Lineartechnik Optimierte Lebensdauer von Kugelgewindetrieben dank adaptiver Nachstellung der Vorspannung im Betrieb

Von O. Jud, A. Lechler, A. Verl*

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Bleibt die Vorspannung von Kugelgewindetrieben möglichst lange auf nahezu konstantem Niveau, steigert dies die Lebensdauer, reduziert Stillstandzeiten sowie kostenintensive Wartungsintervalle. Ein passiver mechanischer Ansatz zur adaptiven Nachstellung der Vorspannkraft soll dies ermöglichen.

Durch einen passiven mechanischen Ansatz zur adaptiven Nachstellung der Vorspannkraft bei Kugelgewindetrieben soll die Vorspannung über einen möglichst langen Zeitraum auf nahezu konstantem Niveau gehalten werden, was die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen optimiert.
Durch einen passiven mechanischen Ansatz zur adaptiven Nachstellung der Vorspannkraft bei Kugelgewindetrieben soll die Vorspannung über einen möglichst langen Zeitraum auf nahezu konstantem Niveau gehalten werden, was die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen optimiert.
(Bild: Kadmy - stock.adobe.com )

Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart wird ein passiver mechanischer Ansatz zur adaptiven Nachstellung der Vorspannkraft bei Kugelgewindetrieben erforscht. Durch den neuartigen Mechanismus soll die Vorspannung über einen möglichst langen Zeitraum auf nahezu konstantem Niveau gehalten werden, wodurch ein gleichbleibendes Betriebsverhalten und eine gesteigerte Lebensdauer erwartet werden kann.

Kugelgewindetriebe in Werkzeugmaschinen

Kugelgewindetrieb bestehend aus Doppelmutter, Spindel und Kugeln.
Kugelgewindetrieb bestehend aus Doppelmutter, Spindel und Kugeln.
(Bild: ISW/Universität Stuttgart )

Kugelgewindetriebe (KGT) sind Maschinenkomponenten, welche häufig in Werkzeugmaschinen zur Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung eingesetzt werden. Mittels umlaufender Kugeln, welche an Spindel und Mutter in helixförmig eingebrachten Laufrillen abwälzen, können auftretende Kräfte mit relativ geringen Reibeinflüssen und gutem Wirkungsgrad übertragen werden.

Speziell wenn es auf hohe Steifigkeiten bei gleichzeitiger Spielfreiheit sowie vergleichsweise geringe Investitionskosten ankommt, sind KGT alternativen Antriebstechnologien überlegen. Aufgrund der positiven Eigenschaften bilden KGT nach wie vor die am häufigsten eingesetzte Technologie im Bereich elektromechanischer Vorschubsysteme für Werkzeugmaschinen.

Vorspannung ist immer ein Kompromiss

Werden KGT zur definierten Positionierung eines Werkzeugs oder Werkstücks eingesetzt, gilt es Nachgiebigkeit und Umkehrspiel im Antriebsstrang zu minimieren. Die übliche Methode, um dies zu erreichen, ist die Einbringung einer hohen Vorspannung zwischen Doppelmutter und Spindel, sodass die Kugeln stets eine Druckkraft übertragen. Während diese Vorspannung auch durch übergroße Kugeln oder einen fertigungstechnisch eingebrachten Steigungsversatz zwischen den Laufrillen realisiert werden kann, kommen meist zwei gegeneinander verspannte Mutternhälften zum Einsatz.

Mit hoher Vorspannung gehen nahezu vollständige Spielfreiheit und hohe Steifigkeit einher, wodurch gutes statisches und dynamisches Betriebsverhalten des KGT resultiert. Gleichzeitig steigen jedoch Reibung und Verschleiß, woraufhin Wirkungsgrad und Lebensdauer absinken.

Bei Doppelmuttern wird der Steigungsversatz durch ein zwischen Flansch- und Kontermutter eingebrachtes Distanzelement erzeugt. Mit größerer Distanz zwischen den Mutternhälften steigt entsprechend auch die Vorspannung im System. Die Wahl der Vorspannkraft bildet dabei stets einen Kompromiss zwischen konträren Zielen: Mit hoher Vorspannung gehen nahezu vollständige Spielfreiheit und hohe Steifigkeit einher, wodurch gutes statisches und dynamisches Betriebsverhalten des KGT resultiert. Gleichzeitig steigen jedoch Reibung und Verschleiß, woraufhin Wirkungsgrad und Lebensdauer absinken.

Wesentliches Kriterium für die Auslegung der Vorspannkraft bildet daher die Betrachtung der maximal auftretenden Betriebslast. Unter Einwirkung von Betriebskräften kommt es bei Doppelmuttern mit Zweipunktkontakt zu wechselnder Be- und Entlastung der beiden Mutternhälften. Im Extremfall kann es dabei zur vollständigen Entlastung der nichttragenden Mutternhälfte kommen. In Folge tritt dann kein definiertes Abwälzen der Kugeln mehr auf, woraus Gleitreibung, Schmierstoffmangel und erhöhter Verschleiß resultieren. Um dies zu vermeiden, wird die Vorspannkraft normalerweise initial so hoch gewählt, dass auch für die maximal auftretende Betriebskraft noch eine ausreichend hohe Restvorspannung an der nichttragenden Mutternhälfte erhalten bleibt und keine vollständige Entlastung erfolgt.

Vorspannkraft selbsttätig während des Betriebs nachstellen

Schematischer Aufbau und Funktionsweise des passiven Nachstellmechanismus.
Schematischer Aufbau und Funktionsweise des passiven Nachstellmechanismus.
(Bild: ISW/Universität Stuttgart )

Durch Verschleißerscheinungen sinkt die Vorspannkraft im Doppelmutter-System mit fortschreitender Lebensdauer. Statt initial sehr hohe Vorspannkräfte zu wählen, zielt ein am ISW erforschter Ansatz darauf ab, die Vorspannkraft selbsttätig während des Betriebes nachzustellen, wodurch die anfänglich hohe Vorspannkraft deutlich reduziert werden kann. Durch belastungsgerechtes Nachstellen soll der Verschleiß im KGT reduziert werden, ohne die Betriebseigenschaften nennenswert zu verschlechtern. Bewegt sich die Betriebskraft also unterhalb der eingestellten Vorspannkraft, sodass kein Überlastzustand herbeigeführt wird, erfolgt keine Nachstellung. Überschreitet die Betriebskraft jedoch den voreingestellten Wert der Vorspannkraft, kommt es zur definierten Nachstellung. Die Vorspannung wird dabei stets proportional zur auftretenden Betriebslast nachgestellt und ist bei zukünftig auftretenden Betriebslasten, die kleiner oder gleich groß sind, ausreichend hoch eingestellt.

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Die grundlegende Idee der adaptiven Vorspannungsnachstellung basiert auf einem Keilmechanismus, welcher im Kraftfluss zwischen Flansch- und Kontermutter liegt. Zum Auslösen des Nachstellvorganges wird ausgenutzt, dass bei erhöhter Axiallast, die zur ungünstigen einseitigen Entlastung der Kugeln führen würde, keine bzw. eine sehr geringe Lastkraft mehr über die entlastete Kontermutter fließt. Sofern also Flansch- und Kontermutter nicht starr miteinander verbunden sind, ist es in diesem Moment möglich, die lastfreie Kontermutter durch eine Druckfeder um einen geringen Axialweg zu verschieben. Der entstehende Spalt wird im selben Moment durch ein federbelastetes Keilelement wieder geschlossen. Die fortan vergrößerte Distanz zwischen Flansch- und Kontermutter wirkt dabei entsprechend einem eingebrachten Steigungsversatz und erhöht die Vorspannung. Nach Rückgang bzw. Umkehr der Lastkraft tritt aufgrund der geringen Steigung des Keilelementes Selbsthemmung auf, sodass die Vorspannung bestehen bleibt. Aufgrund der vollflächigen Anlage des Keilelementes an den Mutternhälften sind Kraftübertragung und Steifigkeit nicht nennenswert beeinflusst.

Konstruktionskonzept des passiven mechanischen Prototyps zur belastungsadaptiven Nachstellung der Vorspannkraft.
Konstruktionskonzept des passiven mechanischen Prototyps zur belastungsadaptiven Nachstellung der Vorspannkraft.
(Bild: ISW/Universität Stuttgart )

Forschende entwickeln Prototyp am ISW

Der am ISW entstehende Prototyp soll einen maximalen Nachstellweg von 200 Mikrometern bereitstellen können und die Steifigkeit sowie die statischen und dynamischen Betriebseigenschaften des KGT nicht nennenswert beeinflussen. Dabei muss das Keilelement gerade die nötige Steigung aufweisen, dass bei vollständigem Einrücken in den entstehenden Spalt der maximale Nachstellweg erreicht wird. Gleichzeitig muss die Steigung des Keilelementes jedoch so gering wie möglich sein, um ein ungewolltes Heraustreiben bei betriebsbedingt auftretenden Störeinflüssen durch möglichst hohe Selbsthemmung zu verhindern.

Ziel ist die Erhöhung der Lebensdauer bei gleichbleibenden Betriebseigenschaften, wodurch Stillstandszeiten sowie kostenintensive Wartungsintervalle deutlich reduziert werden sollen.

Da das Funktionsprinzip auf Selbsthemmung basiert, spielen ebenfalls eine gezielte Werkstoffauswahl sowie die mögliche Oberflächenbehandlung zur Beeinflussung der Haftreibung eine zentrale Rolle. Ziel ist die Erhöhung der Lebensdauer bei gleichbleibenden Betriebseigenschaften, wodurch Stillstandszeiten sowie kostenintensive Wartungsintervalle deutlich reduziert werden sollen.

Das beschriebene Forschungsprojekt zur Vorspannungsnachstellung an Kugelgewindetrieben mittels passiver Mechanik (VoKuMe) wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit der Projektnummer 426472450 gefördert. Ansprechpartner ist Oliver Jud (oliver.jud@isw.uni-stuttgart.de).

* Oliver Jud, M.Sc., ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich „Antriebssysteme und -regelung“; Dr.-Ing. Armin Lechler ist stellvertretender Institutsleiter und geschäftsführender Oberingenieur, Prof. Dr. Alexander Verl ist Institutsleiter mit Professur für Steuerungstechnik und Mechatronik für Produktionssysteme – alle am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart.

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