Reibung und ihr Einfluss auf Funktion und Lebensdauer von Kugelgewindetrieben

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Dipl.-Ing. Hans Georg Hoyer

Der Grund für diese Bohrbewegung liegt darin, dass die Berührungstangenten an den Kontaktflächen zwischen Laufbahnen und Kugeln nicht parallel zur Lagerachse verlaufen und sich auch nicht in der Drehachse schneiden. Es ergeben sich unterschiedliche Abrollzwänge bzw. Winkelgeschwindigkeiten (Abbildung 9). Dabei kann die Bohrbewegung sowohl an beiden Kontaktflächen (Außenring & Innenring) oder nur an einer der beiden Kontaktflächen auftreten. Neben dem Druckwinkel α und der jeweiligen Schmiegung entscheidet auch die Rauheit der Laufflächen, wo die Bohrbewegung das Abrollen überlagert und wo ggf. ohne Bohrbewegung abgerollt wird. Die Bohrbewegung erzeugt die relativ aggressive Bohrreibung, die bei unzureichendem Schmierfilm sofort zu Abrieb und Verschleiß führt.

Kugel-Laufbahn-Anordnungen bei Kugelgewindetrieben

Abbildung 6 zeigt die drei Kugel-Laufbahn-Anordnungen, die bei Kugelgewindetrieben (teilweise in Analogie zu Kugellagern) üblich sind: Der 2-Punkt-Kontakt (vergleichbar mit Rillen- bzw. Schrägkugellagern), der 4-Punkt-Kontakt (vergleichbar mit einem 4-Punkt-Lager) und relativ neu der 3-Punkt-Kontakt (ohne Wälzlageranalogie). Wie in den Abbildungen dargestellt, sind alle „Punktkontakte“ in der Realität Auflageflächen in Form einer Ellipse. Jede dieser drei Kugel-Laufbahn-Anordnungen hat eine eigene Kontaktgeometrie, demzufolge unterschiedliche Druck- bzw. Betriebsdruckwinkel und ebenso völlig unterschiedliche Reibungsverhältnisse.

Kugelgewindetriebe mit verschiedener Kontaktgeometrie verhalten sich auch bei vergleichbaren Einsatzbedingungen völlig unterschiedlich. Es ist deshalb wichtig, die jeweiligen Eigenheiten zu kennen und diese bei der Auswahl entsprechend den Belastungsbedingungen zu berücksichtigen.

Kugelgewindetriebe mit 2-Punkt-Kontaktgeometrie

Der sogenannte 2-Punkt-Kontakt (richtiger 2-Flächen-Kontakt) bei Kugelgewindetrieben hat ohne Belastung und ohne Vorspannung einen Druckwinkel von 0°, wenn man davon ausgeht, dass Kugelgewindetriebe ausschließlich für axiale Kraftübertragungen geeignet sind. Für eine axiale Lastaufnahme existiert praktisch noch kein Druckwinkel mit axialer Komponente.

D. h. nur das Eigengewicht der Mutter des Kugelgewindetriebes bestimmt die Größe der Rollreibung (Abbildung 7a).

Ohne Vorspannung entsteht ein Betriebsdruckwinkel erst bei Axialbelastung in Verbindung mit einem entsprechenden Axialversatz zwischen Mutter und Spindel (Abbildung 7b). Ändert sich die Belastungsrichtung geht dieser Axialversatz zurück und baut sich in entgegengesetzter Richtung wieder auf. Es entsteht ein relativ großes belastungsabhängiges Umkehrspiel, genaue Positionierungen sind nicht möglich.

Mit Vorspannung entsteht ein Betriebsdruckwinkel ohne Axialversatz (Abbildung 7c), zusätzliche Axialbelastung überlagert die Vorspannung und vergrößert ggf. den Betriebsdruckwinkel geringfügig (Abbildung 7d). Ein Umkehrspiel gibt es theoretisch nicht. Aber es entstehen beim Lastrichtungswechsel im Umkehrpunkt Verformungen, die als Umkehrspiel bezeichnet werden (Thema Steifigkeit).

Sobald ein Betriebsdruckwinkel entstanden ist (Abbildung 7b – 7d), wirkt zusätzlich zur Rollreibung

gem. Abbildung 3 auch die Bohrreibung gem. Abbildung 5.

Die Vorspannung im 2- Punkt-Kontakt wird entweder durch einen Steigungssprung innerhalb der Mutter erzeugt (Abbildung 8a), wobei sich die axiale Belastbarkeit der Mutter halbiert, oder durch zwei gegeneinander vorgespannte Einzelmuttern (z. B. Doppelmutter mit Distanzring gem. Abbildung 8b) realisiert. Die Vorspannung wirkt über den Druckwinkel als permanente Belastung (Vorspannkraft) mit entsprechendem Einfluss auf die Lebensdauer, u. a. durch die Verstärkung von Roll- und Bohrreibung. Durch die Vorspannung erhöht sich die Steifigkeit der Kugelgewindetriebmutter entscheidend.

In der Regel wird ein Kugelgewindetrieb so dimensioniert, dass die Vorspannung in keinem Belastungsfall aufgehoben wird, d. h. die max. auftretende Axialkraft bleibt unter der Axialkomponente der Vorspannkraft.

Fazit: Ohne Vorspannung können Kugelgewindetriebe mit 2-Punkt-Kontakt lediglich für reine Transportaufgaben verwendet werden, da durch das vorhandene Umkehrspiel kein genaues Positionieren möglich ist.

Durch eine Vorspannung wird das Umkehrspiel minimiert und die Mutternsteifigkeit erhöht. Die Länge der Mutter vergrößert sich, weil jeweils nur die Hälfte der Kugeln (Einzelmutter) bzw. eine Mutter (vorgespannte Doppelmutter) die Axialkraft aufnehmen kann. Sowohl bei axialer Belastung als auch bei Vorspannung treten Roll- und Bohrreibungseffekte auf.

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