Auswahl der richtigen Kugelgewindespindel


Herstellungsverfahren:

Gerollt: Bei der Rolltechnik wird eine ungehärtete Welle mittels Rollen geprägt und anschließend gehärtet. Dadurch, dass das Härten erst als letzter Schritt durchgeführt wird, entstehen lokal Härteverzüge, die die Genaugigkeit der Spindel herabsetzen. Hier können Toleranzklassen von C7 (vereinzelt auch C5) erreicht werden. Diese Spindeln eignen sich also hauptsächlich für 3D-Drucker, Holzbearbeitung, Hobby-Fräsen etc.
Gewirbelt: Bei der Wirbeltechnik werden die Kugellaufbahnen in die bereits gehärtete Welle geschabt und anschließend poliert. Diese Methode ist zwar etwas aufwendiger und dadurch teurer, aber es können höhere Steigungsgenauigkeiten erreicht werden. Steigungsgenauigkeiten bis C3 sind bei dieser Herstellungstechnik Standard. Professionelle Fräsen oder Drehbänke können damit betrieben werden.
Geschliffen: Bei den geschliffenen Spindeln werden, wie der Name schon sagt, die Rillen in eine bereits gehärtete Welle geschliffen. Die Herstellung erfordert enormen Aufwand, der sich aber in einer unübertreffbaren Genauigkeit äußert. Toleranzklassen bis zu C0 sind hier möglich.

Der Einsatzzweck der Spindeln und vorallem der Geldbeutel entscheiden nun, welche Technik man wählen sollte.

Durchmesser:

Der Durchmesser der Spindel entscheidet über ihre maximale Drehzahl. Die kritische Drehzahl nk hängt von dem Kern-Durchmesser d (in mm) und der ungestützten Länge l (in mm) ab. f ist dabei ein Faktor, der unterschiedliche Lagerungsmöglichkeiten berücksichtigt:
f = 1,0 (Motor - Festlager - Festlager)
f = 0,692 (Motor - Festlager - Loslager)
f = 0,446 (Motor - Loslager - Festlager)
f = 0,147 (Motor - Festlager - ungelagert)

Latex_Drehzahl

Die maximale Drehzahl sollte nicht über 80% der kritischen liegen!

Neben der maximalen Drehzahl hängt auch die maximale Knicklast von dem Durchmesser der Spindel ab. Die kritische Knicklast Fk berechnet sich aus:
f = 1,0 (Motor - Festlager - Festlager)
f = 0,5 (Motor - Festlager - Loslager)
f = 0,25 (Motor - Loslager - Festlager)
f = 0,0625 (Motor - Festlager - ungelagert)

Latex_Knicklast

Die maximale Knicklast beträgt 50% der kritischen. Da hier in der Regel Kräfte im kN-Bereich berechnet werden, spielt die Knicklast als Druchmesser-Beschränkung zumeist eine untergeordnete Rolle.

Steigung:

Bei der Steigung der Spindel muss man in gewissem Maße ein Kompromiss eingehen. Zum einen kann man durch eine hohe Steigung große Verfahrgeschwindigkeiten erreichen. Zum anderen bedeutet dies aber auch einen höheren Kraftaufwand für den Motor. Da jeder Motor nur eine endliche Winkelauflösung hat, bedeutet eine höhere Spindelsteigung leider auch eine reduzierte Positioniergenauigkeit.


Mutter:

Im Allgemeinen unterscheidet man zwischen Einzel- und Doppelmuttern. Die Bauart entscheidet, wie eine Spielfreiheit bzw. Vorspannung der Mutter erreicht wird. Bei einer Einzelmutter werden die Kugeldurchmesser so ausgewählt, dass das Spiel minimiert oder gar eine Vorspannung eingestellt wird. Die Kugeln liegen somit an vier Punkten in der Kugellaufbahn auf (zwei in der Mutter und zwei in der Spindel). Treten minimale Unebenheiten in der Führungsbahn auf, können die Kugeln nur über einen hohen Kraftaufwand ausweichen - die Spindelmutter läuft etwas unrund. Unter Last ist dieses Problem nicht mehr gegeben.
Bei einer Doppelmutter wird das Spiel bzw. die Vorspannung durch ein Verdrehen zweier Einzelmuttern zueinander eingestellt. Ein angepasstes Distanzstück zwischen diesen beiden sichert die Position zueinander. Der Vorteil hier: Die einzelnen Kugel liegen nur an zwei Punkten auf (einer in der Mutter und einer in der Spindel), d. h. die Kugeln haben genügend Platz, um den minimalen Unebenheiten auszuweichen. Doppelmuttern laufen somit im Leerlauf deutlich ruhiger, was die Positioniergenauigkeit erhöht.
Achsen, die sowieso ständig unter Last laufen (wie z. B. z-Achsen einer Fräsmaschine), benötigen somit keine Doppelmutter. Wichtig: Doppelmuttern haben keine höhere Traglast als Einzelmuttern!
Neben den Einzel- und Doppelmuttern unterscheidet man auch zwischen Flansch-Mutter und zylindrischer Mutter. Hier ist nur die Art, wie die Mutter an der Achse befestigt werden kann, verschieden. Die Tragzahlen sind auch hier identisch.

Lagerung:

Generell muss man sich zwischen drei verschiedenen Lagerungs-Szenarien entscheiden. Die kostengünstigste Variante wäre ein Festlager auf der Motorseite zu verbauen und das andere Ende ungelagert zu belassen. Hier sind jedoch nur sehr kleine Spindeldrehzahlen möglich (s. oben).
Die Standardlagerung wäre ein Festlager auf der Motorseite und ein Loslager auf der gegenüber liegenden Seite. Durch die beidseitige Lagerung sind höhere Drehzahlen möglich. Durch die Wahl eines Loslagers ist diese Konstruktion immernoch toleranz gegenüber eventuellen Wärmeausdehnungen der Spindel.
Eine dritte Möglichkeit wäre auf beiden Seiten ein Festlager zu verwenden. Bedingt sind hier zwar höhere Drehzahlen möglich, jedoch ist der Aufbau sehr kostspielig und es gibt keine Längentoleranzen für die Spindel mehr.