Tribologie Reibung und ihr Einfluss auf Funktion und Lebensdauer von Kugelgewindetrieben

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans Georg Hoyer / Ute Drescher

Die üblichen Lebensdauerberechnungen von Kugelgewindetrieben basieren weitgehend auf der Lebensdauerberechnung von Wälzlagern. Allerdings sind die real vorliegenden Belastungs- und Abrollverhältnisse von Kugelgewindetrieben mit unterschiedlicher Kontaktgeometrie nicht mit denen von Wälzlagern vergleichbar. Das kann unter Umständen zu gravierenden Abweichungen gegenüber der tatsächlich erreichbaren Lebensdauer eines Kugelgewindetriebes führen.

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Prinzipdarstellung: Kugelgewindetrieb und Bohrbewegung der Kugeln
Prinzipdarstellung: Kugelgewindetrieb und Bohrbewegung der Kugeln
(Bild: Hoyer)

Kugelgewindetriebe sind bei der Umwandlung von einer Drehbewegung (Rotation) in eine Linearbewegung (Translation) sowohl im Werkzeugmaschinenbau als auch im allgemeinen Maschinenbau aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und der damit verbundenen Energieeffizienz nach wie vor die meist verbreiteten Antriebskomponenten.

Allerdings stellen auch Kugelgewindetriebe relativ hohe Anforderungen an ihre Umgebungskonstruktion und sollten hinsichtlich der Belastungsbedingungen sorgfältig ausgewählt werden. Die üblichen Lebensdauerberechnungen von Kugelgewindetrieben basieren weitgehend auf der Lebensdauerberechnung von Wälzlagern (DIN 69051 bzw. ISO 3408), was unter Umständen zu gravierenden Abweichungen zur tatsächlich erreichbaren Lebensdauer eines Kugelgewindetriebes führen kann. Auch wenn es wichtige Analogien bezüglich der Kontaktgeometrie von Kugeln und Laufbahnen zwischen Wälzlagern und Kugelgewindetrieben gibt - die real vorliegenden Belastungs- und Abrollverhältnisse von Kugelgewindetrieben mit unterschiedlicher Kontaktgeometrie sind nicht vergleichbar. Zu viele Parameter können bisher nicht konkret verifiziert werden und beeinflussen nachhaltig die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebes. Hierzu zählen u. a. die Kugelrückführ-Problematik, die Vorspannung, das Temperaturverhalten, fertigungsbedingte Genauigkeitsabweichungen und natürlich die verschiedenen Arten der Reibung.

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Kugelgewindetriebe können durch Reibungswärme selbst maßgeblich zur temperaturbedingten Längenausdehnung der Kugelgewindespindel beitragen (natürlich in Abhängigkeit von der Kontaktgeometrie, der Belastung und der Drehzahl) und deshalb kann ein wiederholtes Positionieren (Wiederholgenauigkeit) selbst in der besten Genauigkeitsklasse unter Umständen problematisch werden. Gleichzeitig kann Verschleiß durch Reibung bei Mangelschmierung zuerst die Funktion und nachfolgend die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebes dramatisch beeinflussen.

Die Ursachen für die Reibung liegen makroskopisch in der Laufbahn-/ Kugelkontaktgeometrie und mikroskopisch in der Qualität (Rauheit) sowohl der Laufbahn- als auch der Kugeloberflächen.

Neben unterschiedlichen Genauigkeitsklassen, die vorwiegend durch die jeweilige Steigungsabweichung in Abhängigkeit von der Wegstrecke charakterisiert und durch die jeweils angewandte Fertigungstechnologie erzeugt werden, spielt die Steifigkeit des Gesamtsystems für Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit eines Kugelgewindetriebes eine wichtige Rolle. Zusätzlich verändert eine hohe Systemsteifigkeit die Frequenzbereiche im Fall auftretender Schwindungsbelastung – es treten ggf. keine Resonanzen zwischen Erregerfrequenz und Eigenfrequenz des Gesamtsystems Kugelgewindetrieb auf. Zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen sind bei einem steifen Gesamtsystem meist nicht erforderlich.

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