Schwerlastkugelgewindetrieb von Thomson, Bild: Thomson

Thomson verfügt über Schwerlast-Kugelgewindetriebe, die in Spritzgussanlagen, Metallpressen und -formen, Prüfständen sowie Richt- und Rohrbiegemaschinen eingesetzt werden. Bild: Thomson

Wenn Sie sich spontan für den Rollengewindetrieb entschieden haben, kann es sich lohnen, dass Sie Ihre Entscheidung noch einmal überdenken. Rollengewindetriebe wurden lange als einzig nutzbare Technologie zur Bewegung großer Lasten propagiert, wenn der verfügbare Einbauraum begrenzt ist. Tatsächlich haben technologische Weiterentwicklungen der Kugelgewindetriebe spezielle Ausführungen hervorgebracht, die sich als Lösungen auch für hohe Lasten anbieten. Dieser Umstand ist deshalb so bedeutend, weil ein Schwerlast-Kugelgewindetrieb bei identischen Leistungsparametern in der Regel noch nicht einmal die Hälfte der Kosten eines vergleichbaren Rollengewindetriebs verursacht.

Wo liegt der Unterschied?

Ein Kugelgewindetrieb besteht aus einer Spindel mit einer Mutter, die sich linear bewegt, sobald ein Motor die Spindel dreht. Je nach dem zu automatisierenden Industrieverfahren ist die Mutter mit einem Tisch, Arm oder sonstigen Lastelement verbunden. Die in der Mutter integrierten Kugeln greifen in die Laufbahnen und tragen auf diese Weise die Last. Der Reibungskoeffizient zwischen den Komponenten ist extrem gering, sodass normalerweise ein System-Wirkungsgrad von über 90 Prozent vorliegt. Die Tragzahl des Kugelgewindetriebs ist somit eine Funktion aus dem Kugeldurchmesser, der Anzahl der Kugeln und der Kontaktfläche. Die Kombination dieser Parameter bestimmt die Tragzahl der Baugruppe und damit die Lebensdauer.

Für höhere Lasten spezifizieren Konstrukteure häufig Rollengewindetriebe. In einem Rollengewindetrieb besteht die lasttragende Mechanik aus umlaufenden Rollen anstelle von Kugeln. Die Rollen verfügen über eine größere wirksame Berührungsflache als Kugeln, was sowohl die Tragzahl erhöht als auch die Lebensdauer des Systems verlängern kann. Diese Vorteile werden jedoch teuer erkauft. Im Vergleich zum relativ einfachen Kugelsystem erfordern Rollengewindetriebe eine aufwendige Präzisionsbearbeitung in der Herstellung und sind zudem deutlich komplexer aufgebaut. Das trägt zu den insgesamt höheren Kosten des Rollengewindetriebs bei und erfordert mehr Einbauplatz in der Endkonstruktion.

Rollenlager, Bild: Thomson
Ein Rollenlager mit gerillten Rollelementen. Bild: Thomson

Eigenschaften eines Schwerlast-Kugelgewindetriebs

Thomson hat einen Kugelgewindetrieb für hohe Tragzahlen entwickelt, der eine spezielle Laufbahnform nutzt, sodass die Belastbarkeit um vier- bis achtmal über der eines herkömmlichen Kugelgewindetriebs liegt. Damit erhalten Konstrukteure die Möglichkeit, einen Kugelgewindetrieb in fast jeder Anwendung einzusetzen, die bislang einen Rollengewindetrieb verlangte. Bedenkt man andererseits, dass die zeitliche Laufleistung einer Baugruppe direkt von deren Tragzahl abhängt (siehe hierzu den Kasten „Hintergrundwissen“), würde die Verwendung eines hochbelastbaren Kugelgewindetriebs in einer Niederlast-Anwendung die Lebensdauer des Produkts verlängern.

Nimmt man eine Montageeinrichtung in der Automobilfertigung, die sieben Tage die Woche, täglich 24 Stunden lang eine Last von 100 Kilonewton bewegen muss, würde das Produkt – gemäß der Ermüdungsausfall-Analyse und statistisch erwartbaren Lebensdauer – drei bis vier Monate halten. Die Nutzung eines Schwerlast-Kugelgewindetriebs würde die Tragzahl jedoch verdoppeln und eine achtfache Lebensdauer mit sich bringen. Das heißt, Konstrukteure haben die Wahl zwischen einer höheren Tragzahl, einer längeren Lebensdauer der Baugruppe und einer Kombination der beiden Größen.

Als weiteres Beispiel eignet sich eine Spritzgussanlage, bei der 400 Kilonewton Kraft über 500 Millimeter Hubweg benötigt werden, wofür Konstrukteure üblicherweise einen Rollengewindetrieb spezifizieren würden. Diese hohe Kraft wird aber möglicherweise nur für die letzten zehn Millimeter benötigt, auf denen die Form unter Druck gesetzt wird. In diesem Fall würde die hohe Tragzahl über den gesamten Hubweg unnötig hohe Kosten generieren. Wird stattdessen ein Schwerlast-Kugelgewindetrieb eingesetzt, erhält der Konstrukteur die benötigte Kraft auf den letzten zehn Millimetern, während die zusätzlichen Faktoren der hohen Tragzahl in die verlängerte Lebensdauer der Einheit einfließen.

Eine neue Schwerlast-Lösung

Das Standardprogramm an Schwerlast-Kugelgewindetrieben von Thomson reicht bis 160 Millimetern Durchmesser mit einer maximalen dynamischen Tragzahl von 1400 Kilonewton. Hinzu kommen kundenspezifische Sonderanfertigungen nach individuellen anwendungstechnischen Anforderungen. Die Verwendung von Schwerlast-Kugelgewindetrieben in Anwendungen, die bislang Rollengewindetrieben vorbehalten waren, kann Kosten sparen und die Lebensdauer der Endprodukte verlängern. Jede neue Anwendung erfordert eine sorgfältige Analyse der Tragzahl, Produktlebensdauer und Kosten – und dabei kann es sich durchaus erweisen, dass einige Anwendungen nach wie vor für Rollengewindetriebe prädestiniert sind. Angesichts neuer technologischer Entwicklungen der Kugelgewindetriebe mit immer höheren Tragzahlen ist es jedoch sinnvoll, für jede Anwendung einen Schwerlast-Kugelgewindetrieb in Betracht zu ziehen.

Kugelgewindetrieb, Bild: Thomson
Thomson-Kugelgewindetriebe gewährleisten nach Angaben des Unternehmens einen störungsfreien, sanften Kugelumlauf für eine präzise Verstellbewegung. Bild: Thomson

Hintergrundwissen

Standard-Lebensdauerberechnung L10 eines Kugelgewinde­triebs

Lager werden häufig mit der nominellen Lebensdauer L10 spezifiziert. Damit wird die Lebensdauer bezeichnet, bei der zehn Prozent der Kugelgewindetriebe im jeweiligen Anwendungsfall erwartungsgemäß aufgrund klassischer Ermüdungsdefekte ausfallen – oder anders gesagt, bei der 90 Prozent nach wie vor funktionieren. Die Lebensdauer L10 des Kugelgewindetriebs ist ein rein theoretischer Wert und stellt möglicherweise nicht die tatsächliche Laufleistung der Baugruppe dar. Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel:

L10 = (Cam/Last)3

L10 = erwartete Lebensdauer (in Millionen Umdrehungen)
Cam = Dynamische Tragzahl des Kugelgewindetriebs