Kugelgewindetriebe: Diese 7 Bedrohungen sollten Sie kennen

Anbieter zum Thema

Heidrive GmbH

Mensch und Maschine Akademie

ELBCAMPUS Kompetenzzentrum

Die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs wird anhand von Berechnungen ermittelt, die in der ISO-Norm 3408.5 festgelegt sind. Was jedoch geschieht, nachdem die Baugruppe die Hände des Konstrukteurs verlässt, kann sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer des Kugelgewindetriebs mindestens so sehr beeinflussen wie die Normeneinhaltung.

Ein vorzeitiges Versagen des Kugelgewindetriebs kann viele Probleme hervorrufen. Da die Ursache des Versagens der Kugelgewindetriebe nicht immer klar ersichtlich ist, ist nicht selten eine langwierige und kostspielige Fehlersuche erforderlich. Allein das Ausbauen des defekten Gewindetriebs aus der Maschine oder Baugruppe kann ebenfalls schwierig sein, und natürlich drohen bei einem Ausfall lange Stillstände. Solche Probleme lassen sich weitgehend vermeiden, wenn Anwender die sieben wichtigsten Faktoren beachten, die das Leben eines Kugelgewindetriebs verkürzen können.

1. Fehlausrichtung

Eine falsche Ausrichtung ist ein häufiger Grund für vorzeitiges Versagen. Sie belastet die Endlager, bringt eine Radial- oder Momentlast auf die Kugelgewindemutter, kann zum Festlaufen führen, die Lasten erhöhen, Vibrationen hervorrufen und der Reibkorrosion Vorschub leisten. Eine höhere Geschwindigkeit verstärkt die Probleme sogar noch (Bild 2).

Eine unsachgemäße Montage ist eine der Ursachen für Ausrichtungsfehler. Die Spindeln von Kugelgewindetrieben werden mittels Loslager oder Festlager abgestützt. Die Lagerungsvarianten sind: Festlager an beiden Enden, Festlager an einem Ende und Loslager am anderen, Loslager an beiden Enden oder ein Festlager kombiniert mit einem nicht-abgestützten Ende. Ein Loslager ist in der Regel einfacher auszurichten und zu montieren als ein Festlager. Hierbei wird die Spindel nur an einem Drehpunkt gestützt, ohne dass Biegemomente aufgenommen werden. Ein Festlager widersteht Biegemomenten, da seine beiden im ausreichenden Abstand angeordneten Drehlager die Spindel senkrecht zu den Lagerflächen halten. Das Festlager bietet so eine höhere Durchbiegefestigkeit und erlaubt eine höhere kritische Drehzahl. Um eine optimale Leistung und Lebensdauer sicherzustellen, sollte die Einheit zudem korrekt auf den Antrieb, die Stützlager und die Last ausgerichtet sein. Eine Fehlausrichtung kann auch durch zwei weitere Faktoren verursacht werden: nicht-axiale Stoßbelastung und Verschmutzung.

2. Stoßbelastung

Nicht-axiale Stöße können zu Seitenlasten führen, die eine Fehlausrichtung und zusätzliche Belastungen verursachen können. Eine plötzliche Kollision mit einem schweren oder stationären Hindernis erhöht die Hertz‘sche Kraft auf das System, was die Funktion der Kugelmutter und des Schlittens beeinträchtigen kann. Dieser Belastungsaspekt ist besonders bei Kugelgewindetrieben problematisch, die in mobilen Maschinen wie Schneepflügen eingesetzt werden, wo das Auftreffen auf versteckte Bordsteine die Lebensdauer des Kugelgewindetriebs verkürzen kann.

3. Verschmutzung der Kugelgewindetriebe

Kugelgewindetriebe weisen einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf, weil sie die Last auf viele Lagerkugeln verteilen. Die Last setzt an dem winzigen Berührungspunkt zwischen Kugel und Spindel an (Bild 3). Diese begrenzte Kontaktfläche macht die Baugruppe anfällig für Verunreinigungen, die eine einseitig höhere Belastung verursachen können. Da die Lagerkugeln diesen unausgewogenen Kreislauf mit vielen Umdrehungen pro Sekunde durchlaufen, erhöht der daraus resultierende Wechsel zwischen hoher und geringer Belastung den Verschleiß und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls. Zudem kann eine Verunreinigung, die in das stark belastete Zentrum gelangt, Schaden anrichten.

Dieses Szenario droht etwa bei Steinschneidemaschinen. Sie erzeugen kleine Sandpartikel, und wenn ihre Abstreifer nicht optimal funktionieren, dringt der Sand in die Kugelmutterbaugruppe ein und erhöht dort die Reibungswerte. Ebenso entsteht bei der Holzzerspanung feiner Holzstaub, der sich mit Schmierölen zu Partikeln verbindet, die zu vorzeitigem Ausfall führen können.

4. Übermäßige Beschleunigung/Verzögerung

Eine übermäßige Beschleunigung und Verzögerung im Betrieb kann zu einer unruhigen Bewegung und damit einer zusätzlichen Belastung der Komponenten durch die induzierten Hertz‘schen Kräfte führen. Auch dies kann die Lebensdauer verkürzen. Das lässt sich durch Auswahl eines Kugelgewindetriebs vermeiden, der für die erforderlichen Drehzahlen ausgelegt ist. Aber auch die übrigen konstruktiven Elemente, die sich auf die Lebensdauer auswirken, müssen beachtet werden.

5. Hohe Temperaturen der Kugelgewindetriebe

Die meisten Hersteller nennen eine maximale Betriebstemperatur für ihre Kugelgewindetriebe – in der Regel um 80 °C für kurze Intervalle und 50 °C für den Dauerbetrieb. Ein Betrieb in Umgebungen jenseits der herstellerseitig empfohlenen Grenzwerte kann die Zugfestigkeit verringern. In bestimmten Fällen besteht die Möglichkeit, die Betriebstemperatur eines Kugelgewinde­triebs zu erhöhen. Ob sich dies jedoch tatsächlich empfiehlt, wird je nach Art der Anwendung entschieden.

6. Nichteinhaltung der Wartungsintervalle

Werden die vom Hersteller empfohlenen Wartungsintervalle, wie das regelmäßige Schmieren nach 700 Betriebsstunden, nicht eingehalten, kann das die Lebensdauer des Systems erheblich verkürzen. Gestaltet sich der Zugang zu den Schmieröffnungen schwierig, sollte schon in der Planung ein automatisches Schmiersystem vorgesehen werden.

7. Nachlässige Kontrolle der Kugelgewindetriebe

Um Ausfallzeiten zu vermeiden und die Lebensdauer der Einheit zu maximieren, sollten Wartungsteams die Kugelgewindetriebe in regelmäßigen Abständen inspizieren. Mit den folgenden Kontrollen erkennen Sie Anzeichen für Probleme:

• Prüfen Sie auf Metallspäne, die Schäden verursachen können und möglicherweise auf defekte Kugeln oder Verschleiß der Komponenten hindeuten.

• Messen Sie das Spiel, um den Verschleiß der Komponenten abzuleiten.

• Prüfen Sie die Laufbahnen auf Verschleiß, Abplatzungen (Bild 4), Stillstandmarkierungen und Verunreinigungen.

• Kontrollieren Sie, ob die Spindel geschmiert ist und weder Verunreinigungen noch Korrosion aufweist.

• Prüfen Sie, ob alle Verbindungen fest sind und keine übermäßigen Vibrationen auftreten.

• Kontrollieren Sie das Antriebssystem auf konstantes Antriebsmoment und den Kugelgewindetrieb auf Laufruhe.

• Achten Sie auf ungewöhnliche Betriebsgeräusche. Die Geräuschpegel sollten nicht höher sein als am Tag der Inbetriebnahme. Die Bewegung der Kugelgewindemutter sollte ohne Widerstände und gleichmäßig sein. Jede Veränderung des Geräuschpegels oder des „Laufgefühls“ deutet auf interne Beschädigung hin.

Genaue Kenntnis der Anwendungsumgebung

Je größer Ihre Anwendung ist, umso wahrscheinlicher ist die Abweichung vom Idealzustand der statischen und dynamischen Axiallasten und der sich daraus ergebenden Betriebslebensdauer gemäß ISO 3408-5:2006-06. Läuft Ihre Anwendung in begrenztem Raum, und alle Komponenten sind optimal angeordnet sowie ausgerichtet, kommen Sie diesem Szenario schon relativ nah.

Daher sollten Sie dem Hersteller der Antriebskomponenten so genau wie möglich Ihre Anwendungsumgebung beschreiben. Und wenn Sie bei der Auslegung von Kugelgewindetrieben auf jeden der genannten Punkte achten, senken Sie das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls.

Von Eduard Schweinfort.

Lesen Sie auch: Thermomanagement: Was die Lebensdauer von Antriebsbatterien erhöht