Ja, Kugelgewindetriebe können ein Spiel aufweisen. Eine nicht vorgespannte Schrauben-Mutter-Einheit kann ein Axialspiel besitzen, das bei Richtungswechsel oder umgekehrter Axiallast zu Lost Motion führt. Eine korrekt ausgelegte vorgespannte Einheit kann das durch Spiel verursachte Backlash innerhalb der spezifizierten Betriebsbedingungen eliminieren; die komplette Maschinenachse kann jedoch weiterhin einen Umkehrfehler zeigen.
Es gibt keinen pauschalen Backlash-Wert, der für jeden Kugelgewindetrieb gilt. Das Ergebnis hängt von der Schrauben-Mutter-Konfiguration, der Vorspannung, dem Zustand, der Lagerung sowie der Messmethode ab.
Für OEMs stellen sich in der Praxis folgende Fragen: Woher stammt die gemessene Bewegung, wie viel Umkehrfehler kann die Anwendung tolerieren, und was muss der Lieferant vor der Freigabe eines Modells verifizieren?
Haben Kugelgewindetriebe Spiel?
Ein Kugelgewindetrieb überträgt Axialkräfte über umlaufende Kugeln, die zwischen der Spindel und den Laufbahnen der Mutter laufen. Besteht Axialspiel in der Baugruppe, muss beim Lastwechsel zunächst dieses Spiel abgebaut werden, bevor die Kraft in Gegenrichtung übertragen wird. Thomson bezeichnet dieses innere Spiel als Ursache für Backlash bei Kugelgewindetrieben und erläutert, dass eine werkseitige Kugelauswahl oder geeignete Vorspannung den Effekt verringern oder beseitigen kann.
Die an einem Maschinentisch gemessene Bewegung lässt jedoch nicht allein auf die Schrauben-Mutter-Baugruppe schließen. Mehrere Schnittstellen können dazu beitragen:
Schrauben-Mutter-Baugruppe: internes Axialspiel, Verschleiß oder Veränderung der Vorspannung.
Lagerungen: Axialspiel, Lagerverlagerung oder Bewegung in der Wellenabstützung.
Kupplung und Antriebsverbindungen: Spiel, durchrutschende Verbindungen oder Torsionsverformung.
Muttergehäuse und Befestigungsstruktur: lose Verbindungen oder elastische Auslenkung.
Gesamte Achse: Führungsreibung, strukturelle Nachgiebigkeit und Regelverhalten können das beobachtete Umkehrverhalten beeinflussen.
Eine Spezifikation für einen „spielfreien“ Kugelgewindetrieb ist daher keine Garantie für einen null Umkehrfehler am Arbeitspunkt. Bauteilspiel und das Verhalten der eingebauten Achse erfordern getrennte Abnahmekriterien.
Backlash, Lost Motion und Positioniergenauigkeit sind nicht dasselbe
Diese Begriffe beschreiben zusammenhängende Aspekte der Bewegung, sollten in einer Spezifikation jedoch nicht synonym verwendet werden. In diesem Beitrag bezeichnet Backlash die durch Spiel bedingte Bewegung; Lost Motion beschreibt das umfassendere Verhalten beim Richtungswechsel.
Begriff | Bedeutung | Was gemessen wird | Häufige Ursachen | Worauf beim Kauf zu achten ist |
|---|---|---|---|---|
Spiel | Durch Spiel bedingte Bewegung, bevor die Kraft in Gegenrichtung übertragen wird | Relative Bewegung an einem Bauteil oder einer Schnittstelle im Rahmen eines definierten Richtungsumkehrtests | Spiel zwischen Spindel und Mutter, Spiel in der Antriebsverbindung oder Axialspiel am Lagerende | Maximales Axialspiel, Bauteilgrenze, Prüfkraft und Prüfverfahren |
Verlustbewegung | Eingangsbewegung, die bei der Umkehr nicht unmittelbar eine entsprechende Ausgangsbewegung erzeugt | Zusammenhang zwischen Antriebsinput und tatsächlicher Achsausgabe | Spiel, elastische Verformung, Reibung und weitere Umkehreffekte | Messpunkt, Last, Umkehrfolge und Kompensationsstatus |
Positioniergenauigkeit | Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Position und dem vorgegebenen Sollwert über den gesamten Arbeitsweg | Positionsabweichung an definierten Positionen | Verfahrfehler, thermische Verschiebung, Nachgiebigkeit, Ausrichtung und Rückführkonzept | Geforderte Genauigkeit über den angegebenen Hub und das Abnahmeverfahren |
Wiederholgenauigkeit | Konstanz beim Anfahren desselben Zielwerts unter definierten Bedingungen | Streuung wiederholter Positionsmessungen | Mechanische Abweichungen, Reibung, thermische Veränderungen und Regelverhalten | Einseitige oder beidseitige Prüfung, Wiederholungen und Betriebsbedingungen |
THK behandelt Steigungsgenauigkeit, Axialspiel, Steifigkeit des Vorschubsystems, thermische Verlagerungen und Orientierungsänderungen des Führungssystems als separate Einflussgrößen auf den Positionierfehler. Dadurch lässt sich die komplette Achsenanforderung zusammen mit den Komponentenspezifikationen der Kugelgewindetriebes festlegen.
Was ist die Steigung des Kugelgewindetriebs, und wie hängt sie mit dem Fehler zusammen?
Die Steigung des Kugelgewindetriebs ist der nominale Axialweg, der durch eine relative Umdrehung zwischen Spindel und Mutter erzeugt wird. Die Steigungsgenauigkeit beschreibt, wie exakt der tatsächliche Weg dem vorgegebenen Wegverhältnis entspricht.
Steigungsfehler und Spiel beantworten unterschiedliche Fragestellungen:
Der Steigungsfehler betrifft die Weggenauigkeit bei der Umsetzung von Rotation in lineare Bewegung.
Das Spiel betrifft das durch das axiale bzw. radiale Spiel bedingte Verhalten bei Bewegungs- oder Lastumkehr.
Eine Baugruppe mit geringem Spiel kann über den gesamten Hub dennoch Wegfehler aufweisen. Ebenso behebt die Wahl einer genaueren Steigungsgenauigkeitsklasse nicht automatisch ein zu großes Kupplungsspiel oder ein Problem am Stützlager. Legen Sie Steigungsgenauigkeit und Umkehrverhalten daher getrennt fest.
Eine praxisnahe Diagnosefolge
Die folgende Abfolge dient als praxisnaher Rahmen, um die Ursache des Umkehrfehlers zu ermitteln. Verwenden Sie nach Möglichkeit die Servicevorgaben des Maschinenherstellers und legen Sie das Messverfahren vor dem Vergleich der Ergebnisse eindeutig fest.
1. Wiederholbare Prüfbedingungen festlegen
Dokumentieren Sie die Achsposition, die Last, die aufgebrachte Kraft, die Temperatur, den Schmierzustand und den Einfahrzustand. Legen Sie Anfahrtrichtung, Umkehrweg, Geschwindigkeit und Beruhigungszeit fest.
Verwenden Sie ein unabhängiges Wegmessinstrument, das für die geforderte Auflösung geeignet ist. Ein Motor-Encoder allein kann nicht belegen, ob der Maschinentisch der vorgegebenen Bewegung tatsächlich gefolgt ist.
Für vergleichbare Messungen sind dieselbe Last, dieselbe Anfahrtrichtung, dieselbe Umkehrreihenfolge und derselbe Messpunkt einzuhalten. Wird das Messmittel zur Untersuchung einer anderen Schnittstelle versetzt, ist die neue Bezugsstelle eindeutig zu dokumentieren.
Sichern Sie vertikale Achsen, bevor Sie einen Antrieb oder eine Bremse lösen, und schalten Sie die Energieversorgung für eine manuelle Prüfung spannungsfrei.
2. Das Stützend prüfen
Prüfen Sie, ob sich die Spindelwelle während der definierten Umkehrprüfung axial gegenüber dem Lagergehäuse verschiebt. Kontrollieren Sie anschließend, ob sich das Lagergehäuse relativ zu seiner Befestigungsstruktur bewegt.
Bewerten Sie Lageranordnung, Wellensicherung, Zustand der Sicherungsmutter, Gehäusebefestigung und Montageunterlagen. Beurteilen Sie jede Bewegung im Kontext der freigegebenen Konstruktion: Ein Stützlager, das für die Aufnahme thermischer Längenänderungen vorgesehen ist, darf nicht so bewertet werden, als handele es sich um das Festlager.
3. Kupplung und Antriebsverbindungen prüfen
Prüfen Sie die Verbindungen zwischen Motor und Kupplung sowie zwischen Kupplung und Spindel. Achten Sie auf Anzeichen von Relativschlupf, gelockerten Klemmverbindungen oder Spiel in der Verbindung.
Unterscheiden Sie zudem zwischen Spiel und Torsionselastizität. Eine Kupplung kann die Bewegung ohne mechanisches Spiel übertragen und sich dennoch unter Drehmoment verdrehen. Ihre Eignung hängt sowohl von der geforderten Achssteifigkeit als auch von der Nennangabe zum Umkehrspiel ab.
4. Gehäuse der Mutter und Montageinterfaces prüfen
Messen Sie je nach Ausführung die Relativbewegung zwischen Mutterflansch, Muttergehäuse, Schlitten und tragender Struktur.
Die Fehlersuchanweisungen von HIWIN sehen Messungen am Wellenende, am Lagergehäuse und an den Befestigungsinterfaces der Mutter vor, um übermäßiges Spiel zu lokalisieren. Das Diagnoseprinzip besteht darin, zunächst das bewegte Interface zu identifizieren, bevor der gesamte Messwert der Kugelgewindespindel selbst zugeschrieben wird.
5. Spindel-Mutter-Einheit bewerten
Nachdem die externen Schnittstellen geprüft wurden, ist die relative Axialbewegung zwischen Spindel und Mutter mit der vom Lieferanten vorgegebenen Vorrichtung, Einspannung und Prüfkraft zu bewerten.
Eine Messung mit Kraftumkehr kann sowohl elastische Verformung als auch Spiel erfassen. Geben Sie die angelegte Kraft und den gemessenen Weg stets gemeinsam an; nicht jede gemessene Verschiebung ist als Umkehrspiel zu bewerten.
Wiederholen Sie das Verfahren nach Möglichkeit an mehreren Positionen entlang des Arbeitswegs. Positionsabhängige Ergebnisse erfordern eine Untersuchung sowohl der Spindeleinheit als auch der umliegenden Achse.
6. Installierte Achse nach der Korrektur verifizieren
Wiederholen Sie den Ausgangstest nach Behebung der ermittelten Ursache. Falls die Anwendung es erfordert, prüfen Sie am Arbeitspunkt zusätzlich die bidirektionale Positionierung und Wiederholgenauigkeit.
Für diese Prüfreihenfolge gibt es keinen allgemeingültigen Gut-/Schlechtgrenzwert. Die Abnahme muss sich nach den Anwendungsanforderungen, der freigegebenen Zeichnung, der Lieferantenspezifikation und den vereinbarten Prüfbedingungen richten.
Wann Vorspannung hilft und welchen Aufwand sie verursacht
Die Vorspannung erzeugt eine innere Last in den Kontaktflächen von Spindel und Mutter, um Axialspiel zu beseitigen und die Steifigkeit der Mutter zu erhöhen. Sie kann hilfreich sein, wenn inneres Spiel oder die Nachgiebigkeit der Kontaktflächen die Umkehrgenauigkeit begrenzen. THK weist außerdem darauf hin, dass eine zu hohe Vorspannung die Wärmeentwicklung erhöht und die Lebensdauer nachteilig beeinflussen kann.
Eine Vorspannung kann gelockerte Montageverbindungen, Kupplungsschlupf oder eine unzureichende Struktursteifigkeit nicht kompensieren.
Konfigurationsoptionen vergleichen
Nachfolgend sind etablierte Konfigurationstypen aufgeführt, wie sie in den Herstellerunterlagen beschrieben werden. Verfügbarkeit und Eignung müssen für den jeweiligen Durchmesser, die Steigung, die Mutterausführung und die Anwendung geprüft werden.
Konfiguration | Möglicher Nutzen | Wesentliche Aspekte | Lieferantenbestätigung erforderlich |
|---|---|---|---|
Nicht vorgespanntes Lagerpaket mit definierter Lagerluft | Kann sich für Anwendungen eignen, bei denen die Umkehranforderungen Lagerluft zulassen | Richtungsumkehrbewegung infolge der Lagerluft bleibt erhalten | Maximale Lagerluft und Messverfahren |
Einfachmutter mit selektierten Übermaßkugeln | Kompakte Ausführung, die die Lagerluft verringern oder eine Vorspannung erzeugen kann | Erfordert eine passende Laufbahngeometrie und eine kontrollierte Kugelselektion | Abgestimmte Montageanforderungen, Vorspannung und Laufdrehmoment |
Einfachmutter mit internem Steigungsversatz | Vorspannung innerhalb eines Mutterkörpers | Die Eignung hängt von der jeweiligen Ausführung ab | Verfügbare Ausführung, Steifigkeit und Drehmomenteigenschaften |
Doppelmutter mit fester Vorspannung | Gegensinnige Belastung kann die Lagerluft eliminieren und die Steifigkeit erhöhen | Größerer Einbauraum und kontrollierte Einstellung der Vorspannung | Mutternlänge, Vorspannverfahren und Betriebsgrenzen |
Doppelmutter mit Federvorspannung | Erzeugt über eine Federanordnung eine gegensinnige Belastung der Muttern | Das Federverhalten und die äußere Belastung beeinflussen die Leistungsfähigkeit | Nutzbarer Lastbereich, Steifigkeit und Einstellverfahren |
Diese Optionen stellen Konstruktionsalternativen dar und keine Liste bestätigter Angebote eines bestimmten Lieferanten.
Reibung, Wärmeentwicklung und Lebensdauer gemeinsam bewerten
Eine Entscheidung über die Vorspannung sollte mehr berücksichtigen als nur die anfängliche Umkehrmessung.
Zusätzliche innere Belastung beeinflusst das Laufdrehmoment und die Auslegung des Motors. Die im Betrieb entstehende Wärme kann die Temperatur der Spindel und damit ihre Länge verändern. THK nennt die Wärmeausdehnung als Ursache für Positionierfehler und empfiehlt, die Wärmeentwicklung als Teil der Genauigkeitsregelung zu beherrschen.
Auch die Vorspannung muss in die Lebensdauerberechnung des Lieferanten einbezogen werden. THK weist ausdrücklich darauf hin, dass eine vorgespannte Mutter bereits einer inneren Belastung unterliegt, die bei der Beurteilung der Lebensdauer berücksichtigt werden muss.
Bitten Sie den Lieferanten, die vorgesehene Vorspannung anhand des tatsächlichen Lastkollektivs, der Drehzahl, des Einschaltdauerschemas, der Schmierung und der thermischen Bedingungen zu bewerten. Wählen Sie die Vorspannung nicht allein deshalb, weil der höchste verfügbare Wert angefragt werden kann.
Änderungen an Kugelgröße, Distanzstücken oder der Vorspannungseinstellung sollten nach dem Verfahren des Herstellers erfolgen. Eine Konfiguration, die sich von Hand stramm anfühlt, ist kein Nachweis für zulässiges Drehmoment, eine unkritische Temperatur oder die erforderliche Lebensdauer über den gesamten Hub.
OEM-RFQ-Checkliste
Eine aussagekräftige RFQ definiert sowohl die Komponente als auch die Bedingungen, unter denen ihre Leistung abgenommen wird.
Spezifikationspunkt | Bereitzustellende Informationen |
|---|---|
Anwendung und Einbaulage | Funktion der Maschine, horizontale oder vertikale Einbaulage sowie Grund für die Umkehranforderung |
Spindeldurchmesser und Steigung | Erforderliche Nennabmessungen oder Konstruktionsvorgaben, sofern die Auslegung noch offen ist |
Hub und Länge | Nutzbarer Hub, wirksame Gewindelänge, Gesamtlänge und Bauraum |
Wellenenden | Bemaßte Lagersitze, Schultern, Gewinde, Kupplungsschnittstellen und Toleranzen |
Abstützanordnung | Festlager- und Loslagerfunktion, Lageranordnung sowie die zugehörigen Abstützungszeichnungen |
Nutmutter-Ausführung | Flansch- oder zylindrische Ausführung, Einbaumaße, Ausrichtung und Platzbeschränkungen |
Belastungen | Axialkräfte in beide Richtungen, Spitzenlasten, Stöße, Beschleunigung und Lastkollektiv |
Drehzahl | Lineargeschwindigkeit, Spindeldrehzahl, Beschleunigung und Betriebszyklus |
Zielwert für das Umkehrspielverhalten | Zulässiges maximales Umkehrspiel, Messpunkt, aufgebrachte Last und Prüfablauf |
Axiales Spiel der Komponente | Erforderlicher Spiel- oder Vorspannungszustand, getrennt vom Umkehrspiel der eingebauten Achse angegeben |
Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit | Erforderliche Verfahrgenauigkeit sowie unidirektionale oder bidirektionale Wiederholgenauigkeit über den Arbeitsweg |
Vorspannungsvorschlag | Lieferantenempfehlung, Vorspannungsmethode und Annahmen zur Anwendung |
Drehmomentanforderungen | Zulässiges Anlauf- und Betriebsdrehmoment, Drehmomentschwankungen und Messbedingungen |
Betriebsumgebung | Temperatur, Verschmutzung, Kühlschmierstoffeinwirkung, Korrosionsrisiken und Schutzanforderungen |
Schmierung und Lebensdauer | Schmierstoff, Wartungsintervall und angestrebte Betriebslebensdauer |
Stückzahl | Stückzahl für Prototypen, Losgröße der Serienfertigung und erwarteter Jahresbedarf |
Zeichnungskontrolle | Zeichnungsnummer, Revisionsstand, Maßeinheiten und referenzierte Spezifikationsausgaben |
Prüfunterlagen | Erforderliche Berichte zu Maßhaltigkeit, Laufgenauigkeit, Spiel oder Drehmoment |
Eine rückverfolgbare Modellvorschlag verlangen
Bitten Sie den Lieferanten, eine eindeutige Teilenummer oder eine freigegebene kundenspezifische Baugruppenbezeichnung zurückzumelden, die der eingereichten Zeichnungsrevision zugeordnet ist.
Der Vorschlag sollte die Schrauben-Mutter-Konfiguration, die Vorgabe zu Spiel oder Vorspannung, die Betriebsannahmen und das Prüfverfahren eindeutig benennen. Jede Abweichung von der Anfrage muss ausdrücklich angegeben werden.
Bei einer Anfrage an LILY Bearing, fügen Sie die ausgefüllte Checkliste, die aktuelle Zeichnung und alle vorhandenen Messprotokolle bei. Fordern Sie vor der Auftragsfreigabe die Bestätigung eines geeigneten Modells und seiner zugesicherten Leistungsfähigkeit an. Die verfügbaren Vorspannungsvarianten, Abmessungen und Lieferbedingungen der angebotenen Baugruppe sollten geprüft werden.
Ziel der Beschaffung ist eine nachvollziehbare Spezifikation, die Komponentenspiel, eingebautes Achs-Lost Motion und die Anwendungsbedingungen miteinander verknüpft. So erhalten Konstruktion und Einkauf eine belastbare Grundlage, um Angebote zu vergleichen und die fertige Baugruppe abzunehmen.
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