Reibung und ihr Einfluss auf Funktion und Lebensdauer von Kugelgewindetrieben

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Dipl.-Ing. Hans Georg Hoyer

Fazit: Kugelgewindetriebe mit 3-Punkt-Kontakt vereinen die Vorteile von 2- und 4-Punktkontakt-Kugelgewindetrieben, während die jeweiligen Nachteile stark vermindert werden. Die Reibungsverhältnisse sind im Vergleich zu Kugelgewindetrieben mit 2- und 4-Punktkontakt optimal:

• geringe Reibung in der Mutter

• kaum Bohrreibung trotz Vorspannung

• Rollreibung an der Spindel wird über den gesamten Hub „verteilt“

• alle Kugeln nehmen die Belastung auf (kompakte Mutterabmessung)

Auswirkungen der Reibungen auf die Funktion von Kugelgewindetrieben

Reibungen, insbesondere die Bohrreibung verursachen Tribokorrosion, wenn das vorliegende Schmierregime nicht für die Einsatz- und Umgebungsbedingungen optimiert wurde. Einseitige Schmierkanäle, z. B. durch den Flansch der Kugelgewindetriebmutter, führen in vielen Fällen zu Mangelschmierung in der Mutter. Vorhandenes Schmierfett wird durch die Kugelbewegungen in Verbindung mit Roll- und Bohrreibung ggf. aus der Mutter transportiert. Bei der Nachschmierung wird das Fett/Öl bei einer dem Schmiermittelfluss entgegengesetzten Bewegungsrichtung der Kugeln durch die Rollreibung und die Bohrbewegung/Bohrreibung am Vordringen in die Mutternmitte gehindert und ebenfalls nach außen transportiert. Teile der Mutterlaufbahnen bzw. Abschnitte ganzer Kugelumläufe erhalten kein oder nicht ausreichend Schmiermittel, während die Spindellaufbahnen bei entsprechend ausreichenden Hubbewegungen noch ausreichend geschmiert werden.

Reicht der Schmierfilm nicht mehr aus, um Bohrreibungen zu verhindern, tritt anfangs „nur“ eine Glättung der Oberflächen auf, danach ein gleichmäßiger Materialabtrag und letztendlich die Zerstörung der Laubahnoberfläche. Bei vollen Hubbewegungen sind die Laufbahnen der Mutter im Vergleich zu den Laufbahnen der Kugelgewindespindel dauerbelastet, d. h. Glättung und Materialabtrag finden vorwiegend an den Laufbahnen der Kugelgewindetriebmutter statt. Im Kurzhubbetrieb werden u. U. auch die belasteten Laufbahnabschnitte der Kugelgewindespindel beschädigt.

In der Folge wird die Vorspannung verringert und bzw. ganz aufgehoben und es entsteht Spiel zwischen Mutter und Gewindespindel. Exaktes Positionieren bzw. wiederholtes Anfahren von präzisen Arbeitspositionen sind nicht mehr möglich. Da die Laufbahnoberflächen beschädigt sind, führt eine weitere Belastung innerhalb kürzester Zeit zum Ausfall des Kugelgewindetriebes.

Gegenmaßnahmen

Unabhängig von der Kontaktgeometrie kann eine großzügige Dimensionierung und die damit verbundene geringere Flächenpressung mit geringeren Gleit- und Bohrbewegungseffekten die Reibung verringern, jedoch nicht völlig verhindern.

• Nachschmierungen: Die negativen Auswirkungen von Roll- und Bohrreibung können nur durch ein optimales Nachschmieren minimiert werden. Ein den Einsatzbedingungen angepasstes Schmierregime mit genau dosierten Nachschmiermengen in konkret ermittelten Nachschmierintervallen und vor allem ein Nachschmierkanal in der Mitte der Kugelgewindetriebmutter sind dafür sehr zu empfehlen.

• Auswahl der Kugelgewindetriebe-Kontaktgeometrie: Hochdynamische Anwendungen sollten nicht mit Kugelgewindetrieben mit 4-Punkt-Kontaktgeometrie realisiert werden. Kugelgewindetriebe mit 2-Punkt-Kontaktgeometrie (vorgespannte Einzel-oder Doppelmutter) oder mit 3-Punkt-Kontaktgeometrie sind aufgrund der geringeren Reibungseinflüsse besser geeignet.

• Hybrid-Kugelgewindetriebe: Hybridwälzlager mit Keramikkugeln sind heute aus vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken, von Elektromotoren und Generatoren in Windkraftanlagen, Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken bis hin zu Schienenfahrzeugen und Hochleistungsspindeln in Werkzeugmaschinen.

• Für hochdynamische Anwendungen sind Hybrid-Kugelgewindetriebe mit Keramikkugeln eine interessante Alternative. Die Keramikkugeln aus Hochleistungskeramik (Siliziumnitrid) sind leichter als Stahlkugeln und ermöglichen dadurch höhere Drehzahlen. Sie sind temperaturbeständiger als Stahlkugeln und vertragen auch mehr Reibung aufgrund mangelhafter Schmierung. Zusätzlich übertrifft die mechanische Belastbarkeit von Kugeln aus Hochleistungskeramik in der Regel die der gehärteten Stahlkugeln aus Wälzlagerstahl. Hybrid- Kugelgewindetriebe sind die etwas kostenintensivere Alternative, die jedoch die Auswirkungen von Roll- und Bohrreibung, die damit einhergehende Mangelschmierung sowie Verschleiß und eine dramatische Verkürzung der Lebensdauer bei vielen Anwendungen verhindern kann.

(ud)

* Dipl.-Ing. Hans Georg Hoyer ist Freiberuflicher Sachverständiger für Wälzlager, Linearführungen und Kugelgewindetriebe, Radeberg.

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