Vielleicht habt ihr schon mal etwas über Kugelgewindetriebe gehört. Diese sind sicherlich die bekanntesten unter den Gewindetrieben, aber nicht die einzigen, denn einen zweiten Typ stellen die Trapezgewindetriebe dar. Schwerpunktmäßig soll es in diesem Beitrag um erstere gehen, trotzdem findet ihr hier zu beiden Arten alles, was wichtig ist.
Aufbau, Funktionsweise und Einsatzgebiete von Kugelgewindetrieben
Aber erst einmal: Was sind überhaupt Kugelgewindetriebe? Kugelgewindetriebe bestehen aus einer Spindel mit einem Gewindeprofil, einer Mutter, die ebenfalls ein Gewindeprofil im Inneren enthält und sich auf der Gewindespindel bewegt, sowie Kugeln als Wälzkörper zwischen der Spindel und der Mutter. Optional ist der Einsatz von Dichtungen möglich. Erhältlich sind Kugelgewindetriebe in gerollter, gewirbelter und geschliffener Ausführung (mehr Infos zu den drei Herstellungsverfahren sind hier zu finden). Gewinderollen hat verfahrensbedingt Grenzen in der erreichbaren Präzision. Durch Schleifen können die höchsten Genauigkeiten und Präzisionsanforderungen erreicht werden, allerdings ist das Schleifen das Verfahren, das am teuersten ist und am längsten dauert. In der Praxis stellt Gewindewirbeln von Kugelgewindetrieben eine effektive und kostengünstige Alternative zu geschliffenen Varianten dar, mit der ebenfalls sehr hohe Genauigkeitsklassen erreicht werden können.
Kugelgewindetriebe dienen in der Regel der Umsetzung von einer Drehbewegung in eine Längsbewegung. Genauso möglich ist allerdings auch eine Umsetzung in die andere Richtung, sodass die Mutter zum Drehen gebracht wird, wenn eine axiale Kraft auf die Spindel aufgebracht wird. Kugelgewindetriebe können zudem spielfrei oder vorgespannt ausgeführt werden. Besonders wichtig: Kugelgewindetriebe sind ausschließlich zur Aufnahme axialer Lasten fähig und dürfen niemals radial oder mit Momenten belastet werden. Radiale Belastungen oder Momente führen in kürzester Zeit zum Ausfall der Kugelgewindetriebe! Vibrationen, Stöße und Kurzhubanwendungen sollten bei der Verwendung von Gewindetrieben vermieden oder zumindest geringgehalten werden. In diesen Fällen ist eine Dimensionierung mit ausreichend hoher statischer Sicherheit notwendig. Zudem sollten die richtige Vorspannklasse und ein adäquater Schmierstoff gewählt werden – diesbezügliche Empfehlungen des Herstellers sollten jederzeit eingehalten werden. Durch Vorspannung kann Steifigkeit erhöht oder Präzision erreicht werden, außerdem dient sie zum Beispiel bei Vibrationen dazu, dass die Kugeln im Wälzkontakt gehalten werden.
Die Einsatzgebiete von Kugelgewindetrieben sind vergleichbar mit denen der Linearführungen und Linearachsen und daher ähnlich vielfältig, dazu zählen unter anderem der Werkzeugmaschinenbereich, die Medizintechnik, die Luftfahrt, die Lebensmittel- und Verpackungsindustrie, Halbleiter sowie Photovoltaik. Auch in Glasformmaschinen und Messmaschinen kommen Kugelgewindetriebe zum Einsatz.
Trapezgewindetriebe als Vorläufer der Kugelgewindetriebe
Trapezgewindetriebe sind schon deutlich länger auf dem Markt als Kugelgewindetriebe und kommen heute weitaus seltener zum Einsatz als letztgenannte. In ihrem Aufbau unterscheiden sie sich von den Kugelgewindetrieben dadurch, dass sie ebene Laufflächen und keine Wälzkörper besitzen. Stattdessen realisieren sie eine Gleitbewegung zwischen zwei Flächen mit trapezförmigem Profil. Durch diese Gleitbewegung entsteht Reibung, die zu einer vergleichsweise kürzeren Lebensdauer führt. Charakteristisch für Trapezgewindetriebe ist darüber hinaus, dass sie stets ein Spiel haben müssen, denn wenn ein Trapezgewindetrieb spielfrei ausgeführt wird, klemmt er. Aufgrund der Selbsthemmung, die Trapezgewindetriebe aufweisen, sind sie für vertikale Anwendungen mit Antrieben ohne Bremse geeignet. Weiterhin sind sie für Anwendungen, die hauptsächlich statisch belastet werden bzw. ohne viel Bewegung auskommen, sehr gut einsetzbar.
Kugelgewindetriebe und Trapezgewindetriebe im Vergleich
Wie im vorigen Abschnitt bereits angeklungen ist, kommt Kugelgewindetrieben im praktischen Alltag, verglichen mit Trapezgewindetrieben, eine größere Bedeutung zu. Dies liegt nicht nur an ihrer allgemein moderneren Konstruktion und am – wegen der Kugeln – reibungsarmen, nahezu verschleißfreien Lauf. Bedingt durch ebendiesen reibungsarmen Lauf liegt der entscheidende Vorteil darin, dass Kugelgewindetriebe einen erheblich besseren Wirkungsgrad besitzen.
Vergleicht man zum Beispiel einen Kugelgewindetrieb BSH02510 mit einem Trapezgewindetrieb TR02410 (beide mit einem Steigungswinkel von 7,1°), fällt auf, dass der Reibungskoeffizient beim Trapezgewindetrieb 0,1 µ beträgt. Der Reibungskoeffizient des Kugelgewindetriebs liegt in der Regel bei lediglich 0,003 µ. Am Beispiel des Steigungswinkels von 7,1° bedeutet dies für den Wirkungsgrad, dass dieser beim Trapezgewindetrieb bei rund 55 % liegt, wohingegen er beim Kugelgewindetrieb 98 % beträgt. Durch die verhältnismäßig große Reibung wird bei ersterem somit knapp die Hälfte der aufgebrachten Energie in Wärme transformiert, beim Kugelgewindetrieb wiederum kann fast die komplette Energie in Wirkleistung umgewandelt werden.
Neben dem Wirkungsgrad gibt es weitere Vorteile, die Kugel- und Trapezgewindetriebe im direkten Vergleich mit der jeweilig anderen Art von Gewindetrieben aufweisen. Alle Infos dazu sind in der Tabelle angegeben.
| Vorteile | |
| Kugelgewindetriebe | • höherer Wirkungsgrad • höhere Lebensdauer durch nahezu verschleißfreien Lauf • geringere Antriebsleistung • kein Stick-Slip-Effekt • genauere Positionierung • größere Verfahrgeschwindigkeit • geringere Erwärmung |
| Trapezgewindetriebe | • Selbsthemmung (relevant für vertikale Anwendungen mit Antrieb ohne Bremse) • kostengünstigere Lösung |
In den meisten Anwendungen stellen Kugelgewindetriebe die bessere Wahl als Trapezgewindetriebe dar.
Mehr Informationen zu den Berechnungsgrundlagen und der Montage von Gewindetrieben findet ihr ebenfalls auf dieser Website.
Konfigurator für Kugelgewindetriebe
NTN stellt ein neues Online-Tool zur Verfügung, das Typenschlüssel von Kugelgewindetrieben generiert, um das jeweilige Produkt effizient auswählen zu können. Infolge einer schrittweisen Auswahl aller möglichen Optionen konfiguriert das Tool den korrekten Typenschlüssel. Daneben können Produkte anderer Hersteller nach Eingabe der Marke, des Mutterntyps, des Nenndurchmessers oder der Steigung umgeschlüsselt werden. Alternativ ist dies auch einfach durch Eingabe des Typenschlüssels des Wettbewerbsprodukts möglich. Ein Login ist nicht erforderlich, der Konfigurator kann direkt bedient werden.
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