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Festlegen, Auswählen und Anwenden von Linear-Kugelgewindetrieben

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Kugelrückführsysteme, Auswahl und Schmierung von Kugelgewindetrieben.

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Die Spezifizierung des richtigen Kugelgewindetriebs für eine bestimmte Anwendung gewährleistet Maschinengenauigkeit, Wiederholbarkeit und Lebensdauer bei gleichzeitiger Minimierung der Gesamtbetriebskosten.

Ein Kugelgewindetrieb wandelt eine Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung oder umgekehrt um und kann hohe Schubbelastungen - bis zu einer statischen Kapazität von 750.000 Pfund bei Verwendung eines Kugelgewindetriebs mit einem Ø6.000 Zoll - mit einem Wirkungsgrad von typischerweise mehr als 90% aufbringen oder widerstehen. Kugelgewindetriebe helfen beim Führen, Abstützen, Positionieren und präzisen Bewegen von Komponenten und Produkten in einer Reihe von Automatisierungsanwendungen.

Ein Kugelgewindetrieb besteht aus einem Kugelgewindetrieb und einer Kugelumlaufmutter mit Kugelumlauflagern. Die Schnittstelle zwischen Kugelgewindetrieb und Mutter wird durch Kugellager gebildet, die in den passenden Formen in Kugelgewindetrieb und Kugelmutter abrollen. Die Last auf den Kugelgewindetrieb wird auf eine große Anzahl von Kugellagern verteilt, so dass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Aufgrund seiner Wälzkörper hat der Kugelgewindetrieb einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, was einem hohen mechanischen Wirkungsgrad entspricht.

Der Hauptunterschied zwischen Kugelgewindetrieben und Gewindespindeln ist die Verwendung von Kugelumlauflagern im Kugelgewindetrieb, um die Reibung zu minimieren und die Effizienz zu maximieren. Kugelgewindetriebe sind zwar teurer als Gewindespindeln, aber aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Lasten zu tragen, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen und eine vorhersehbare Lebensdauer zu erreichen, sind sie für viele Anwendungen ihre Mehrkosten durchaus wert.

Kugelgewindetriebe bieten in der Regel einen mechanischen Wirkungsgrad von über 90%, so dass ihre Kosten häufig durch einen geringeren Leistungsbedarf ausgeglichen werden. Die höhere Tragfähigkeit, längere Lebensdauer und vorhersehbare Zuverlässigkeit von Kugelgewindetrieben sind Vorteile gegenüber Kugelgewindetrieben.

Wiederholbarkeit und Genauigkeit

Die Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie nahe sich ein Bewegungssystem einer Befehlsposition nähert, und ist definiert als der maximale Fehler zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Position. Die Wiederholbarkeit ist definiert als die Fähigkeit eines Positionierungssystems, während des Betriebs an einen Ort zurückzukehren. Kugelgewindetriebe bieten eine hervorragende Wiederholgenauigkeit (das Spiel hängt vom Kugellagerdurchmesser ab, liegt aber typischerweise zwischen 0,005 und 0,015 Zoll) und Genauigkeit (±0,004 Zoll/Fuß für Präzisionskugelgewindetriebe und ±0,0005 Zoll/Fuß für Kugelgewindetriebe mit der Bezeichnung Präzision-plus).

Die Steigungsgenauigkeit ist das gebräuchlichste Maß für die Genauigkeit von Kugelgewindetrieben. Die Steigung bezieht sich darauf, wie weit sich eine nicht drehende Kugelmutter mit einer einzigen 360°-Drehung des Gewindetriebs bewegt. Die Steigungsgenauigkeit wird als die zulässige Verfahrwegabweichung (tatsächliche Position gegenüber der theoretischen Position) pro Fuß oder pro 300 mm gemessen. Kugelgewindetriebe werden in den Güteklassen Präzision plus und Transport angeboten, wobei die Güteklasse Präzision plus die Steigungsfehlerakkumulation über die gesamte Verfahrweglänge streng kontrolliert.

Das Spiel ist die freie Bewegung zwischen Mutter und Schraube und kann axial und radial gemessen werden. Die beste Methode zur Messung des Axialspiels besteht darin, die Spindel gegen Bewegung zu sichern und die Kugelmutter axial zu drücken und zu ziehen, während ihre Bewegung mit einer Messuhr gemessen wird. Das Spiel kann auch gemessen werden, indem eine Messuhr auf die Kugelmutter im System aufgesetzt und diese einen Zoll vorwärts und zurück in die ursprüngliche Position gefahren wird. Die Abweichung von Null ist das Flankenspiel. Die Wiederholbarkeit ist einfach der quantitative Wert des Spiels eines Kugelgewindetriebs.

Eine nicht vorgespannte Kugelmutter hat Innenspiel zwischen den Komponenten, was bedeutet, dass ein Spiel besteht. Eine vorgespannte Kugelmutter hat kein Axialspiel und eliminiert daher das Spiel und erhöht somit die Steifigkeit. Die Vorspannung erhöht auch das zum Drehen der Spindel erforderliche Drehmoment und wird durch den Prozentsatz der Vorspannung zur dynamischen Kapazität gemessen (eine Kugelmutter mit einer dynamischen Kapazität von 1500 lb und einer Vorspannungsrate von 10% hat eine interne Vorspannung von 150 lb). Präzisions-Kugelgewindespindeln werden im Allgemeinen ohne Vorspannung verwendet. Das Vorspannen eines Kugelgewindetriebs verbessert die Wiederholbarkeit durch Beseitigung des Spiels, beeinträchtigt jedoch nicht die Genauigkeit.

Vorgespannte Kugelmuttern sind für Präzisions-Plus-Spindeln und ausgewählte Präzisions-Spindelprodukte erhältlich. Ihre Kosten sind aufgrund der Komplexität, zusätzlichen Bearbeitung, Montage und Überprüfung/Messung höher als bei nicht vorgespannten Muttern. Kugelgewindetriebe können mit vorgespannten Doppel- oder Einzelmutterkonfigurationen geliefert werden. Es gibt drei Hauptarten der Vorspannung - übergroße Einzelmutterkugel (4-Punkt-Kontakt), Einzelmutter-Sprungsteigung (2-Punkt-Kontakt) und Doppelmutter (2-Punkt-Kontakt). Bei der Vorspannung einer Einzelmutter wird die kleinste Paketgröße bei voller Tragfähigkeit beibehalten. Skip-Lead-Kugelmuttern haben die halbe Kapazität von gleich großen Einzelmuttern, da nur die Hälfte der Kugellager in jede Richtung belastet wird. Vorspannbaugruppen mit Doppelmutter haben die gleiche Tragfähigkeit wie Einzelmuttern, da nur eine Kugelmutter in jede Richtung belastet wird.

Es gibt viele Methoden zur Herstellung von Kugelgewindetrieben, obwohl sie typischerweise in zwei Kategorien eingeteilt werden - Präzision und Präzision plus. Die Laufbahn eines Präzisions-Kugelgewindetriebs wird durch ein Kaltwalzverfahren geformt. Die Mutter wird so bearbeitet, dass sie der Leistungsfähigkeit des Gewindespindels entspricht. Dieser Ansatz bietet eine mäßige Genauigkeit in der Größenordnung von ±0,004 in./ft Steigungsgenauigkeit bei Transportgewindetrieben der Zollserie. Spindel und Mutter von Präzisions-Plus-Kugelgewindespindeln werden durch Präzisionsschleifen hergestellt. Kugelgewindespindeln mit Präzisions-plus-Gewinde bieten eine wesentlich höhere Genauigkeit von ±0,0005 in./ft Steigungsgenauigkeit bei Spindeln der Serie Präzision-plus-Zoll. Die Kosten für Präzisions-plus-Kugelgewindespindeln sind aufgrund der höheren Bearbeitungszeit höher als bei Präzisions-Kugelgewindespindeln.

Kugelrückführungssysteme

Drei verschiedene Arten von Kugelrücklaufsystemen werden häufig verwendet. Externe Umlenkrohre, die typischerweise bei zölligen Schrauben verwendet werden, sind kosteneffektiv und einfach zu installieren, zu warten und zu reparieren. Interne Knopfrücklaufsysteme werden typischerweise bei Spindeln mit niedriger Steigung verwendet. Sie sind kompakt, ohne externe radiale Vorsprünge, die die Montage erschweren, und bieten weniger Lärm und Vibrationen als externe Rückführungen. Interne Knopfrückstellsysteme werden häufig bei 4-Punkt-Kontakt-, Einzelmutter- und Vorspannbaugruppen verwendet. Interne Endkappenrückführungen werden typischerweise bei Spindeln mit hoher Steigung verwendet. Sie sind kompakt und haben keine externen radialen Vorsprünge, die die Montage erschweren. Ihre Geräusche und Vibrationen sind im Vergleich zu externen Rückstellvorrichtungen ebenfalls gering.

Auswahl des Kugelgewindetriebs

Der Kugelgewindetrieb, der die spezifizierte Tragfähigkeit und Lebensdauer für eine bestimmte Anwendung bietet, wird am besten durch einen iterativen Prozess ausgewählt. Zur Bestimmung des Durchmessers und der Steigung der Kugelgewindetrieb-Baugruppe werden die Nennlast, die Systemorientierung, die Verfahrweglänge, die erforderliche Lebensdauer und die erforderliche Geschwindigkeit verwendet. Die einzelnen Komponenten des Kugelgewindetriebs werden dann auf der Grundlage der Genauigkeits- und Wiederholbarkeitsanforderungen, der Abmessungen, der Montagekonfiguration, der verfügbaren Leistungsanforderungen und der Umgebungsbedingungen ausgewählt.

Beginnen Sie mit der Bestimmung der für die Anwendung erforderlichen Positionsgenauigkeit und Wiederholbarkeit. Zoll-Kugelgewindetriebe werden in zwei Hauptqualitäten hergestellt - Transport und Präzision plus. Kugelgewindetriebe der Transportklasse werden bei Anwendungen eingesetzt, die nur eine grobe Bewegung erfordern oder bei denen eine lineare Rückmeldung für die Positionsbestimmung verwendet wird. Präzisions-Kugelgewindetriebe der Güteklasse Plus werden dort eingesetzt, wo eine genaue und wiederholbare Positionierung entscheidend ist. Spindeln der Transportklasse ermöglichen größere kumulative Variationen über die Nutzlänge der Spindel. Präzisions-Kugelgewindetriebe der Güteklasse Plus enthalten eine Ansammlung von Steigungsfehlern für eine präzise Positionierung über die gesamte Nutzlänge der Spindel.

Bestimmen Sie, wie die Kugelgewindetrieb-Baugruppe in die Maschine eingebaut werden soll. Die Konfiguration der Endabstützungen und der Verfahrweg bestimmen die Last- und Geschwindigkeitsbegrenzungen des Kugelgewindetriebs.

Ein unter Spannung stehender Kugelgewindetrieb kann Lasten bis zur Nennkapazität der Mutter aufnehmen. Bei einer Kugelgewindemutter in Druckausführung kann anhand einer vom Hersteller erhältlichen Druckbelastungstabelle ein Kugelgewindetriebsdurchmesser ausgewählt werden, der die Nennlast erfüllt oder übersteigt. Alle Kugelgewindetriebe mit Kurven, die z.B. durch oder über und rechts vom aufgezeichneten Punkt verlaufen, eignen sich für die folgende Beispielanwendung. Die in diesem Diagramm dargestellten geeigneten Druckbelastungen dürfen die maximale statische Tragfähigkeit, wie sie in der Bemessungstabelle für die einzelne Kugelmutterbaugruppe angegeben ist, nicht überschreiten. Bei einer Länge von 85 in. (2159 mm), einer Systembelastung von 133.500 N (30.000 lb) und mit einer Endbefestigung eines Endes fest und des anderen Endes unterstützt - die Mindestauswahl ist eine Kugelgewindetriebseinheit der Genauigkeitsklasse 1.750 x 0.200 plus Zoll.

Berechnen Sie die Steigung der Kugelgewindespindel, die die erforderliche Drehzahl erzeugt, mit der folgenden Formel.

Blei (in.) = Reiserate (in. min.-1)/U/min

Bestimmung der Lebenserwartung der Anwendung

Die Lebensdauer der Baugruppe kann anhand der für jede Kugelmutter angegebenen dynamischen Tragzahl berechnet werden. Für das Beispiel eignen sich alle Kugelmuttern mit Kurven, die durch den aufgezeichneten Punkt verlaufen oder darüber liegen. Die in diesem Diagramm gezeigten geeigneten Lebenserwartungen dürfen die maximale statische Tragfähigkeit, wie sie in der Nenntabelle für die einzelne Kugelmutterbaugruppe angegeben ist, nicht überschreiten. In diesem Beispiel beträgt die gewünschte Anwendungslebensdauer (Gesamtweg) 2 Millionen in. (50,8 Millionen mm). Dann beträgt die maximale normale Betriebslast 44.500 N (10.000 lb).

Bestimmung der kritischen Schneckendrehzahl

Kritische Schneckendrehzahl ist der Zustand, bei dem die Drehgeschwindigkeit der Baugruppe harmonische Schwingungen erzeugt. Die kritische Drehzahl ist abhängig vom Kerndurchmesser der Schraube, der freitragenden Länge und der Konfiguration der Endlagerung. In den meisten Herstellerdiagrammen sind alle Schrauben mit Kurven, die durch oder über und rechts vom aufgezeichneten Punkt verlaufen, für das folgende Beispiel geeignet. Die vier Endbefestigungszeichnungen zeigen die Lagerkonfigurationen für die Lagerung einer rotierenden Welle, und das Diagramm zeigt die Auswirkung dieser Bedingungen auf die kritische Drehzahl der Welle für die freitragende Schraubenlänge. Die in diesem Diagramm dargestellten akzeptablen Geschwindigkeiten gelten für die gewählte Gewindespindel und sind nicht als Anhaltspunkt für die erreichbaren Geschwindigkeiten aller zugehörigen Kugelmutterbaugruppen zu verstehen.

Wenn die Belastungs-, Lebensdauer- und Geschwindigkeitsberechnungen bestätigen, dass die ausgewählte Kugelgewindetrieb-Baugruppe die Konstruktionsanforderungen erfüllt oder übertrifft, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Ist dies nicht der Fall, erhöhen Kugelgewindetriebe mit größerem Durchmesser die Tragfähigkeit und erhöhen die Nenndrehzahl. Kleinere Steigungen verringern die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Motordrehzahl), erhöhen die Motordrehzahl (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und verringern das erforderliche Eingangsdrehmoment. Größere Steigungen erhöhen die Lineargeschwindigkeit (bei konstanter Motordrehzahl), verringern die Motordrehzahl (bei konstanter Lineargeschwindigkeit) und erhöhen das erforderliche Eingangsdrehmoment.

Bestimmen Sie, wie die Kugelmutter in die Anwendung eingebunden wird. Ein Kugelmutterflansch ist die typische Methode zur Befestigung der Kugelmutter an der Last. Kugelgewindemuttern und Zylindermuttern sind alternative Möglichkeiten, um die Schnittstelle bereitzustellen.

Vorgespannte Kugelmuttern eliminieren das Systemspiel und erhöhen die Steifigkeit. Abstreifer-Kits schützen die Baugruppe vor Verunreinigungen und enthalten Schmiermittel. Für die meisten Kugelgewindetriebe sind auch Lagerungen und Endenbearbeitung erhältlich.

Kugelschrauben müssen vor der ordnungsgemäßen Installation sorgfältig behandelt werden. Stöße auf die Kugellager können die Lagerlaufbahnen durch Aufquellen oder Risse beschädigen. Hohe Belastungen oder Durchbiegung der Schraube können zu Biegung führen. Es ist wichtig, die Baugruppe verpackt und geschmiert an einem sauberen, trockenen Ort zu lagern, da Schmutz und Verunreinigungen die Zirkulationsbahnen verstopfen und hohe Feuchtigkeit oder Regen Korrosion verursachen können.

Die Systemmontage ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Die Kugelmutter sollte nur axial belastet werden, da jede radiale Belastung die Leistung der Baugruppe erheblich reduziert. Die Baugruppe sollte außerdem ordnungsgemäß auf das Antriebssystem, die Lagerhalterungen und die Belastung ausgerichtet sein, um optimale Leistung und Lebensdauer zu erreichen.

Schmierung von Kugelgewindetrieben

Der Kugelgewindetrieb sollte niemals ohne ordnungsgemäße Schmierung betrieben werden. Schmiermittel erhalten den geringen Reibungsvorteil von Kugelgewindetrieben, indem sie den Rollwiderstand zwischen Kugeln und Rillen und die Gleitreibung zwischen benachbarten Kugeln minimieren.

Das Öl kann mit einer kontrollierten Durchflussmenge direkt auf den Punkt des Bedarfs aufgetragen werden und reinigt Verunreinigungen, während es durch die Kugelmutter läuft. Es kann auch für die Kühlung sorgen. Andererseits ist ein Pumpen- und Dosiersystem erforderlich, um Öl ordnungsgemäß aufzutragen, da Öl auch das Potenzial hat, Prozessflüssigkeiten zu verunreinigen.

Schmierfett ist kostengünstiger und erfordert weniger häufiges Auftragen als Öl, und es kontaminiert keine Prozessflüssigkeiten. Andererseits lässt sich Fett nur schwer im Inneren der Kugelgewindemutter halten und neigt dazu, sich an den Enden der Kugelgewindemutterbewegung zu sammeln, wo es Späne und Schleifpartikel ansammelt. Unverträglichkeit von altem Schmierfett mit Nachschmierfett kann ein Problem darstellen, daher ist es wichtig, die Verträglichkeit zu prüfen. Ein lasttragendes Fett kann die Lebensdauer einer Baugruppe verlängern, aber die Gesamttragfähigkeit ändert sich nicht.