Kugelgewindetriebe & Zubehör www.hiwin.de
HIWIN GmbH Brücklesbünd 2 D-77654 Offenburg Telefon +49 (0) 7 81 9 32 78-0 Telefax +49 (0) 7 81 9 32 78-90 info@hiwin.de www.hiwin.de Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck, auch auszugsweise, ist ohne unsere Genehmigung nicht gestattet. Anmerkung: Die technischen Daten in diesem Katalog können ohne Vorankündigung geändert werden.
Willkommen bei HIWIN Kugelgewindetriebe, auch Kugelumlaufspindeln genannt, bestehen aus einer Kugelgewindespindel, einer Kugelgewinde-Mutter, in der die Kugeln integriert sind, sowie der Kugel-Rückführung. Kugelgewindetriebe sind die am häufigsten eingesetzten Gewindespindeln in Industrie- und Präzisionsmaschinen. Sie dienen zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung bzw. umgekehrt. Dabei zeichnen sie sich durch hohe Genauigkeit bei einem hohen Wirkungsgrad aus. HIWIN bietet eine große Auswahl an Kugelgewindetrieben für Ihre jeweilige Applikation an. HIWIN Kugelgewindetriebe zeichnen sich durch reibungsarmen und exakten Lauf aus, benötigen ein geringes Antriebsmoment und bieten hohe Steifigkeit bei ruhigem Lauf. HIWIN Kugelgewindetriebe in gerollter, gewirbelter und geschliffener Ausführung, für jeden Anwendungsfall das optimale Produkt. HIWIN verfügt über modernste Produktionsanlagen, hoch qualifizierte Ingenieure, qualitätsgesicherte Herstellung und Montage und verwendet nur hochwertige Materialien, um Ihren Ansprüchen gerecht zu werden. Dieser Katalog bietet Ihnen technische Informationen und unterstützt Sie bei der Auswahl der passenden Kugelgewindetriebe für Ihre Applikation.
Kugelgewindetriebe Wir machen linearen Fortschritt bezahlbar Inhalt 1. Einführung 2. Technologische Merkmale der HIWIN Kugelgewindetriebe 2.1 Charakteristik der HIWIN Kugelgewindetriebe 2 2.2 Einsatzbereiche für Kugelgewindetriebe 4 3. Klassifizierung der Standard-Kugelgewindetriebe 3.1 Standard-Kugelgewindetriebe 5 3.2 Aufbau der Muttern 5 3.3 Spindelenden und Lagerkonfiguration 7 4. Konstruktive Eigenschaften und Auswahl von HIWIN Kugelgewindetrieben 4.1 Grundsätzliche Hinweise zu Auswahl und Montage 8 4.2 Vorgehensweise bei der Auswahl eines Kugelgewindetriebes 10 4.3 Genauigkeitsgrad der HIWIN-Kugelgewindetriebe 11 4.4 HIWIN Vorspannungsarten 17 4.5 Berechnungsformeln 20 4.6 Auswirkungen von Temperaturerhöhung 34 4.7 Schmierung 35 5. Technische Daten 5.1 HIWIN Bestell-Schlüssel 37 6. Präzisionsgeschliffene Kugelgewindetriebe 6.1 Geschliffene Kugelgewindetriebe 38
7. Gerollte Kugelgewindetriebe von HIWIN 7.1 Einleitung 122 7.2 Präzisionsgerollte Kugelgewindetriebe 122 7.3 Hochpräzisions-gerollte Kugelgewindetriebe 122 8. Gewirbelte Kugelgewindetriebe 8.1.Gewirbelte Kugelgewindetriebe 133 9. Antreibbare Muttereinheit 9.1 Baureihe R1 mit integriertem Lager 138 9.2 Baureihe AME 139 10. Kugelgewindetriebe für Anwendungen mit hoher Vorschubgeschwindigkeit (hoher Dm-N-Wert) 10.1 Einsatzbereiche 140 10.2 Leistungsmerkmale 141 13. Zubehör 13.1 Gehäuse für Flanschmuttern 147 13.2 Spindellagerungen Festlager 148 13.3 Spindellagerungen Loslager 150 13.4 Axial-Schrägkugellager 152 13.5 HIR-Nutmuttern radiale Klemmung 158 13.6 HIA-Nutmuttern axiale Klemmung 159 14. Weitere Informationen 14.1 Fehlersuche und -behebung 160 14.2 Fehler: Ursachen und Vorbeugung 160 14.3 Grund für abnormales Spiel feststellen 162 15. Projektierungsblatt 15.1 Projektierungsblatt 163 11. Gekühlte Kugelgewindetriebe 11.1 Typ I mit sehr hohem Dm-N-Wert 142 11.2 Gekühlte Kugelgewindetriebe II für große Lasten 144 12. Kugelgewindetriebe für Schwerlast-Betrieb 12.1 Einsatzbereiche 146 12.2 Leistungsmerkmale = Vorzugstypen: Schnelle Lieferzeiten VORZUGS TYP
Kugelgewindetriebe Technologische Merkmale 2. Technologische Merkmale der HIWIN Kugelgewindetriebe 2.1 Charakteristik der HIWIN Kugelgewindetriebe Der Einsatz von HIWIN Kugelgewindetrieben bietet viele Vorteile, darunter einen hohen Wirkungsgrad, Umkehrbetrieb, Axialspielfreiheit, hohe Steifigkeit, hohe Steigungsgenauigkeit und vieles weitere. Verglichen mit einem herkömmlichen Trapezgewindetrieb (siehe Abbildung 2.1) verfügt der Kugelgewindetrieb zusätzlich über Kugeln, die sich zwischen Gewindespindel und Gewindemutter befinden. Die Gleitreibung des Trapezgewindetriebes wird durch die Rollbewegung der Kugeln ersetzt. Die charakteristischen Eigenschaften und die daraus resultierenden Vorteile der HIWIN Kugelgewindetriebe werden im Folgenden detaillierter beschrieben: Abb. 2.1: Aufbau eines Kugelgewindetriebes und eines Trapezgewindetriebes Kugelgewindetrieb Trapezgewindetrieb 2.1.1 Hoher Wirkungsgrad in beide Richtungen Kugelgewindetriebe können dank des Rollkontaktes zwischen Spindel und Mutter einen Wirkungsgrad von bis zu 90 % erreichen. Dadurch beträgt das erforderliche Drehmoment eines Kugelgewindetrieb nur etwa ein Drittel von dem eines herkömmlichen Gewindetriebes. Abbildung 2.2 zeigt anschaulich den deutlich höheren mechanischen Wirkungsgrad eines Kugelgewindetriebes im Vergleich zu dem eines herkömmlichen Gewindetriebes. Abb. 2.2 Mechanischer Wirkungsgrad von Gewindespindeln Die besondere Oberflächenbehandlung der Kugellaufbahnen in den HIWIN Kugelgewindetrieben reduziert den Reibungswiderstand zwischen Kugel und ihrer Laufbahn. Durch die hochwertige Oberfläche und die Rollbewegung der Kugeln wird die Reibung reduziert und damit der Wirkungsgrad der Kugelgewindetriebe deutlich erhöht. Dank des hohen Wirkungsgrades ist nur ein geringes Antriebsdrehmoment für die Rollbewegung der Kugeln nötig. Die so verringerte erforderliche Antriebsleistung reduziert damit auch die Betriebskosten. HIWIN verfügt über umfangreiche Prüfeinrichtungen und verfahren, um den Wirkungsgrad sicherzustellen. 2
2.1.2 Spielfreiheit und hohe Steifigkeit CNC-Werkzeugmaschinen benötigen spielfreie Kugelgewindetriebe mit hoher Steifigkeit. Das von uns verwendete Spitzbogenprofil für Kugelgewindespindel und Kugelgewindemutter ermöglicht eine axialspielfreie Montage der Kugelgewindemutter. Für hohe Gesamt-Steifigkeit und Wiederholbarkeit, die in CNC-Maschinen erforderlich sind, wird üblicherweise eine Vorspannung eingesetzt. Allerdings führt eine übermäßige Vorspannung zu einem erhöhten Reibungsmoment während des Betriebes. Diese Reibung erzeugt Wärme und verringert die Lebensdauer des Gewindetriebes. Mit speziellen Entwicklungs- und Herstellungsverfahren gelingt es uns, optimierte spielfreie Kugelgewindetriebe mit geringer Eigenerwärmung herzustellen. Abb.2.3: Typische Kontaktarten in Kugelgewindetrieben (Kreisbogenprofil, Spitzbogenprofil-Typ) 2.1.3 Hohe Steigungsgenauigkeit Für Anwendungen, die höchste Genauigkeit erfordern, erfüllt unsere Fertigung die Anforderungen von ISO-, JIS- und DIN-Normen; wir fertigen aber auch nach Kundenspezifikation. Die Genauigkeit wird durch die Überprüfung mit unseren Laser-Messsystemen garantiert und für den Kunden dokumentiert. 2.1.4 Zuverlässige Lebensdauer Während bei herkömmlichen Gewindetrieben die Nutzungsdauer von der Abnutzung der Kontaktoberflächen bestimmt ist, können HIWIN Kugelgewindetriebe praktisch bis zur Ermüdungslebensdauer des Metalls eingesetzt werden. Dank größter Sorgfalt bei Entwicklung, Materialauswahl, Wärmebehandlung und Herstellung haben HIWIN Kugelgewindetriebe ihre Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit während ihrer nominellen Lebensdauer unter Beweis gestellt. Die Nutzungsdauer hängt bei jeder Art von Kugelgewindetrieben von mehreren Einflussfaktoren ab, darunter Konstruktionsaspekte, Materialqualität, Wartung und als Hauptfaktor die dynamische Tragzahl (C). Profilgenauigkeit, Materialeigenschaften und die Oberflächenhärte sind die grundlegenden Faktoren, die die dynamische Tragzahl beeinflussen. 2.1.5 Geringes Losbrechmoment bei ruhigem Lauf Bedingt durch die Metall/Metall-Gleitreibung benötigen herkömmliche Gewindetriebe hohe Losbrechmomente, um das Reibmoment zu überwinden. Die Rollreibung der Kugeln in Kugelgewindetrieben erfordert nur ein sehr geringes Losbrechmoment. Zur Erreichung exakter Kugellaufbahnen verwendet HIWIN eine spezielle Bauart (Anpassungsfaktor) und besondere Produktionsverfahren. Damit wird garantiert, dass das Antriebsdrehmoment des Motors im erforderlichen Bereich liegt. In einem besonderen Verfahrensschritt kann bei HIWIN während der Herstellung jede einzelne Kugellaufbahn auf ihr Profil hin überprüft werden. Eine Beispiel-Protokoll dieser Prüfung ist in Abbildung 2.4 dargestellt. Mit Hilfe von Computer-Messanlagen wird bei HIWIN das Reibmoment jedes Kugelgewindetriebes genauestens erfasst und belegt. Abbildung 2.5 zeigt einen typischen Drehmomentverlauf über den Weg. Abb. 2.4: Überprüfung des Kugellaufbahn-Profils bei HIWIN Abb. 2.5: Überprüfung der Vorspannung bei HIWIN Projekt: SH Messmethode: X pitch Typ: 001h-2-3 Radius Messwertaufnehmer: 0.0256 mm Chargen-Nr.: 201536 horizontale Streckung: 20.0000 Bearbeiter: L.J.F. vertikale Streckung: 20.0000 Bemerkungen: Messweg: 7.0000 mm Messauflösung: 0.0030 mm Nr. aktuelles Codesymbol 32 292 X: 0.1816 mm Z: 0.1980 mm RC: 3.4438 mm 32 292 X: -0.1911 mm Z: 0.2022 mm RC: 3.4532 mm 32 292 X: -2.1464 mm Z: -2.3399 mm RC: -42.5259 mm 32 292 X: 2.1799 mm Z: -2.3084 mm RC: 43.3615 mm 32 292 X: -0.0000 mm Z: -0.0000 mm RC: 3.1750 mm 3
Kugelgewindetriebe Technologische Merkmale 2.1.6 Geräuscharmut Geringe Geräuschentwicklung ist für hochwertige Werkzeugmaschinen auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten und unter hoher Last erforderlich. HIWIN Kugelgewindetriebe erfüllen diese Anforderungen dank hochwertiger Rückführungssysteme, der besonderen Bauart der Kugellaufbahn, ausgereifter Montageverfahren und sorgfältiger Oberflächen- und Maßprüfung. 2.1.7 Kurze Lieferzeiten Durch schnelle Produktionslinien und Logistik bietet HIWIN kurze Lieferzeiten. 2.2 Einsatzbereiche für Kugelgewindetriebe Typische Einsatzbereiche für HIWIN Kugelgewindetriebe sind im Folgenden genannt; die jeweils erforderliche Genauigkeitsklasse finden Sie in Tabelle 4.5. 1. CNC-Maschinen: CNC Bearbeitungszentren, CNC-Drehmaschinen, CNC- Metallverarbeitungsmaschinen, CNC-Erodiermaschinen, CNC-Schleifmaschinen, Holzverarbeitungsmaschinen, Bohrmaschinen, Sondermaschinen 2. Präzisionsmaschinen: Fräsmaschinen, Schleifmaschinen, Erodiermaschinen, Werkzeugschleifmaschinen, Zahnradschleifmaschinen, Bohrmaschinen, Hobelmaschinen etc. 3. Industriemaschinen: Druckmaschinen, Papierverarbeitungsmaschinen, Automatisierungsanlagen, Textilmaschinen, Tiefziehmaschinen etc. 4. Elektronikanlagen: Roboter-Messeinrichtungen, X-Y-Tische, medizinische Einrichtungen, Bestückungsautomaten, Halbleiter-Herstellung, Anlagenautomatisierung etc. 5. Flugzeugindustrie: Flugzeugklappen, Schubumkehrvorrichtungen, Ladesysteme auf Flughäfen, Raketenleitwerke 6. Sonstiges: Antennen-Verstelleinrichtungen, Ventilbetätigung 4
3. Klassifizierung der Standard-Kugelgewindetriebe 3.1 Standard-Kugelgewindetriebe HIWIN Standard-Kugelgewindetriebe decken die Anforderungen der meisten Anwendungen ab. Auf Anfrage sind auch Kugelgewindetriebe mit großer Steigung, Miniatur-Kugelgewindetriebe oder andere spezielle Kugelgewindetriebe lieferbar. Tabelle 3.1 zeigt eine Übersicht der lieferbaren HIWIN-Kugelgewindetriebe. 3.2 Aufbau der Muttern 3.2.1 Kugelrückführungs-Systeme HIWIN Kugelgewindetriebe sind mit drei verschiedenen Ausführungen der Rückführungssysteme erhältlich. Eines davon, das so genannte externe Rückführungssystem, besteht aus der Kugelgewindespindel, der Kugelgewindemutter, den Stahlkugeln, dem Kugelrücklauf und der Spannplatte. Die Kugeln werden in die Kugellaufbahn zwischen Kugelgewindespindel und Kugelgewindemutter eingebracht. Am Ende der Mutter werden sie aus der Kugellaufbahn geleitet und über einen Rücklauf zurück an den Anfang gebracht; damit bildet der Kugelumlauf einen geschlossenen Kreis. Abb. 3.1: Kugelgewindemutter mit externer Kugelrückführung Da sich der Rücklauf außerhalb des Mutternkörpers befindet, wird diese Art der Rückführung externes Rückführungssystem genannt (siehe Abbildung 3.1). Das so genannte interne Rückführungssystem besteht aus der Kugelgewindespindel, der Kugelgewindemutter, den Stahlkugeln und den Umlenkstücken. Die Kugeln führen nur einen Umlauf um die Spindel aus. Der Umlauf wird durch eine Umlenkstück in der Kugelgewindemutter geschlossen und erlaubt es den Kugeln, über den Gewinderücken zurück zum Anfang zu gelangen. Abb. 3.2: Kugelgewindemutter mit internem Kugelrücklauf Die Positionierung der Kugelumlenkung in der Mutter gibt dem internen Rückführungssystem seinen Namen. Der dritte Rückführungstyp ist das Endkappen-Rückführungssystem in Abbildung 3.3. Das grundsätzliche Prinzip entspricht dem der externen Rückführung, allerdings werden die Kugeln durch einen Kanal in der Kugelgewindemutter zurückgeführt. Die Kugel führen einen kompletten Lauf in der Kugelgewindemutter durch. Die Endkappenrückführung oder interne Gesamtumlenkung bietet hohe Tragfähigkeit bei kurzen Bahnlängen und kleinen Mutterdurchmessern. Abb. 3.3: Kugelgewindemutter mit Endkappen-Rückführungssystem Tabelle 3.1: HIWIN-Standard-Kugelgewindespindeln und Steigung, Ausf. Miniatur Regulär Hohe Steigung Sehr hohe Steigung Steig./Ø 1 1,5 2 2,5 3 3,175 4 4,23 5 5,08 6 6,35 8 10 12 12,7 16 20 24 25 25,4 32 40 50 6 G G G 8 G G GR GR R G 10 G G GR GR R GR R G 12 G GR GR R GR GR R G R 14 R R R R 15 R GR GR 16 GR GR GR GRW GR G GR GR G 20 G GR GR GRW GR GRW R GR G GR G 22 G G 25 G GR GRW GR GW G GRW GRW G G G GR G 28 G GR G GR G G R 32 G GR GRW GR GRW G GRW GRW G G GRW G G G 36 GR R GR GR GR GR R 40 G G G GRW GR GRW G GRW GRW GRW G G GRW G G G 45 G G GR GR R 50 GRW G GR G GW GRW GRW G R GRW G GR GR 55 G GR G G 63 G GW GRW GW G GR GRW G GR G 70 G G G 80 GW G G G GW 100 G G G G: Präzisionsgeschliffene Kugelgewindetriebe, Rechts- oder Linksgewinde lieferbar W: Gewirbelte Kugelgewindetriebe, teilweise auch in Linksgewinde lieferbar R: Gerollte Kugelgewindetriebe, teilweise auch in Linksgewinde lieferbar Einheit: mm 5
Kugelgewindetriebe Klassifikation der Standart-Kugelgewindetriebe 3.2.2 Ausführungen von Kugelgewindemuttern Flansch-Ausführung (F) Zylindrische-Ausführung (R) Einzelmutter (S) Doppelmutter (D) Einzelmutter (S) Doppelmutter (D) Interner Rücklauf (I) Externer Rücklauf Endkappen-Rückführungssystem (H) Kassetten-Rück- Internes-Rück- Externes-Rück- Endkappen-Rückführungssystem (H) Kassetten-Rück- führungssystem führungssystem (I) führungssystem führungssystem Rücklauf innerhalb des Mutterndurchmessers (W) Rücklauf außerhalb des Mutterndurchmessers (V) Rücklauf innerhalb des Mutterndurchmessers (W) Rücklauf außerhalb des Mutterndurchmessers (V)» Weitere Kugelgewindemutter-Ausführungen nach Kundenspezifizierung Beispiele: RDI = zylindrische Ausführung, Doppelmutter mit internem Kugelrücklauf FSW = Flanschausführung, Einzelmutter mit externem Kugelrücklauf innerhalb des Mutterndurchmessers DFSV = Zwei Kugelrückführungen, Flansch-Ausführung, Einzelmutter mit externem Rücklauf außerhalb des Mutterndurchmessers 3.2.3 Anzahl der Kugelumläufe Die Anzahl der Kugelumläufe innerhalb der Kugelgewindemutter wird bei HIWIN mit folgender Nomenklatur bezeichnet: Für die externe Kugelrückführung: A: 1,5 Umdrehungen je Kugelumlauf B: 2,5 Umdrehungen je Kugelumlauf C: 3,5 Umdrehungen je Kugelumlauf D: 4,5 Umdrehungen je Kugelumlauf E: 5,5 Umdrehungen je Kugelumlauf Für die interne Kugelrückführung: T: 1 Umdrehung per Kreislauf Für die Endkappen-Rückführung: U: 2,8 Umdrehungen je Kugelumlauf S: 1,8 Umdrehungen je Kugelumlauf V: 0,7 Umdrehungen je Kugelumlauf Beispiel: B2 = zwei externe Rückführungskreisläufe, jeder davon mit 2,5 Umdrehungen T3 = drei interne Rückführungskreisläufe, jeder davon mit maximal einer Umdrehung S4 = vier interne Rückführungskreisläufe, jeder davon mit 1,8 Umdrehungen HIWIN empfiehlt für die Umläufe folgende Werte: für den externen Rücklauf zwei Umläufe mit jeweils 2,5 oder 3,5 Umdrehungen (= B2 oder C2) und für den internen Rücklauf drei, vier oder sechs Umläufe. Die Abbildungen 3.4, 3.5 und 3.6 zeigen die entsprechenden Kugelrückführsysteme. Für die Endkappen-Rückführung: K:1 Umdrehung je Kugelumlauf Abb. 3.4: Umlauf für den externen Kugelrücklauf Abb. 3.5: Umlauf für den internen Kugelrücklauf Abb. 3.6: Umlauf für Kassetten-Rückführsystem 6
3.3 Spindelenden und Lagerkonfiguration Montagearten Für die Steifigkeit, die kritische Drehzahl und die Knicklast ist die Einbauart und die Lagerung der Kugelgewindespindeln entscheidend. Dieser Umstand muss sorgfältig bei der Auswahl der Montageart berücksichtigt werden. Standard-Spindelenden Type S1 Type S4 Schrägkugellager Kurzzeichen 72.. oder 73.. Einzeln oder Tandem Rillenkugellager 60.. oder 62.. Nadel-Axial-Rillenkugellager NAXK oder Nadel-Axial-Zylinderrollenlager NAXR Lagersitze gehärtet (bitte angeben) Type S2 Type S5 Lager ZKLF.., ZKLN.. Rillenkugellager 62.. Type S3 Lager ZKLF.., ZKLN.. Type S7 Bezeichnung eines Spindelendes Typ S3 mit dem Paßsitzdurchmesser D1=10: S3-10 Die Bearbeitung der Spindelenden führen wir selbstverständlich auch nach Ihren Zeichnungen und individuellen Wünschen aus. Spindelende Typ KGT Nenn Ø D1 D2 D3 L1 L2 L3 L4 L5 L7 L11 L12 L13 L14 L15 DE LE LA LP LZ B x T S_-06 12 6 M6x0,5 5 j6 31 37 - - 8 - - - - - 6 5,7 h10 0,8 26-16 - S_-10 16 10 M10x0,75 8 j6 39 50 30 120 12 62 53 12 55 97 9 9,6 h10 1,1 32 14 20 2x1,2 S_-12 20 12 M12x1 10 j6 43 58 35 128 13 73 63 12 59 104 10 11,5 h11 1,1 35 16 23 3x1,8 S_-17 25 17 M17x1 14 j6 60 73 43 180 15 100 88 20 78 152 12 16,2 h11 1,1 50 20 30 5x3 S_-20 (25),32 20 M20x1 14 j6 62 76 46 195 17 117 103 20 80 165 14 19 h12 1,3 50 20 30 5x3 S_-25 (32),40 25 M25x1,5 20 j6 83 96 46 230 19 144 129 20 104 196 15 23,9 h12 1,3 71 36 50 6x3,5 S_-30 40 30 M30x1,5 25 j6 95 108 48 270 20 170 154 22 120 232 16 28,6 h12 1,6 82 45 60 8x4 S_-40 50 40 M40x1,5 32 k6 119 135 55 355 22 202 184 24 150 309 18 37,5 h12 1,85 104 56 80 10x5 S_-50 63 50 M50x1,5 40 k6 142 155 55 450 25 245 225 24 178 396 20 47 h12 2,15 124 70 100 12x5 S_-60 80 60 M60x2 50 k6 155 177 67 550 28 310 288 25 202 484 22 57 h12 2,15 135 70 110 14x5, 7
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl 4. Konstruktive Eigenschaften und Auswahl von HIWIN Kugelgewindetrieben 4.1 Grundsätzliche Hinweise zur Auswahl und Montage 1. Kugelgewindetriebe müssen sorgfältig mit Waschbenzin und Öl gereinigt werden, um sie vor Korrosion zu schützen. Trichlorethylen ist ein geeignetes Entfettungsmittel, um die Kugellaufbahn vor Verunreinigungen und Beschädigung zu schützen; Paraffin ist dazu nicht ausreichend. Beschädigungen der Kugellaufbahn durch spitze Gegenstände müssen unbedingt vermieden werden. Ebenso dürfen keine Metallpartikel in die Kugelbahn gelangen (Abb. 4.1). 2. Wählen Sie einen geeigneten Kugelgewindetrieb für Ihre Applikation aus (siehe Tabelle 4.5). Beim Einbau müssen die jeweiligen Anforderungen beachtet werden. Dies bedeutet für präzisionsgeschliffene Kugelgewindetriebe bei CNC-Maschinen die sorgfältige Ausrichtung und die entsprechende Einbauart; bei Anwendungen, die ein geringeres Maß an Präzision erfordern, empfehlen sich gerollte Kugelgewindetriebe, die bei der Auslegung der Einbauart und Lagerung weniger Aufwand erfordern. Besonders wichtig ist, eine achsparallele Montage von Lagergehäuse und Kugelgewindemutter; dies würde sonst zu einer ungleichen Lastverteilung führen (s. Abb. 4.2a). Zu Faktoren, die einer ungleichen Lastverteilung führen, zählen auch Radialund Momentlasten (Abb. 4.2a). Dies kann zu Funktionsbeeinträchtigungen führen und die Lebensdauer verkürzen (s. Abb. 4.2b). 3. Zur Erreichung der maximalen Lebensdauer ist der Einsatz eines geeigneten Öls oder Fettes erforderlich. Graphit- oder MoS2-haltige Additive dürfen nicht verwendet werden (s. S. 35). 4. Ölnebelbäder oder Tropfölschmierung sind zulässig, die Direktschmierung der Kugelgewindemutter wird jedoch empfohlen (s. Abb. 4.2). Abb. 4.1: Sorgfältig reinigen und schützen Abb. 4.2: Schmierung der Kugelgewindemutter Abb. 4.3: Kugelgewindemutter sorgsam behandeln Abb. 4.2a: Ungleiche Lastverteilung, verursacht durch ungenügende Ausrichtung von Stützlager und Kugelgewindemutter, fehlerhafte Auslegung der Montagefläche, falscher Winkel oder Fehler bei der Ausrichtung des Mutternflansches Abb. 4.2b: Auswirkungen auf die Lebenserwartung von Radiallast durch ungenügende Ausrichtung 8
5. Wählen Sie die passende Lagerart für die Kugelgewindespindel aus. Beim Einsatz in CNC-Maschinen werden Schrägkugellager (Winkel = 60 ) empfohlen, aufgrund ihrer höheren Axiallast-Kapazität und der Tatsache, dass spielfreier oder vorgespannter Einbau mit ihnen möglich ist. Abb. 4.4: Unterschiedliche Auslegungen der Lagerung 6. Es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um die Kugelgewindemutter am Überschreiten des Nutzwegs zu hindern (s. Abb. 4.5). Das Fahren gegen einen axialen Festanschlag führt zu Beschädigungen. Abb. 4.5: Mechanischer Anschlag, der das Überfahren des Verfahrwegwegs verhindert. 7. In Umgebungen, die stark mit Staub oder Metallabrieb belastet sind, sollten Kugelgewindetriebe mit einem Teleskop- oder Faltenbalg-Spindelschutz versehen werden (Abb. 4.6). 8. Bei der Verwendung eines internen oder eines Endkappen-Kugelrückführungssystems muss das Kugelgewinde bis zum Ende der Spindel geschnitten sein. Der Durchmesser des angrenzenden Lagerzapfens muss dabei ca. 0,5 1,0 mm geringer sein, als der Kerndurchmesser der Kugellaufbahnen (s. Abb. 4.7). Abb. 4.6: Teleskop- oder Faltenbalg-Spindelschutz Abb. 4.7: Spezielle Anforderung an den Lagerzapfen bei internem Rückführungssystem 9. Während der Oberflächenhärtung der Spindel werden an den beiden, den Lagern benachbarten Enden 2 bis 3 Gewindegänge ungehärtet belassen, um Anschlussmodifizierungen zu ermöglichen. Diese Bereiche sind mit dem Symbol in den HIWIN-Zeichnungen gekennzeichnet (s. Abb. 4.8). Bitte halten Sie Rücksprache mit HIWIN, wenn für diese Bereiche besondere Anforderungen bestehen. Abb. 4.8: Bereich der Oberflächenhärtung einer Kugelgewindespindel 10. Eine übermäßige Vorspannung führt zu einem erhöhten Reibungsmoment, das wiederum zu Erwärmung und damit einer verringerter Lebensdauer führt. Andererseits reduziert eine zu geringe Vorspannung die Steifigkeit und erhöht die Gefahr von Spiel. HIWIN empfiehlt für den Einsatz in CNC-Maschinen eine maximale Vorspannung von 8 % der dynamischen Tragzahl C. Abb. 4.9: Vorgehensweise bei der Trennung von Kugelgewindemutter und -spindel 9
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl 11. Sollte es notwendig sein, die Kugelgewindemutter von der Spindel zu demontieren, sollte ein Rohr mit einem Außendurchmesser verwendet werden, der ca. 0,2 bis 0,4 mm geringer ist als der Kerndurchmesser der Kugellaufbahnen. Das Montieren bzw. Demontieren von Mutter und Spindel erfolgt über ein Ende der Gewindespindel (s. Abb. 4.9). Abb. 4.10: Freistich zur Positionierung der Endlager 12. Das Stützlager benötigt einen Freistich, um einen exakten Sitz und eine exakte Ausrichtung zu ermöglichen (s. Abb. 4.10). HIWIN empfiehlt einen Freistich gemäß DIN 509 als Standard-Auslegung (Abb. 4.11). Bei gerollten und gewirbelten Spindeln tritt das Kugelgewinde in der Lageranlagefläche aus. In ungünstigen Fällen wird die Lageranlagefläche zu klein und ist nicht mehr ringförmig geschlossen. Ein bestimmungsgemäßer Rundlauf des Lagers ist dann nicht mehr gewährleistet. Abhilfe schafft ein kleinerer Lager-Innendurchmesser oder eine entsprechend gefertigte gewirbelte/geschliffene Spindel ohne Gewindeaustritt. Für untergeordnete Anwendungen ist auch das Aufpressen eines Stützringes möglich. Abb. 4.11: Empfohlene Freistich-Dimensionierung von A in Abb. 4.10 gemäß DIN 509 4.2 Vorgehensweise bei der Auswahl eines Kugelgewindetriebes Tabelle 4.1 zeigt die Vorgehensweise bei der Auswahl eines Kugelgewindetriebes. Anhand der Einsatz-Anforderungen (A) können die notwendigen Parameter des Kugelgewindetriebes (B) bestimmt werden. So kann Schritt für Schritt unter Verwendung der Hinweise (C) der für die Applikation passende Kugelgewindetrieb bestimmt werden. Tabelle 4.1: Vorgehensweise bei der Auswahl eines Kugelgewindetriebes Schritt Einsatz-Anforderung (A) Parameter Kugelgewindetrieb (B) Referenz / siehe auch (C) 1 Positioniergenauigkeit Steigungsgenauigkeit Tabelle 5.2 2 1 Max. Drehzahl des Gleichstrommotors (Nmax) 2 Eilganggeschwindigkeit (Vmax) Steigung des Gewindetriebes l =. 3 Gesamtlänge des Verfahrweges Gesamtlänge des Gewindes Gesamtlänge = Gewindelänge + Länge des Lagerzapfens Gewindelänge = Verfahrweg + Länge der Mutter + 100 mm (ungenutzter Weg) 4 1 Lastbedingungen (%) 2 Drehzahlbedingungen (%) (<= 1/5 C empfohlen) Durchschnittliche Axiallast Durchschnittliche Drehzahl 5 Durchschnittliche Axialkraft Vorspannung M1 6 1 Nominelle Lebensdauer 2 Durchschnittliche Axiallast 3 Durchschnittliche Drehzahl Dynamische Tragzahl M13 ~ M14 7 1 Dynamische Tragzahl 2 Steigung des Kugelgewindetriebes 3 Kritische Drehzahl 4 Drehzahlbegrenzung durch den Dm-N-Wert 8 1 Durchmesser Kugelgewindetrieb 2 Mutterntyp 3 Vorspannung 4 Dynamische Tragzahl 9 1 Umgebungstemperatur 2 Länge des Kugelgewindetriebes 10 1 Steifigkeit der Spindel 2 Thermische Verformung 11 1 Max. Tischgeschwindigkeit 2 Max. Anfahrzeit 3 Auslegung des Kugelgewindetriebes 10 Spindeldurchmesser und Mutterntyp Steifigkeit Thermische Verformung und Endwert der kumulativen Steigung (T) Vorspannung Motor-Antriebsmoment und Auslegung des Motors M7 ~ M10 (Berechnungs-Formeln ab Seite 19) M13 ~ M14 M34 ~ M40 M41 und 4.6 Auswirkungen von Temperaturanstieg M45 M19 ~ M28
4.3 Genauigkeitsgrad der HIWIN-Kugelgewindetriebe Präzisionsgeschliffene Kugelgewindetriebe werden dort eingesetzt, wo eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit, ein ruhiger Lauf und eine lange Lebensdauer erforderlich sind. Gerollte Kugelgewindetriebe finden ihre Anwendung dort, wo zwar die Anforderungen an die Genauigkeit nicht ganz so hoch sind, die an die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer aber genauso bestehen. Die Genauigkeit von feinstgerollten oder gewirbelten Kugelgewindetrieben liegt zwischen der von gerollten und der von präzisionsgeschliffenen Kugelgewindetrieben. Sie können durchaus bestimmte präzisionsgeschliffene Kugelgewindetriebe der gleichen Genauigkeitsklasse in vielen Anwendungen ersetzen. HIWIN stellt präzisionsgerollte und gewirbelte Kugelgewindetriebe bis zu einem Genauigkeitsgrad von C6 her (siehe Kapitel 6). Da der Außendurchmesser der Spindel bei präzisionsgerollten Kugelgewindespindeln nicht geschliffen ist, ist die Vorgehensweise bei Einbau und Inbetriebnahme eine andere als bei geschliffenen Spindeln. Kapitel 7 führt alle Angaben zu den Eigenschaften gerollter Kugelgewindespindeln auf. 4.3.1 Genauigkeitsgrad Die Anwendungsmöglichkeiten für Kugelgewindetriebe reichen vom Einsatz mit höchsten Genauigkeitsanforderungen in der Präzisionsmesstechnik oder im Flugzeugbau bis zur Verwendung als Transportgewindetrieb in der Verpackungsindustrie. Die Qualitätsund Genauigkeitsklasse wird über folgende Faktoren bestimmt: Steigungsabweichung, Oberflächenrauhigkeit, Toleranzen, Axialspiel, Reibmomentabweichungen, Wärmeerzeugung und Geräuschpegel. HIWIN Kugelgewindetriebe sind in sieben Genauigkeitsklassen eingeteilt. Im allgemeinen sind HIWIN präzisionsgeschliffene Kugelgewindetriebe über den so genannten e300-wert definiert (s. Abb. 4.12), während gerollte Kugelgewindetriebe einer anderen Bewertungsart unterliegen (s. Kapitel 7). Abb. 4-12 zeigt die gemessenen Steigungs-Verläufe des jeweiligen Genauigkeitsgrades. Abb. 4.13 enthält die gleiche Darstellung bei einer Messeinrichtung nach DIN. Anhand dieses Diagramms kann in der Tabelle 4.2 die erforderliche Toleranz und damit der benötigte Genauigkeitsgrad ermittelt werden. Abb. 4.14 zeigt die HIWIN-Messergebnisse nach DIN. Tabelle 4.2 zeigt den Genauigkeitsgrad von präzisionsgeschliffenen Kugelgewindespindeln gemäß der HIWIN-Klassifizierung. Tabelle 4.3 führt die internationalen Standards auf. Die Positioniergenauigkeit von Werkzeugmaschinen wird mit dem +-E-Wert anhand der e300-abweichung bestimmt. Der empfohlene Genauigkeitsgrad beim Einsatz in Maschinen findet sich in Tabelle 4.5. Mit dieser Tabelle kann der passenden Kugelgewindetrieb für die jeweilige Applikation ausgewählt werden. 4.3.2 Axialspiel Werden axialspielfreie Kugelgewindetriebe benötigt, sollte mit Vorspannung gearbeitet und das Vorspannungsreibmoment für Testzwecke festgelegt werden. Tabelle 4.4 zeigt das Standard-Axialspiel von HIWIN Kugelgewindetrieben. In CNC-Maschinen kann es bei Verwendung axialspielfreier Kugelgewindetriebe durch zu geringe Steifigkeit zu Spiel kommen. Halten Sie hinsichtlich der erforderlichen Steifigkeit und des Axialspiels Rücksprache mit HIWIN. Abb. 4.12: HIWIN-Messkurve der Steigung von Präzisionskugelgewindetrieben 4.3.3 Toleranzen Die Auswahl eines für die Applikation passenden Kugelgewindetriebes mit dem richtigen Genauigkeitsgrad bedarf besonderer Sorgfalt. Tabelle 4.6 und Abb. 4.15 sind hilfreich bei der Bestimmung des Toleranzfaktoren in Abhängigkeit von den erforderlichen Genauigkeitsgraden. Abb. 4.13: DIN-Messkurve der Steigung von Kugelgewindetrieben T p = Differenz zwischen Soll- und Istweg. Dieser Wert wird durch die verschiedenen Anforderungen der Anwendung beim Kunden bestimmt. E p = Maximale Istweg-Abweichung vom Sollweg über den vollen Weg. e 2 p = Wegabweichung innerhalb einer Umdrehung E a = Tatsächlicher Istweg, mit Lasermessung bestimmt e p = Istweg-Abweichung. Maximale Abweichung des gesamten Istwegs vom tatsächlichen gesamten Sollweg im entsprechenden Bereich e 300p = Istweg-Abweichung auf 300 mm. Istweg-Abweichung über 300 mm an beliebigen Positionen des Gewindes e oa (E a ) = Mittlere Istwegabweichung über Nutzweg Lu. c(t p ) = Wegkompensation über Nutzweg Lu. e p (E p ) = Grenzabmaß des Sollwegs V up ( ep ) = zulässige Wegabweichung über Nutzweg Lu V 300p (e 300p ) = zulässige Wegabweichung über 300 mm V 2 p (e 2 p ) = zulässige Wegabweichung über eine Umdrehung 11
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl Tabelle 4.2: HIWIN Genauigkeitsklassen von Präzisions-Kugelgewindetrieben HIWIN Genauigkeitsklasse 0 1 2 3 4 5 6 e 2 3 4 4 6 8 8 8 e 300 3,5 5 6 8 12 18 23 Gewindelänge Parameter ±E e ±E e ±E e ±E e ±E e ±E e ±E e über unter - 315 4 3,5 6 5 6 6 12 8 12 12 23 18 23 23 315 400 5 3,5 7 5 7 6 13 10 13 12 25 20 25 25 400 500 6 4 8 5 8 7 15 10 15 13 27 20 27 26 500 630 6 4 9 6 9 7 16 12 16 14 30 23 30 29 630 800 7 5 10 7 10 8 18 13 18 16 35 25 35 31 800 1000 8 6 11 8 11 9 21 15 21 17 40 27 40 35 1000 1250 9 6 13 9 13 10 24 16 24 19 46 30 46 39 1250 1600 11 7 15 10 15 11 29 18 29 22 54 35 54 44 1600 2000 18 11 18 13 35 21 35 25 65 40 65 51 2000 2500 22 13 22 15 41 24 41 29 77 46 77 59 2500 3150 26 15 26 17 50 29 50 34 93 54 93 69 3150 4000 30 18 32 21 60 35 62 41 115 65 115 82 4000 5000 72 41 76 49 140 77 140 99 5000 6300 90 50 100 60 170 93 170 119 6300 8000 110 60 125 75 210 115 210 130 8000 10000 260 140 260 145 10000 12000 320 170 320 180 Einheit: μm Tabelle 4.3: Internationale Normen für den Genauigkeitsgrad von Kugelgewindetrieben HIWIN Genauigkeitsklasse 0 1 2 3 4 5 6 7 10 e 300 ISO, DIN 6 12 23 52 210 JIS 3,5 5 8 18 50 210 HIWIN 3,5 5 6 8 12 18 23 50 210 Tabelle 4.4: Zusammenhang zwischen Genauigkeitsgrad und Axialspiel HIWIN Genauigkeitsklasse 0 1 2 3 4 5 6 axiales Spiel 5 5 5 10 15 20 25 12
Abb. 4.14 Kurven der Steigungsgenauigkeit bei Messung auf einer Laser-Messeinrichtung nach DIN 69051 e oa : Mittlere Wegabweichung über den Nutzweg bezogen auf den Nennweg (Messung nach DIN-Standard 69051-3-1) V ua (e a ): Wegschwankung über Nutzweg (Messung nach DIN-Standard 69051-3-2) V 300a (e 300a ): Wegschwankung über 300 mm an beliebigen Positionen (Messung nach DIN-Standard 69051-3-3) V 2 a (e 2 a): Wegschwankung über eine Umdrehung (2 rad) (Messung nach DIN-Standard 69051-3-4) Abb. 4.15 Toleranzen von präzisionsgeschliffenen Kugelgewindetrieben von HIWIN 13
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl Tabellen 4.5: Empfohlene Genauigkeitsgrade für verschiedene Applikationen CNC-Werkzeugmaschinen Andere Maschinen Applikation Achse Genauigkeitsgrad Drehen Fräsen Bohrfräsen Bearbeitungszentren Koordinatenbohren Bohren Schleifen Senkerodieren Drahterodieren Laserschneiden Stanzpresse Einzweckmaschine Holzbearbeitungsmaschinen Präzisions-Industrieroboter Industrieroboter Koordinatenmessgerät Nicht-CNC-Maschinen Transport-Einheiten X-Y-Tische Lineare Elektrohubzylinder Flugzeugfahrwerke Tragflächensteuerung Absperrschieber Servolenkungen Glasschleifer Oberflächenschleifer Induktionshärtungsmaschine Elektromaschinen X Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y X Y Z X Y U V X Y Z X Y 0 1 2 3 4 5 7 PR1 PR2 PR3 14
Tabellen 4.6: Toleranzangaben und Messmethoden zu HIWIN Kugelgewindetrieben T1: effektive Rundlaufabweichung des Außendurchmessers in Bezug auf AA (Messung gemäß DIN 69051) Nenn Ø [mm] Referenzlänge Referenzlänge T 1p [μm] HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu L5 0 1 2 3 4 5 6 7 6 12 80 12 25 160 25 50 315 20 20 25 23 25 32 32 40 50 100 630 100 200 1250 Lt / do T 1max [μm] (für Lt 4L5) HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu 0 1 2 3 4 5 6 7 40 40 40 40 50 50 64 64 80 40 60 60 60 60 75 75 96 96 120 60 80 100 100 100 125 125 160 160 200 80 100 160 160 160 200 200 256 256 320 T2: Rundlauf-Abweichung des Lagers in Bezug auf AA (Messung gemäß DIN 69051) Nenn Ø [mm] T 2p [μm] (für L1 Lr) HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu Lr 0 1 2 3 4 5 6 7 6 20 80 6 10 10 12 12 20 20 40 20 50 125 8 12 12 16 16 25 25 50 50 125 200 10 16 16 20 20 32 32 63 125 200 315 - - - 25 25 40 40 80 T3: Koaxiale Abweichung des Antriebszapfens bezogen auf den Lagerzapfen in Bezug auf AA (Messung gemäß DIN 69051) Nenn Ø [mm] Referenzlänge T 3p [μm] (für L2 Lr) HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu Lr 0 1 2 3 4 5 6 7 6 20 80 4 5 5 6 6 8 8 12 20 50 125 5 6 6 8 8 10 10 16 50 125 200 6 8 8 10 10 12 12 20 125 200 315 - - - 12 12 16 16 25 15
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl T4: Planlauf-Abweichung der Lagerschulter in Bezug auf AA (Messung gemäß DIN 69051) Nenn Ø [mm] T 4p [μm] HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu 0 1 2 3 4 5 6 7 6 63 3 3 3 4 4 5 5 6 63 125 3 4 4 5 5 6 6 8 125 200 - - - 6 6 8 8 10 T5: Planlauf-Abweichung der Anlagefläche der Kugelgewindemutter (Nur für vorgespannte Kugelgewindemuttern) in Bezug auf BB (Messung gemäß DIN 69051) Flanschmutter Ø [mm] T 5p [μm] HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu 0 1 2 3 4 5 6 7-20 5 6 7 8 9 10 12 14 20 32 5 6 7 8 9 10 12 14 32 50 6 7 8 8 10 11 15 18 50 80 7 8 9 10 12 13 16 18 80 125 7 9 10 12 14 15 18 20 125 160 8 10 11 13 15 17 19 20 160 200-11 12 14 16 18 22 25 200 250-12 14 15 18 20 25 30 T6: Rundlauf-Abweichung des Außendurchmessers der Gewindemutter (Nur für vorgespannte und drehende Kugelgewindemuttern in Bezug auf BB (Messung gemäß DIN 69051) Flanschmutter Ø [mm] T 6p [μm] HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu 0 1 2 3 4 5 6 7-20 5 6 7 9 10 12 16 20 20 32 6 7 8 10 11 12 16 20 32 50 7 8 10 12 14 15 20 25 50 80 8 10 12 15 17 19 25 30 80 125 9 12 16 20 24 22 25 40 125 160 10 13 17 22 25 28 32 40 160 200-16 20 22 25 28 32 40 200 250-17 20 22 25 28 32 40 T7: Parallelitätsabweichung einer rechteckigen Kugelgewindemutter (Nur für vorgespannte Kugelgewindemuttern) in Bezug auf BB (Messung gemäß DIN 69051) Montage-Grundlänge [mm] T 7p [μm] / 100mm HIWIN Toleranz-Klasse über bis zu 0 1 2 3 4 5 6 7-50 5 6 7 8 9 10 14 17 50 100 7 8 9 10 12 13 15 17 100 200-10 11 13 15 17 24 30 16
4.4 HIWIN Vorspannungsarten Das spezielle geformte Spitzbogenprofil ermöglicht einen Kugelkontaktwinkel von 45. Die Axialkraft Fa, verursacht durch äußere Antriebs- oder innere Vorspannungskräfte, erzeugt zwei Arten von Axialspiel. Zum einen das normale Axialspiel Sa, das vom lichten Abstand zwischen Kugel und Kugellaufbahn herrührt. Zum anderen ist es das Einfederungsspiel l, verursacht durch die Kraft Fn, die senkrecht zum Kontaktpunkt wirkt. Das Axialspiel, das durch den lichten Abstand verursacht wird, kann durch eine Vorspannungskraft P aufgehoben werden. Diese Vorspannung kann mit einer Doppelmutter, einer Einzelmutter mit Steigungsversatz oder bei vorgespannten Einzelmuttern durch Anpassung der Kugelgröße erzeugt werden (Abb. 5.7 bis Abb. 5.8). Abb. 4.16: Gotisches Laufbahnprofil und Vorspannung 4.4.1 Vorspannung der Doppelmutter Die Vorspannung wird erzeugt, indem ein Distanzstück zwischen die Muttern eingefügt wird (Abb. 4.17). Die O-Vorspannung ergibt sich durch das Einbringen eines überdimensionierten Distanzstücks, das die Mutterhälften auseinanderdrückt. Die X-Vorspannung wird mit einem unterdimensionierten Distanzstück erzeugt, das die Muttern zusammenzieht. Ist ein Recken der Spindel zur Erhöhung der Steifigkeit notwendig, halten Sie bezüglich des Reckbetrags Rücksprache mit HIWIN. (empfohlener Reckbetrag: 0,02-0,03 mm je Meter Spindellänge, der Reckbetrag muß bei der Festlegung des T-Wertes berücksichtigt werden) Abb. 4.17: Vorspannung durch Distanzstück 4.4.2 Vorspannung der Einzelmutter Für die Einzelmutter gibt es zwei Arten der Vorspannung. Eine davon ist die Vorspannungsmethode mit übergroßen Kugeln. Dabei werden Kugeln eingebracht, die etwas größer als der Raum in der Kugellaufbahn sind; damit hat die Kugel an vier Punkten Kontakt (Abb. 4.18). Die andere Methode ist die so genannte Vorspannung durch Steigungsversatz (s. Abb. 4.19). Die Mutter ist so geschliffen, dass sie einen Versatz zur zentralen Abb. 4.18: Vorspannung durch Kugelgröße Steigung aufweist. Diese Vorspannungsart ersetzt die klassische Doppelmutter-Vorspannung und hat den Vorteil, dass bei geringen Vorspannungskräften eine kompakte Einzelmutter mit hoher Steifigkeit eingesetzt werden kann. Allerdings ist diese Methode nicht zum Einsatz bei hohen Vorspannungen und bei hohen Steigungen geeignet. Die empfohlene Vorspannungskraft beträgt weniger als 5 % der dynamischen Tragzahl (C). Abb. 4.19: Vorspannung durch Steigungsversatz 17
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl 4.4.3 Vorspannungs-Berechnung M1 P = Vorspannung F bm = mittlere Betriebslast (ref.m8 M10) M2 T d = Reibmoment der vorgespannten Mutter P = Vorspannungskraft l = Steigung K P = Vorspannungs-Reibungskoeffizient K P = 1-2 (zwischen 0,1 und 0,3) 1 (1) für normalen Betrieb (Umwandlung einer Rotationsin eine Linearbewegung) M3 (2) für Umkehrbetrieb (Umwandlung einer Linear- in eine Rotationsbewegung) M4 M5 Abb. 4.20: Messeinrichtung zur Bestimmung des Vorspannungs-Reibmomentes (nach JIS B1192) 1, 2 sind die mechanischen Wirkungsgrade des Kugelgewindetriebes = Steigungswinkel (Grad) D m = Teilkreisdurchmesser des Gewindeschaftes l = Steigung = Reibungswinkel (0,17 0,57 ) μ = Reibungskoeffizient (0,003 0,01) M6 4.4.4 Einheitlichkeit des Vorspannungs-Reibmomentes (1) Messmethode Vorspannung erzeugt ein Reibmoment zwischen Mutter und Gewinde. Dieses wird gemessen, indem die Gewindespindel mit einer konstanten Drehzahl bewegt wird, während die Mutter mit einer speziellen Feststelleinrichtung gehalten wird (s. Abb. 4.20). Die vom Kraftaufnehmer gemessene Kraft F p wird zur Berechnung des Reibmomentes der Gewindespindel herangezogen. HIWIN hat eine computergestützte Messeinrichtung entwickelt, die das Reibmoment während der Drehung überwacht. So kann das Reibmoment entsprechend der Kundenspezifikation genau eingestellt werden (Abb. 2.5). Die Standard-Messeinrichtung zur Erfassung des Vorspannungs-Reibmomentes wird in Abb. 4.21 und in Tabelle 4.7 beschrieben. 18
(2) Messbedingungen 1. Ohne Abstreifer 2. Drehzahl: 100 U/min 3. Dynamische Viskosität des Schmiermittels 61,2 74,8 cst (mm/s) bei 40 C, das entspricht ISO VG 68 oder JIS K2001 (3) Das Messergebnis wird mittels einer Standard-Darstellung des Reibmomentes abgebildet; die Nomenklatur ist in Abb. 4.21 dargestellt. (4) Schwankungen des Vorspannungs-Reibmomentes (gehen in die Festlegung des Genauigkeitsgrades ein) sind in Tabelle 4.7 aufgeführt. Abb. 4.21: Nomenklatur zur Messung von Vorspannungs-Reibmomenten a) Basis-Reibmoment b) Schwankungen des Vorspannungs-Reibmomentes c) momentan gemessener Wert des Reibmomentes d) durchschnittlich gemessener Wert des Reibmomentes e) gemessenes Losbrechmoment Lu = Nutzweg der Mutter Tabelle 4.7: Schwankungsbereich des Vorspannungs-Reibmomentes (nach JIS B1192) (1) Basis-Reibmoment [Ncm] Nutzweglänge des Gewindes [mm] 4000 mm maximal über 4000 mm Schlankheitsgrad 40 40 Schlankheitsgrad 60 Genauigkeitsgrad Genauigkeitsgrad Genauigkeitsgrad Über Bis zu 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 20 40 30 35 40 40 45 50 60-40 40 50 50 60 60 70 - - - - - - - - - 40 60 25 30 35 35 40 40 50-35 35 40 40 45 45 60 - - - - - - - - - 60 100 20 25 30 30 35 35 40 40 30 30 35 35 40 40 45 45 - - - 40 43 45 50 50 100 250 15 20 25 25 30 30 35 35 25 25 30 30 35 35 40 40 - - - 35 38 40 45 45 250 630 10 15 20 20 25 25 30 30 20 20 25 25 30 30 35 35 - - - 30 33 35 40 40 630 1000-15 15 15 20 20 25 30 - - 20 20 25 25 30 35 - - - 25 23 30 35 35 Hinweis: 1) Schlankheitsgrad = Gewindelänge der Spindel/Nenndurchmesser der Spindel (mm) 2) Zur Bestimmung des Grundvorspannungs-Reibmomentes siehe Katalogteil Auslegung 3) Tabelle 4.10 zeigt die Umrechnung für Nm 4) Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an HIWIN. 19
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl 4.5 Berechnungsformeln 4.5.1 Lebensdauer Durchschnittliche Drehzahl (U/m) n av M7 n av = mittlere Drehzahl [1/min] n = Drehzahl [1/min] t = % der Zeit mit Drehzahl n1, etc. Durchschnittliche Betriebslast F bm (1) Mit wechselnder Last und konstanter Drehzahl M8 F bm = mittlere Betriebslast [N] F b = Betriebs-Axiallast f p = Betriebsbedingungs-Faktor f p = 1.1 1.2 Betrieb ohne Stoßwirkung 1.3 1.8 Betrieb unter Normalbedingungen 2.0 3.0 Betrieb mit hoher Stoßwirkung und mit Vibrationen 3.0 5.0 Kurzhubanwendungen < 3 x Mutterlänge (2) Mit wechselnder Last und wechselnder Drehzahl M9 (3) Mit wechselnder linearer Last und konstanter Drehzahl Abb. 4.22 Durchschnittsdrehzahl M10 20
Beispiel 4.5 1 Ein HIWIN Kugelgewindetrieb wird den unten aufgeführten Bedingungen ausgesetzt. Berechnen Sie durchschnittliche Drehzahl und Betriebslast. Betriebsbedingungen: Für ruhigen Lauf, ohne Stoßwirkung: f p = 1.1 Bedingung Axiallast [N] Drehzahl [1/min] Belastungsdauer [%] F b (n) (t) 1 1000 1.000 45 2 4000 50 35 3 8000 100 20 Berechnung [F. M7] 4.5.2 Resultierende Axialkraft F a Für eine Einzelmutter ohne Vorspannung M11 Für eine Einzelmutter mit Vorspannung P M12 4.5.3 Lebenserwartung in der Applikation Tabelle 4.8 zeigt die zu erwartende Lebensdauer für allgemeine Applikationen in gefahrener Strecke (km). Rechts in Tabelle 4.8 finden Sie die Umrechnungsformel für die Lebensdauer in Betriebsstunden. Zu berücksichtigen sind auch Stoßlast, Vibration, Temperatur, Schmierung, Positionsabweichungen etc. Für eine Einzelmutter: Lebensdauer in Umdrehungen M13 L C = Lebensdauer in Umdrehungen = dynamische Tragzahl [N] Für symmetrisch vorgespannte Doppelmuttern a) Lebensdauer in Umdrehungen 21
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl L = Lebensdauer in Umdrehungen P = Vorspannkraft [N] b) Umrechnung von Umdrehungen in Betriebsstunden M14 M15 c) Umrechnung von gefahrenem Weg (km) in Betriebsstunden: L h = Lebensdauer in Betriebsstunden [h] L d = Lebensdauer in gefahrenem Weg [km] l = Steigung des Kugelgewindetriebes [mm / Um] n av = mittlere Drehzahl [1/min] M16 L h = Lebensdauer in Betriebsstunden n av = mittlere Drehzahl [1/min, F. M7] Tabelle 4.8: Typische Lebensdauer, aufgeführt nach Applikationen Maschinentyp Lebensdauer in gefahrenem Weg [km] Werkzeugmaschinen 250 Maschinen, allgemein 100 250 Steuerungsmechanismen 350 Messeinrichtungen 210 Luftfahrzeugausrüstung 30 (der oben genannten Lebensdauer liegt eine dynamische Tragzahl, kalkuliert für 90 % Ausfallsicherheit zugrunde). (d) die modifizierte Lebensdauer bei unterschiedlichen Ausfallsicherheitsfaktoren wird berechnet über M17 M18 Ausfallsicherheitsfaktor fr siehe Tabelle 4.9. Tabelle 4.9: Ausfallsicherheitsfaktor zur Lebensdauerberechnung Ausfallsicherheit % 90 1 95 0,63 96 0,53 97 0,44 98 0,33 99 0,21 f r 22
Beispiel 4.5-2 Welchen Nenndurchmesser muss der Kugelgewindetrieb haben, wenn die Voraussetzungen aus Beispiel 4.5-1 gegeben sind (Lebensdauer = 3.500 h, Steigung = 10 mm, spielfreie Einzelmutter)? Berechnung [Annahme: Spielfreiheit, wenn F bm =3185 N] [F. M1] [Umdrehungen] [ Auslegung] Anhand dieser berechneten Werte kann aus den Maßtabellen für HIWIN-Kugelgewindetriebe unter den FSV-Ausführungen der passende Kugelgewindetrieb mit einem Nenndurchmesser von 32 mm und C1 (3,5) Umläufen ausgewählt werden. Beispiel 4.5 3 Wie groß muss die zulässige Last der Gewindespindel sein, wenn der Nenndurchmesser = 50 mm, Steigung = 8 mm und Lebensdauer = 7 x 106 Umdrehungen sind? Berechnung In den Maßtabellen für HIWIN-Kugelgewindetriebe unter den FSV-Ausführungen hat der erforderliche Kugelgewindetrieb (Ausführung 50-8B3) mit Nenndurchmesser = 50 mm, Steigung = 8 mm die dynamische Tragzahl C = 56.740 N. 4.5.4 Antriebsmoment und Antriebsleistung des Motors Abb. 4.23 Lastverlauf eines Systems mit Kugelgewindetrieb Motor Getriebe 2 W Getriebe 1 (Reibungskraft + Betriebskraft) Kugelgewindetrieb Abb. 4.23 zeigt die Einflussgrößen eines Vorschubsystems mit Kugelgewindetrieb. Im Nachfolgenden finden Sie die Berechnungsformel für das notwendige Antriebsmoment des Motors: a) Normalbetrieb (Umwandlung einer Dreh- in eine Linearbewegung) T a = Antriebsmoment für Normalbetrieb [Nm] F b = Axiallast [N] F b = F bm + x W [für horizontale Einbaulage] l = Steigung [mm] 1 = mechanischer Wirkungsgrad [0,85 0,95; F. M3] W = Gewicht Tisch + Gewicht Werkstück [kg] = Reibungskoeffizient der Tischführung [0,005 0,02] b) Umkehrbetrieb (Umwandlung einer Linear- in eine Drehbewegung) M19 M20 2 = mechanischer Wirkungsgrad [0,75 0,85, F. M4] T c = Moment für Umkehrübertragung [Nm] 23
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl c) Antriebsmoment des Motors Für Normalbetrieb M21 T M = Motorantriebsmoment [Nm] T b = Reibmoment des Stützlagers [Nm] T d = Vorspannungsreibmoment [Nm] N 1 = Anzahl der Zähne des treibenden Zahnrads N 2 = Anzahl der Zähne des angetriebenen Zahnrads Für Beschleunigung M22 T a = Motorantriebsmoment während der Beschleunigung [Nm] J = Trägheit des Systems [Nm 2 ] = Winkelbeschleunigung [rad/s 2 ] N dif = U/min Getriebestufe 2 U/m Getriebestufe1 t a = Beschleunigungs-Anfahrtzeit (sec) M23 M23 t a = Beschleunigungs-Anfahrtzeit (sec), n 1 = Anfangsdrehzahl [1/min], n 2 = Enddrehzahl [1/min] M24 = Motorträgheit + äquivalente Getriebeträgheit + Trägheit Kugelgewindetrieb (Abb. 4.23) W s = Gewicht Kugelgewindetrieb [kg] D N = Nenndurchmesser Kugelgewindetrieb [mm] J M = Motorträgheit [kgm 2 ] J G1 = Trägheit des Antriebsgetriebes [kgm 2 ] J G2 = Trägheit des angetriebenen Getriebes [kgm 2 ] Gesamt-Antriebsmoment T Ma = Gesamtantriebsmoment [Nm] Die Massenträgheit wird folgendermaßen berechnet: Für eine Scheibe mit konzentrischem Außendurchmesser: M25 M26 J = Trägheit des Tisches [kgm 2 ] d = spezifisches Gewicht des Tisches für Stahl r = Tischradius [7850kg/m 3 ] h = Tischlänge 24
d) Antriebsleistung e) Überprüfung der Beschleunigungszeit M27 M28 P d = maximale betriebssichere Antriebsleistung [W] T pmax = maximales Antriebsmoment [Sicherheitsfaktor x T max, Nm] n max = maximale Drehzahl (1/min) t a = Beschleunigungs-Anfahrtzeit [s] J = Gesamt-Trägheitsmoment [kgm 2 ] T M1 = Nennmoment des Motors [Nm] T L = Antriebsmoment bei Nenndrehzahl [Nm] f = Sicherheitsfaktor = 1,5 Tabelle 4.10 zeigt die Umrechnungsfaktoren für unterschiedliche Maßsysteme zur Bestimmung des Motormoments oder des Vorspannungs-Reibmomentes Tab. 4.10: Umrechnungstabelle für das Motormoment kgf-cm kgf-mm Nm kpm (kgf-m) OZ-in ft-l bf 1 10 9,8 x 10-2 10-2 13,8874 7,23301 x 10-2 0,1 1 9,8 x 10-3 1,0 x 10-3 1,38874 7,23301 x 10-3 10,19716 1,019716 x 10 2 1 0,1019716 1,41612 x 10 2 0,737562 10 2 10 3 9,80665 1 1,38874 x 10 3 7,23301 10,19716 x 10-2 0,720077 7,06155 x 10-3 7,20077 x 10-4 1 5,20833 x 10 3 13,82548 1,382548 x 10 2 1,35582 0,1382548 1,92 x 10 2 1 Beispiel 4.5 4 Voraussetzung: Antriebssituation wie in Abb. 4.24 Gewicht Tisch W1 = 200 kg Gewicht Werkstück W2 = 100 kg Reibungskoeffizient der Führung μ = 0,02 Betriebsbedingungen: ruhiger Lauf ohne Stoßlast Axiale Vorschubkraft [N] Umdrehungen [1/min] Belastungsdauer (%) F b n t 1000 500 20 3000 100 50 5000 50 30 Beschleunigung: 100 rad/sec 2 Motor: Motordurchmesser = 50 mm, Motorlänge = 200 mm Getriebe: Durchmesser Antriebsgetriebe G1 = 80 mm, Höhe = 20 mm, Zähne = 30 Durchmesser angetriebenes Getriebe G2 = 240 mm, Höhe = 20 mm, Zähne = 90 25
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl Kugelgewindetrieb: Nenndurchmesser = 50 mm, Steigung = 10 mm Länge = 1.200 mm, Gewicht = 18 kg Spielfrei, wenn axiale Vorschubkraft = 3000 N Lagermoment T b = 0,1 Nm Mechanischer Wirkungsgrad 2 = 0,8 Abb. 4.24 Übersetzungsprozess im System G2 W1 W1 F Motor G1 Berechnung 1) Motormoment im Nennbetrieb [F. M7] [F. M9] [axiale Vorschubkraft = 3000 N, F. M1] [F. M19] [F. M2] [F. M21] 2) Motormoment während der Beschleunigung (I) Massenträgheitsmoment des Motors 26
(II) Massenträgheitsmoment des Getriebes (III) Massenträgheitsmoment des Kugelgewindetriebes (IV) Massenträgheitsmoment der Last (V) Massenträgheitsmoment des Systems 3) Gesamtmoment des Motors 4) Antriebsleistung (Sicherheitsfaktor = 2) 5) Auswahl des Motors: Ausgewählter Motortyp: Gleichstrommotor mit Nennmoment T Mr > 1,5 T m und maximalem Motormoment T Max > 1,5 T pmax 6) Überprüfung der Beschleunigungszeit Spezifizierung des Gleichstrom-Servomotors: Nennleistung = 950 W Nennmoment = 3 Nm Nenndrehzahl = 2.000 1/min Maximalmoment = 6,5 Nm Trägheitsmoment des Motors = 1,96 x 10-3 kgm 2 27
Kugelgewindetriebe Eigenschaften und Auswahl 4.5.5 Knicklast M29 M30 F k = zulässige Last N Festlager Festlager f K = 1,0 F p = max. zulässige Last N Festlager Stützlager f K = 0,5 d r = Kerndurchmesser Gewindeschaft [mm] Stützlager Stützlager f K = 0,25 L t = Abstand zwischen den Stützlagern [mm] Festlager ungelagert f K = 0,0625 f K = Faktor für unterschiedliche Montagearten *1kgf = 9,8 N; 1daN = 10 N Das Knicklast-Diagramm für unterschiedliche Spindeldurchmesser und Lagerarten ist in Abb. 4.25 dargestellt. 4.5.6 Kritische Drehzahl M31 M32 N c = kritische Drehzahl 1/min Festlager Festlager f m = 1 N p = max. zulässige Last 1/min Festlager Stützlager f m = 0,692 d r = Kerndurchmesser Gewindeschaft (mm) Stützlager Stützlager f m = 0,446 L t = Abstand zwischen den Stützlagern (mm) Festlager ungelagert f m = 0,147 L M = Faktor für unterschiedliche Montagearten *1kgf = 9,8 N; 1daN = 10 N Abb. 4.25 Knicklast für unterschiedliche Durchmesser und Längen von Gewindespindeln Abb. 4.26 Kritische Drehzahl für unterschiedliche Durchmesser und Längen von Gewindespindeln 28