Reibung und ihr Einfluss auf Funktion und Lebensdauer von Kugelgewindetrieben

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Dipl.-Ing. Hans Georg Hoyer

Kugelgewindetriebe mit 4-Punkt-Kontaktgeometrie

Der sogenannte 4-Punkt-Kontakt (richtiger 4-Flächen-Kontakt - Abbildung 9a) entsteht bei einem gotischen Laufbahnprofil. Die Kugeln berühren sowohl die Mutternlaufbahn als auch die Spindellaufbahn in jeweils zwei „Punkten“. Da auch hier Radien das Laufbahnprofil bilden, kommt es wieder zur konstruktiv bedingten Rollreibung. Im Gegensatz zum 2-Punkt-Kontakt sind die Gleitanteile durch die sehr großen Unterschiede zwischen den gleitenden Umfängen (πd1 und πd2) sehr viel höher. Deshalb sollte die Schmiegung beim 4-Punkt-Kontakt einen Wert von k=0,12 nicht wesentlich überschreiten.

Beim 4-Punkt-Kugellager muss die wirkende Axiallast mindestens 20 % größer als die wirkende Radiallast sein. Damit wird ein „Verklemmen“ der Kugeln verhindert. Die axiale Kraftübertragung findet ähnlich wie bei einem Schrägkugellager in beide Lastrichtungen statt. Bei axialer Belastung entsteht ein axialer Versatz zwischen Mutter und Spinde und, aus dem 4-Punktkontakt wird ein 2-Punktkontakt (Abbildung 9b)

Beim 4-Punkt-Kugelgewindetrieb wirkt normal keine Radialbelastung. Lediglich bei vorgespannten Muttern (Vorspannung durch zu große Kugeln – Abbildung 9c) entsteht zwischen Mutter und Gewindespindel intern Radialbelastung, die theoretisch analog zum 4-Punkt-Kugellager 20 % unter einer wirkenden Axiallast liegen sollte, was im Leerlauf (ohne Axialbelastung) definitiv nicht gegeben ist. Deshalb tritt Bei Vorspannung eine sehr hohe Rollreibung auf. Wirkt zusätzlich eine entsprechend große Axiallast (Abbildung 9d), wird die Kraft diagonal über zwei Punkte (Kontaktflächen) übertragen – es entsteht zusätzlich zur hohen Rollreibung analog zum 2-Punkt-Kontakt die Bohrreibung.

Fazit: 4-Punkt-Kontakt-Kugelgewindetriebe weisen aufgrund ihrer inneren Geometrie grundsätzlich eine sehr viel höhere Rollreibung auf als 2-Punkt-Kontakt-Kugelgewindetriebe. Die zusätzlich auftretende Bohrreibung verstärkt sowohl die Erwärmung als auch möglichen Verschleiß. Bei hochdynamischen Anwendungen kann dies zu kurzfristigen Ausfällen von Kugelgewindetrieben führen. Vorspannung ist Dauerbelastung und diese verstärkt alle Reibungsarten. Nachschmierung ist bei diesen Kugelgewindetrieben in relativ kurzen Intervallen extrem wichtig.

Vorteil: Da alle Kugelumläufe einer Mutter die Last aufnehmen, ist die Mutter eines 4-Punkt-Kontakt Kugelgewindetriebes (mit vergleichbaren Belastungsaufnahmen) kürzer bzw. nur halb so lang wie eine vorgespannte Mutter mit 2-Punkt-Kontaktgeometrie.

Kugelgewindetriebe mit 3-Punkt-Kontaktgeometrie

Kombiniert man eine 2-Punkt-Kontakt-Kugelgewindetriebmutter (Laufbahnen haben ein Kreisbogenprofil) mit einer 4-Punkt-Kontakt-Kugelgewindespindel (Laufbahnen haben ein gotisches Profil) entsteht ein Kugelgewindetrieb mit einer 3-Punkt-Kontaktgeometrie (Abbildung 10a).

Die Gleitanteile im Kontakt mit der Mutter sind wie beim 2-Punktkontakt gering. Die Gleitanteile an der Spindel ähneln mehr dem 4-Punktkontakt, sind also bedeutend höher. Da bei großen Hüben die Mutter eines Kugelgewindetriebes im Gegensatz zur Spindel permanent belastet wird, vermindert diese Konfiguration den Verschleiß an der Mutter, der bei einer Mutter mit 4-Punkt-Kontaktgeometrie vergleichsweise sehr hoch ist .

Im Gegensatz zu 2-und 4-Punkt-Kontakt hat ein 3-Punkt-Kontakt bereits einen Druckwinkel für eine axiale Lastaufnahme in beide Lastrichtungen. Axiale Belastung führt zu einem Axialversatz, bei dem die 3-Punktkonfiguration erhalten bleibt. (Abbildung 10b): Vorspannung durch zu große Kugeln (Abbildung 10c) erhöht die Steifigkeit ohne „Verklemmung“ wie beim 4-Punktkontakt. Bei zusätzlicher axialer Belastung entsteht ein Betriebsdruckwinkel, der den vorhandenen Druckwinkel nur minimal verändert (Abbildung 10d). Demzufolge entsteht nur bei sehr hoher Axialbelastung eine geringe Bohrbewegung.

Wie beim 4-Punktkontakt tragen alle Kugelumläufe der Mutter in beide Lastrichtungen, was wiederum eine kompakte Mutterlänge ermöglicht.

Alternativ kann die Vorspannung auch durch einen Steigungssprung in der Mutter erzeugt werden.

Dadurch entsteht ein günstigerer Betriebsdruckwinkel für die Aufnahme der axialen Belastung. Da sich aber die Anzahl der tragenden Kugeln halbiert und gleichzeitig die Bohrbewegung/Bohrreibung begünstigt wird, ist diese Art der Vorspannung für Kugelgewindetriebe mit 3-Punkt-Kontakt nicht optimal.

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