Kugelgewindetrieb Vorspannungsverluste kompensieren: Prototyp auf dem Prüfstand

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

MESYS AG

HEICO Befestigungstechnik GmbH

Ein vom ISW patentierter Ansatz soll den verschleiß- und betriebsbedingten Vorspannungsverlust über die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs durch mehrmaliges Nachstellen kompensieren. Ein Funktionsprototyp auf dem Prüfstand soll neue Erkenntnisse bringen.

Um die stetig steigenden Anforderungen an die Betriebs- und Einsatzfähigkeit von Fertigungszentren zu erfüllen, kommt der Zuverlässigkeit von Kugelgewindetrieb-Vorschubachsen eine besondere Bedeutung zu. Ziel ist es, hohe Positioniergenauigkeiten und Gesamtsteifigkeiten sowie günstige Reibungsverhältnisse zu erreichen.

Vorspannkraft ist wichtige Auslegungsgröße für Kugelgewindetriebe

Die Vorspannung ist eine der wichtigsten Auslegungsgrößen für Kugelgewindetriebe (KGT) und bestimmt neben den maximal übertragbaren Axialkräften auch die Nachgiebigkeit und das Umkehrspiel im Antriebsstrang. Um auch nach gewisser Betriebszeit eine ausreichend hohe Vorspannkraft und somit ein gutes statisches und dynamisches Übertragungsverhalten gewährleisten zu können, werden KGT beim Hersteller meist einmalig stark vorgespannt. Hierbei variiert die initial aufgebrachte Kraft je nach Ausführung und Baugröße des Triebes. Kommen Doppelmuttern zum Einsatz, geschieht dies meist durch gegenseitiges Verspannen der beiden Mutternhälften, entweder durch einen fertigungstechnisch eingebrachten Steigungsversatz oder ein zusätzliches statisches Distanzelement. Zusätzlich kann über die Veränderung des Kugeldurchmessers im Mikrometerbereich entsprechend feinjustiert werden.

Diese Praxis hat zur Folge, dass die Vorspannkraft und somit die angestrebten Betriebseigenschaften durch Verschleiß mit der Zeit abnehmen. Durch die Wahl einer hohen Vorspannkraft können zwar höhere Axialkräfte übertragen werden und auch die Systemsteifigkeit ist höher, jedoch zählen auch Frühausfälle und frühzeitig auftretende Verschleißerscheinungen an Spindel, Doppelmutter und in den Kugelrückführungen zu möglichen Folgen. Gerade hinsichtlich Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit ist dies nachteilig.

Lineartechnik

Optimierte Lebensdauer von Kugelgewindetrieben dank adaptiver Nachstellung der Vorspannung im Betrieb

Vorspannkraft belastungsadaptiv nachstellen mittels passiver Mechanik

Um einer initial hohen Vorspannkraft und den dadurch resultierenden Nachteilen entgegenzuwirken, beschäftigt sich die Forschung mit Ansätzen zur Nachstellung der Vorspannkraft. Neben Konzepten mit zusätzlicher Aktorik im Kraftfluss oder manueller Nachverspannung wird am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart ein Ansatz verfolgt, welcher die belastungsadaptive Nachstellung der Vorspannkraft mittels einer passiven Mechanik ermöglichen soll. Hierzu wird zwischen die Mutternhälften einer Doppelmutter anstelle eines statischen Distanzelements ein auf Feder- und Keilelementen basierendes Maschinenelement eingebracht. Dies ermöglicht es, den initialen Vorspannungswert deutlich geringer zu wählen, wodurch die Lebensdauer der Vorschubachse deutlich erhöht werden kann.

Der konzipierte Prototyp besteht aus zwei Mutternhälften (Flansch- und Kontermutter), welche durch Verdrehen zunächst initial gegeneinander verspannt werden und ist mit Piezo-Kraftsensoren zur In-situ-Erfassung dieser Vorspannkraft ausgestattet. Neben den speziell ausgeführten und federbelasteten Keilelementen dienen zwei Reibscheiben mit definiertem Reibwert als Kraftübertragungselement.

Zusätzlich wird eine eigens konzipierte Druckfeder zwischen den beiden Mutternhälften platziert und sorgt bei Umgebungseinflüssen wie Überlast für eine Relativbewegung zwischen Flansch- und Kontermutter, wodurch ein geringer Axialversatz entsteht. Der entstehende Spalt wird im selben Moment durch die federbelasteten Keilelemente wieder geschlossen. Die fortan vergrößerte Distanz zwischen Flansch- und Kontermutter wirkt dabei entsprechend einem eingebrachten Steigungsversatz und ein Zustand erhöhter Vorspannung stellt sich ein.

Prüfstand zur Untersuchung des Funktionsprototyps entwickelt

Ein am ISW entwickelter Prüfstand soll die Untersuchung des Funktionsprototyps und die Validierung der Betriebseigenschaften des gesamten Achsverbunds ermöglichen. Durch zusätzliche in die Doppelmutter eingebrachte Sensorik soll das Nachstellverhalten und die Robustheit gegenüber typisch auftretenden statischen und dynamischen Störgrößen untersucht werden. Der am Maschinentisch zusätzlich positionierte Lineardirektantrieb dient zur Erzeugung definierter Axiallasten, welche unter anderem zur Auslösung des Mechanismus verwendet werden können. Durch weitere Piezo-Kraftsensoren, welche in die Mutternaufnahme am Maschinentisch integriert sind, kann die vorherrschende Axialkraft direkt an der Doppelmutter detektiert werden. Neben allgemeinen Funktionsuntersuchungen kann so ebenfalls der Zusammenhang zwischen der vorherrschenden Vorspannkraft und der Auslenkung bei definierten Axialkräften genauer untersucht werden.

Durch eine neukonzipierte Spindel mit vier unterschiedlich ausgeführten Spindelzonen über die gesamte Spindellänge hinweg soll ein definiertes Nachstellen des Mechanismus im Zonenübergang erzwungen werden. Das soll aufwendige und kostenintensive Verschleißtests mit mehreren Spindeln verhindern. Gleichzeitig soll die Funktionsweise in kurzen, redundanten Versuchsdurchläufen unter gleichbleibenden Betriebsbedingungen getestet werden können. Das Forschungsprojekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit der Nummer 426472450 gefördert.

* Oliver Jud ist wissenschaftlicher Mitarbeiteram am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart, Dr.-Ing. Armin Lechler ist stellvertretender Institutsleiter und geschäftsführender Oberingenieur am ISW, Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl ist Institutsleiter des ISW.

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