Analyse des Bewegungsprinzips und Auswahlhilfe für Trapezgewindespindeln

In der industriellen Automatisierung und bei Präzisionsmaschinen bilden Trapezgewindespindeln den Kern des Übertragungsmechanismus für die Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen und beeinflussen somit maßgeblich die Genauigkeit und Stabilität der Anlagen. Häufig kommt es jedoch aufgrund mangelnden Verständnisses der Funktionsprinzipien und falscher Auswahl zu geringerer Anlageneffizienz und verkürzter Lebensdauer. Dieser Artikel erläutert das Funktionsprinzip von Trapezgewindespindeln und bietet eine praktische Auswahlhilfe.

I. Produktbewegungsprinzip und zugehörige Parameter

1. Bewegungsprinzip: Die trapezförmige Gewindespindel wandelt durch das Ineinandergreifen von Spindel und Mutter eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung um und überträgt dabei gleichzeitig Energie und Leistung.

II. Produktmerkmale

1. Einfache Struktur, bequeme Verarbeitung und Bedienung sowie wirtschaftliche Kosten;

2. Die Selbsthemmungsfunktion wird erreicht, wenn der Gewindesteigungswinkel kleiner als der Reibungswinkel ist;

3. Reibungsloser und stabiler Übertragungsprozess;

4. Relativ hoher Reibungswiderstand, mit einem Übertragungswirkungsgrad im Bereich von 0,3 bis 0,7. Im Selbsthemmungsmodus liegt der Wirkungsgrad unter 0,4;

5. Besitzt eine gewisse Stoß- und Vibrationsfestigkeit;

6. Die Gesamttragfähigkeit ist höher als die von gewöhnlichen Wälzspindeln.

III. Auswahl- und Verifizierungsberechnungen

Bei Schrauben zur allgemeinen Kraftübertragung sind die Hauptausfallarten Verschleiß der Gewindeoberfläche, Bruch unter Zugspannung, Abscheren sowie Abscheren oder Biegen am Gewindegrund. Daher werden die Hauptabmessungen des Schraubenantriebs bei der Konstruktion primär auf Basis von Verschleißfestigkeits- und Festigkeitsberechnungen bestimmt.

Bei Gewindespindeln ist die häufigste Ausfallursache übermäßiges Spiel aufgrund von Verschleiß oder Verformung, was zu einer verringerten Bewegungsgenauigkeit führt. Daher sollten die Hauptabmessungen des Spindelantriebs bereits bei der Konstruktion anhand der Gewindeverschleißfestigkeit und der Spindelsteifigkeit berechnet werden. Wird die Gewindespindel zusätzlich einer hohen axialen Belastung ausgesetzt, muss ihre Festigkeit gesondert berechnet werden.

Lange Schrauben (Schlankheitsgrad über 40), die nicht manuell verstellbar sind, können seitliche Vibrationen verursachen; daher muss ihre kritische Drehzahl überprüft werden.

IV. Vorsichtsmaßnahmen bei der Anwendung

1. Lastüberlegungen: Zusätzliche Radiallasten sollten möglichst vermieden werden, da solche Lasten leicht zu Funktionsstörungen der Schraube, erhöhtem Verschleiß und Blockierungen führen können.

2. Anforderungen an die Staubvermeidung: Es muss verhindert werden, dass Fremdkörper in das Gewinde gelangen. Falls unter Betriebsbedingungen leicht Verunreinigungen wie Eisenspäne, Zinnschlacke und Aluminiumspäne entstehen, sollte eine Schutzabdeckung installiert werden, um zu verhindern, dass Fremdkörper in das Gewinde gelangen und dadurch übermäßigen Verschleiß oder Blockierungen verursachen.

3. Anforderung an das Schlankheitsverhältnis: Überschreitet das Schlankheitsverhältnis einen bestimmten Bereich (60 oder höher), verbiegt sich die Spindel aufgrund ihres Eigengewichts, was zu einer radialen, außermittigen Belastung der Mutter führt. Abhängig von der tatsächlichen Drehzahl und dem Drehmoment kann dies zu abnormalem Verschleiß, Blockieren, Verbiegen der Spindelenden oder sogar zum Bruch führen. Um dieses Problem zu beheben, kann eine Rundlaufsicherung in der Spindelmitte installiert werden.

4. Bei der Montage ist auf die Koaxialität und die Nivellierungskalibrierung der Feststützmontage zu achten; bei der einseitig freitragenden Kragarmkonstruktion ist auf die Einhaltung der Schaftendtoleranzen sowie auf die Verriegelung und Verstärkung des Kopfes zu achten.

5. Bei der Montage einer Trapezgewindespindel muss der Rundlauf geprüft werden. Steht kein geeignetes Messgerät zur Verfügung, kann die Spindel vor der Montage des Antriebsteils ein- oder mehrmals von Hand über ihre gesamte Länge gedreht werden. Ist die zum Drehen des Außendurchmessers der Spindel erforderliche Kraft ungleichmäßig und treten Verschleißspuren auf, deutet dies auf eine fehlerhafte Ausrichtung von Gewindespindel, Mutterhalterung und Führungsschiene hin. In diesem Fall sind zunächst die entsprechenden Befestigungsschrauben zu lösen und die Gewindespindel anschließend einmal von Hand zu drehen. Ist die erforderliche Kraft nun gleichmäßig, können die entsprechenden Komponenten neu kalibriert werden. Bleibt die Kraft ungleichmäßig, müssen die Befestigungsschrauben erneut gelöst werden, um die Position des Kalibrierungsfehlers zu ermitteln.