei einem größeren Steigungswinkel wird ein geringerer Anteil der Spindel-Antriebsenergie für die Überwindung der Reibung aufgebracht. Das liegt daran, dass eine Spindel mit hoher Steigung weniger Umdrehungen ausführen muss, um denselben linearen Vorschub zu erreichen. Der Nachteil eines hohen Steigungswinkels besteht jedoch darin, dass ein höheres Drehmoment notwendig ist, um die Spindel zu drehen.

Kugelgewindetriebe sind nicht selbshemmend. Eine auf die Mutter wirkende Last dreht aufgrund des prinzipbedingt hohen Wirkungsgrads (90 %) die Spindel. Wird in einer Anwendung dieser Effekt bei einem Gewindetrieb benötigt, sollte die Steigung mehr als ein Drittel des Spindeldurchmessers betragen. Idealerweise sollte die Steigung größer-gleich dem Spindeldurchmesser sein.

Unbedingt anzumerken sei an dieser Stelle: Wenn der Wirkungsgrad eines Gewindetriebs 50 % überschreitet, ist er nicht mehr selbsthemmend, d.h. er kann von der Last angetrieben werden. In vielen Anwendungen ist ein Anfahren von Nachteil, denn bei senkrechter Ausrichtung der Spindel muss in diesem Fall eine Bremsvorrichtung vorgesehen werden, um die Last zu halten. Andererseits kann dies in anderen Anwendungen ausdrücklich erwünscht sein. So gehört beispielsweise zu den Anforderungen an Türen in Eisenbahnwaggons, dass sie in Notsituationen aufgedrückt werden können.

Hierzu wäre die Lösung ein Gewindetrieb mit hohem Steigungswinkel, sodass die Türen vom Motor schnell geschlossen, jedoch von den Fahrgästen im Notfall aufgedrückt werden können.

Geschwindigkeit
Kugelgewindetriebe sind allgemein in mittleren Steigungen von 5 bis 20 mm pro Umdrehung erhältlich, wenngleich es auch Produkte mit größeren Steigungen gibt. Gewindetriebe werden in einer extrem großen Bandbreite an Steigungen angeboten – von weniger als 1 mm bis zu 50 mm und mehr pro Umdrehung. Die breite Verfügbarkeit der Steigungen bietet eine große Auswahl an Verstellgeschwindigkeiten, die bis zu 180 cm pro Sekunde reichen. Dieses Leistungsmerkmal von Gewindetrieben kann in vielen Anwendungsfällen einen entscheidenden Vorteil darstellen. So können in Geräten, die eine hohe Genauigkeit erfordern, Gewindetriebe mit geringem Steigungswinkel verbaut werden, um eine hohe Positionierungsauflösung zu erreichen. Andere Anwendungen profitieren dagegen von hohen Vorschubgeschwindigkeiten bei einer langsam drehenden Spindel, wodurch hohe Laufruhe und Langlebigkeit gewährleistet sind. Die maximale Drehzahl einer Gewindetriebe-Baugruppe wird durch die kritische Drehzahl der Spindel beschränkt (Drehzahl, bei der Resonanzschwingungen auftreten). Die Muttern können mit extrem hohen Drehzahlen angetrieben werden, je nach Last kann jedoch die Hitzeentwicklung die Dauerbelastbarkeit beeinträchtigen. Kugelgewindetriebe sind ebenfalls durch die kritische Drehzahl der Spindel begrenzt. Hinzu kommt hier allerdings noch eine weitere Begrenzung in Form der Geschwindigkeit, mit der die Kugeln durch die Umlenkbahnen laufen können, ohne die Bauteile zu beschädigen. Diese Größe wird als DN-Wert bezeichnet.

Einschaltdauer
Eine konstante Bewegung unter Last ist mit Kugelgewindetrieben problemlos realisierbar. Da sie nur geringe Reibungswärme entwickeln, ist ihre Einschaltdauer praktisch unbegrenzt. Auf der anderen Seite sind Gewindetriebe-Baugruppen aus Kunststoff und Edelstahl normalerweise auf eine Belastung von 50 % bei Nenntragzahl begrenzt. Gewindetriebe mit Bronzemuttern verfügen über höhere Tragzahlen, die schwereren Lasten erhöhen jedoch die Reibungswärme, sodass ihre Einschaltdauer nicht selten auf bis zu 10 % sinkt. Dieser Wert lässt sich präziser mit der PV-Beziehung berechnen (siehe Kasten). Gewindetriebe können entweder mit hoher Einschaltdauer bei geringer Last und gemäßigten Drehzahlen betrieben werden – oder mit reduzierter Einschaltdauer bei wahlweise hoher Last und niedriger Drehzahl oder geringer Last und hoher Drehzahl. Beides gleichzeitig ist nicht möglich. Eine Kombination aus hoher Last und Drehzahl in Bezug auf eine bestimmte Gewindegröße und Mutternausführung würde unweigerlich zur Überhitzung und zum Ausfall der Einheit führen.

Spiel
Das Spiel eines Linearantriebs ist ein weiterer zu berücksichtigender Faktor für Anwendungen, bei denen es auf die Verstellgenauigkeit ankommt. Standardmäßige Kugelgewindetrieb- und Gewindetrieb-Konfigurationen weisen üblicherweise ein Spiel von 0,05 bis 0,25 mm auf. Spielfreie Spindelmuttern beseitigen dieses Spiel und erhöhen dadurch die Wiederholgenauigkeit. Bei den meisten dieser Konstruktionen sorgt eine Feder oder ein vergleichbares Bauteil zwischen den beiden Hälften der aufgeteilten Mutter für die Vermeidung des Radialspiels. Die Vorspannung zwischen den beiden Hälften muss mindestens so groß sein wie die aufgebrachte Axiallast, und zwar in die Richtung, in der die Baugruppe über die Mitnahmemechanik belastet wird, um einen Bewegungsverlust auszuschließen. Daraus folgt ein höheres benötigtes Drehmoment, was in der Regel einen größeren Motor erforderlich macht.

Standardmäßige Kugelgewindetrieb- und Gewindetrieb-Konfigurationen weisen üblicherweise ein Spiel von 0,05 bis 0,25 mm auf. Spielfreie Spindelmuttern beseitigen dieses Spiel und erhöhen die Wiederholgenauigkeit.

Es gibt jedoch eine speziell entwickelte spielfreie Mutter, die das Spiel zwischen Mutter und Spindel beseitigt, ohne ein übermäßiges Leerlaufdrehmoment aufzubringen. Durch nockenförmig ausgebildete Endflächen einer Vorspann-Abstandshülse kann sich diese frei zu den passenden Mutternhälften drehen und verschieben. So werden infolge verschlissener Mutter auftretende Spalte ausgeglichen. Durch die Winkel der Nockenflächen verriegeln sich die beiden Teile selbst, sodass unter Last kein „Zurückfahren“ oder Spiel entstehen kann. Eine Spiralfeder im Inneren zwischen den beiden Mutternhälften liefert ausreichend Moment zur Vorspannung. Erst wenn der Verschleiß an der Schnittstelle zwischen Mutter und Gewinde zu einem Spalt führt, bewegt sich der Nocken weiter, um ein Spiel zu verhindern. Die automatische Selbstverriegelung verhindert eine Bewegung des Nockens außer bei Umkehr der Last.

Geräuschentwicklung
Kugelgewindetriebe neigen aufgrund des Kugelumlaufs im Lager zu einer gewissen Geräuschentwicklung. Im Gegensatz dazu arbeiten Gewindetriebe im Allgemeinen extrem geräuscharm, wenngleich der Reibungswiderstand bei fehlender Schmierung zuweilen Ratter- oder Quietschgeräusche hervorrufen kann.

Korrosionsfestigkeit
Kugelgewindetriebe aus Einsatzstahl, ein für diesen Typus gängiger Werkstoff, können empfindlich auf bestimmte korrosive Umgebungen reagieren. Gewindetriebe bestehend aus Edelstahlspindel und Kunststoffmutter sind dagegen extrem korrosionsfest. Die Kunststoffmutter kann allerdings auf Betriebstemperaturen zwischen 0 und 65°C begrenzt sein. Hier wären Gewindetriebe mit Edelstahlspindel und Bronzemutter eine Alternative; sie bieten ebenfalls ein hohes Maß an Korrosionsfestigkeit.

Lebensdauer
Zur Berechnung der Lebensdauer eines Gewindetriebs gibt es keine feste Formel, da sich der Reibungsverschleiß häufig nicht-linear verhält. Ein einzelner Verschleißkoeffizient reicht häufig nicht aus, um die Leistungsfähigkeit einer Gewindetriebe-Baugruppe langfristig vorauszubestimmen. Die Lebensdauer wird daher mithilfe von Fallstudien unter kontrollierten Betriebsbedingungen ermittelt. Bei einer Kombination aus Last, Geschwindigkeit und Einschaltdauer, die eine bestimmte Grenze überschreitet, ist ein Ausfall in kürzester Zeit vorprogrammiert. Bei Anwendungen, die sich nah an der empfohlenen Parametern bei über 500 1/min bewegen, sollten Sie sich an die Applikationsabteilung Ihres Gewindetriebe-Anbieters wenden. Dort kann der PV-Faktor (Pressure Velocity – Druckbelastung zu Geschwindigkeit) berechnet werden, der den zentralen Auslegungsfaktor zur korrekten Dimensionierung und Auswahl von Gewindetriebe-Baugruppen darstellt.

Der PV-Faktor ist das Produkt aus spezifischer Belastung und Bewegungsgeschwindigkeit zwischen Mutter und Spindel. Mit ihm lassen sich die zulässige Last, Geschwindigkeit und Auslastung der Mutter ermitteln. Kunststoffe haben einen eigenen PV-Wert: dies ist der Punkt, an dem die Reibungshitze den Kunststoff verformt.

Druckbelastung-Geschwindigkeit
Der zuvor erwähnte PV-Faktor ist das Produkt aus spezifischer Druckbelastung und Bewegungsgeschwindigkeit zwischen Mutter und Spindel. Mit ihm lassen sich die zulässige Last, Geschwindigkeit und Einschaltdauer der Mutter ermitteln. Kunststoffe haben einen eigenen PV-Wert: dies ist der Punkt, an dem die Reibungshitze den Kunststoff verformt. Das heißt, je mehr Last auf den Gewindetrieb aufgebracht wird, umso langsamer muss er gedreht werden, um ein Überschreiten der für die Mutter zulässigen PV-Grenze zu vermeiden. Im Umkehrschluss sinkt die verfügbare Tragzahl mit Ansteigen der Drehzahl. Die Hauptursachen für den Ausfall von Kunststoffmuttern sind somit Verschleiß und PV. Indem bei der Planung die PV-Grenzen eingehalten werden, sind lediglich verschleißbedingte Ausfälle zu berücksichtigen. Verschleiß-Ausfälle treten langsamer als PV-bedingte Ausfälle auf. Sie lassen sich mittels Fallstudien und Tests bestimmen.

Thomson bietet ein vollständiges Schmiermittel-Programm für jeden Anwendungsfall. Hierzu zählen auch Schmierfette mit geringer Ausgasung für Reinraum- und Vakuumanwendungen. Die TriGel-Produktreihe basiert auf einer speziellen Formel und ist optimal zur Schmierung für die unterschiedlichsten Linearantriebssysteme.

Fett sollte nicht verwendet werden, wenn ein hoher Anteil von Staub oder Schmutz zu erwarten ist, der sich im Fett ablagert und so eine abreibende Masse bildet. In solchen Fällen ist stattdessen ein Trockenfilm-Schmiermittel zu empfehlen. Die PTFE-Beschichtung ist ein solcher Trockenfilm, der eine Schmiertrennschicht zwischen einem Metallsubstrat und einer Polymer-Buchse oder Spindelmutter bildet. Daher eignet sich diese Lösung für Kombinationen aus Kunststoffmutter und Edelstahlspindel. Regelmäßige Schmierintervalle können somit entfallen und die Beschichtung zieht zudem keinen Staub an, wie ein gelförmiges Schmiermittel dies tut.

Online-Auswahl und Dimensionierung
Über ein neues Konzept lässt sich der Zeitaufwand bei der Auswahl wirtschaftlicher und bewährter Standard-Gewindetriebe sowie weiterer Komponenten für die meisten Anforderungen deutlich reduzieren: Online-Tools helfen den Anwendern, in kürzester Zeit das geeignete Produkt für ihre jeweilige Anwendung zu finden. Ein Beispiel hierfür ist das Auswahltool für Kugelgewindetriebe und Gewindetriebe von Thomson (www.linearmotioneering.com/screws).