Kugelgewindetriebe

Ein Kugelgewindetrieb (KGT) dient zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt (Definition nach DIN 69051-1). Die Kraftübertragung in einem Kugelgewindetrieb erfolgt über Kugeln die zwischen der Laufbahn der Mutter und dem Gewinde der Welle in einem Kreislauf umlaufen. Dabei hat jede Kugel nur ein oder zwei kleine Kontaktpunkte mit der Mutter und dem Gewinde der Welle.
Im Vergleich zu traditionellen Gleitgewindetrieben hat der Kugelgewindetrieb große Vorteile:

  • Durch die Punktanlage der Kugeln wird die Reibung des Systems um 2/3 reduziert.
    Weniger Reibung bei Kugelgewindetrieben erzeugt weniger Wärme und erhöht die Genauigkeit des Systems.
  • Weniger Reibung reduziert den Verschleiß auf den Laufbahnen der Kugelgewindetriebe und erhöht die Lebensdauer
  • Geringe Reibung ermöglicht höhere Verfahrgeschwindigkeiten, da weniger Wärme im Kugelgewindetrieb erzeugt wird.

   

Verwendung
Kugelgewindetriebe werden in allen Arten von Werkzeugmaschinen in großer Zahl eingesetzt. Dabei haben die Kugelgewindetriebe die früher üblichen Trapezgewindespindeln fast voll vollständig ersetzt. Neue Bauarten mit höheren Tragzahlen ersetzen auch immer häufiger hydraulische Anwendungen, in Pressen und Spritzgießmaschinen.

Aufbau und Funktionsweise
Ein Motor treibt die Spindel direkt oder über ein Getriebe an. Dadurch werden die werden die Kugeln in den Laufrillen zwischen Mutter und Spindel in Rotation versetzt und wandern langsam von einem Ende der Mutter zum anderen Ende. Dort werden sie von Umlenkelementen aufgenommen und wieder zum Anfang des Kreislaufs zurück geführt.
Im Prinzip unterscheidet man Kugelgewindetriebe mit interner Umlenkung oder externer Umlenkung. Bei interne Umlenkungen werden in der Regel bei kleinen Steigungen eingesetzt. Dabei werden die Kugeln jeweils nach einem Umlauf der Spindel wieder um einen Gang zurück gesetzt.
Bei externer Umlenkung wandern die Kugeln bis zum Ende der Mutter und werden dann über Röhrchen oder Bohrungen zum Anfang der Mutter geleitet. Externe Umlenkungen finden vor allem bei hohen Steigungen und Mehrgängigen Kugelgewindetrieben Anwendung.

Steifigkeit und Vorspannung
Die Steifigkeit eines Kugelgewindetriebs hängt von der Größe der Kugeln und der Vorspannung ab. Größere Kugeln sind steifer als kleine Kugeln. Die Steifigkeit ist für viele Werkzeugmaschinen sehr wichtig für die Qualität des Arbeitsergebnisses. Bei geringer Steifigkeit federt das System ein und versucht dem Druck der Bearbeitung nachzugeben. Das führt zu Ungenauigkeiten oder zu Schwingungen.
Die Vorspannung für Kugelgewindetriebe kann man über folgende Maßnahmen einstellen:

  • Kugeln mit Übergröße
  • Gegenseitig verspannte Muttern
  • Muttern mit Steigungsversatz (Pitch-Shift)

Die Höhe der Vorspannung ist immer abhängig von der Anwendung. Eine Hohe Vorspannung macht das System steif. Es erhöht sich aber auch die Reibung der Verschleiß und die Antriebsleistung. Gleichzeitig reduziert sich die Lebensdauer des Systems.

Genauigkeit
Die Genauigkeit (DIN...) eines Kugelgewindetriebs wird über die Qualität der Herstellung definiert. Dabei wird ein möglichst geringer Steigungsfehler angestrebt. Wobei die Genauigkeit gegenüber der Vorspannung an Bedeutung verloren hat seit es günstige direkte Messsysteme gibt. Die Steuerung der Systeme korrigiert dann die Steigungsfehler des Kugelgewindetriebs. Durch diese Entwicklung verlieren geschliffene Spindeln gegenüber gerollten Spindeln an Bedeutung. Gerollte Spindeln für Kugelgewindetriebe sind wesentlich günstiger als geschliffene und bieten auch im Detail einige Vorteile.