Auf Basis der Fast-Fourier-Transformation-Analyse August Steinmeyer optimiert Qualität und Langlebigkeit von Kugelgewindetrieben mit innovativen Herstellungsverfahren - KEM

Auf Basis der Fast-Fourier-Transformation-Analyse

August Steinmeyer optimiert Qualität und Langlebigkeit von Kugelgewindetrieben mit innovativen Herstellungsverfahren

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Ob Werkzeugmaschinen- oder Sondermaschinenbau, Medizin- oder Messtechnik, Roboter- und Handlingsysteme, Luft- und Raumfahrt – Kugelgewindetriebe lassen sich für vielfältige Anwendungen in unterschiedlichen Branchen einsetzen. Immer kommt es vor allem auf eines an: auf besonders hohe Präzision. Darum werden hohe Anforderungen an die Qualität und damit die Zuverlässigkeit dieser Antriebseinheit gestellt.

Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter, August Steinmeyer, Albstadt

Der Kugelgewindetrieb wandelt eine Drehbewegung in eine Längsbewegung um. Verglichen mit konventionellen Schraubgetrieben zeichnen sich Kugelgewindetriebe durch weniger Reibung, höhere Positioniergenauigkeit und einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Steifigkeit und einen geringeren Verschleiß aus. Sie bestehen aus einem Spindel-Muttern-System mit Kugelrückführungselementen und den Kugeln als Wälzelementen. Die Kräfteübertragung erfolgt über die Kugeln, die zwischen der Laufbahn der Mutter und dem Gewinde der Welle einen Kreislauf bilden.

Die Spezialisten der August Steinmeyer GmbH & Co. KG wissen aus langjähriger Erfahrung, worauf es bei Kugelgewindetrieben ankommt. Wichtige Beurteilungskriterien für die Qualität sind Laufruhe, Geräuschentwicklung, Vibrationen, Einlaufverhalten und Energieeffizienz.

Wie lassen sich die verschiedenen Kriterien beurteilen, die die Qualität eines Kugelgewindetriebs beeinflussen? Bestimmte Qualitätskriterien sind Bestandteil der DIN 69051 bzw. der inhaltsgleichen ISO 3408, die die Lebensdauer von Kugelgewindetrieben in Bezug auf den Schädigungsmechanismus Werkstoffermüdung beurteilen. Dazu werden Steigungsgenauigkeit des Spindelgewindes, Rund- und Planläufe, Leerlauf-Drehmoment sowie die Muttern-Steifigkeit analysiert. Einflüsse wie Umlenkungen oder Laufbahnqualitäten auf das Laufverhalten bzw. die Positioniergenauigkeit sowie auf die Lebensdauer von Kugelgewindetrieben werden hier jedoch nicht erfasst.

Fast-Fourier-Transformation-Analyse gibt Aufschluss

Ein Ansatz zur detaillierten Beurteilung der Qualität ist die Analyse im Prüfstand für Reibmoment- und Fast-Fourier-Transformation-Messungen (FFT), die bei Steinmeyer durchgeführt wird. Auf diesem Weg lassen sich durch eine hochgenaue Messung des Leerlauf-Drehmoments und dessen Umwandlung in ein frequenzabhängiges Signal festgestellte Auffälligkeiten beurteilen. Der Ablauf ist wie folgt: Das durch die Vorspannung erzeugte Leerlauf-Drehmoment erzeugt eine Kraft, die von einem Sensor an der Mutter während der Drehung der Spindelwelle mit einer konstanten Drehzahl kontinuierlich aufgezeichnet wird. Die aufgezeichneten Werte können durch die konstante Drehzahl in ein Wegsignal umgerechnet werden. Die gemessenen Zeitsignale werden hierbei in einzelne Frequenzen aufgeschlüsselt und analysiert. Mögliche Fehler der Kugelgewindetriebe, die sich nach Auswertung der Messungen feststellen lassen, können z. B. Rundlauffehler der Spindel, Gewinde-Unrundheiten, Schwingungen durch Laufbahnfehler im Spindelgewinde oder durch Kugel-Formfehler sowie Oberflächenwelligkeiten oder -rauigkeiten der Spindellaufbahn und der Kugeln sein.

Die bei Steinmeyer auf diese Weise durchgeführten Untersuchungen belegen, dass Standard-Kugelgewinde durchaus mikroskopische Unregelmäßigkeiten auf der Laufbahnoberfläche des Spindelgewindes aufweisen können. Diese führen zu Vibrationen, unruhigen Laufeigenschaften sowie Geräuschbildung und gehen mit einem erhöhten Verschleiß und damit einer kürzeren Lebensdauer der Kugelgewindetriebe einher. Die Geräusche, die sich auf die beschriebene Weise messen lassen, werden vor allem von der Oberflächenbeschaffenheit des Spindelgewindes verursacht. Eine unregelmäßige, wellige oder raue Oberfläche der Spindellaufbahn entsteht während der Gewindefertigung beispielsweise durch ein „Vieleck“ bei gewirbelten Spindeln, Oberflächeneffekten beim Gewindeschleifen oder Fehler in den Walzen beim Gewinderollen.

Mit innovativen Herstellungstechnologien die Qualität der Kugelgewindetriebe optimieren

Auf Basis der Analysenergebnisse erkannte man vor allem in der Oberflächenoptimierung ein großes Potenzial für Verbesserungen und beschäftigte sich in der Forschung und Entwicklung intensiv mit diesem Thema. Das Ergebnis sind drei innovative Technologien zur Herstellung der verschiedenen Kugelgewindetriebe, die die Qualität weiter optimieren konnten. Die eingesetzte Xi-Plus-Technologie für Kugelgewindetriebe im Präzisionsbereich von 16 bis 80 mm und das OptiSlite-Verfahren für Kugelgewindetriebe im Miniaturbereich von 3 bis 16 mm verbessern die Oberflächen der Laufbahn der Spindel deutlich. Mit innovativen Fertigungstechnologien, die durch Verarbeitungsabläufe mit feinen mechanischen Bearbeitungen gekennzeichnet sind, lassen sich mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten beseitigen und damit Vibrationen, unruhige Laufeigenschaften sowie unerwünschte Geräusche bei hohen Drehzahlen fast vollständig eliminieren.

Das Ergebnis der beiden Entwicklungen Xi-Plus und OptiSlite ist eine insgesamt geringere Geräuschentwicklung und eine hohe Laufruhe der Kugelgewindetriebe. Dies lässt sich mithilfe der FFT-Analyse anhand der Bandbreite des Leerlauf-Drehmomentsignals nachweisen: Die Bandbreite des Drehmomentsignals konnte in beiden Fällen um etwa 40 % reduziert und die Lebensdauer der Produkte deutlich verlängert werden.

Ein weiteres Ergebnis der Forschung und Entwicklung von Steinmeyer ist die ETA+-Muttertechnik. ETA+-Muttern zeichnen sich vor allem durch einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad aus – daher stammt auch der Name: Eta (η) ist das physikalische Kurzzeichen für den Wirkungsgrad. Mit der Entwicklung dieser speziellen Mutterausführung gelang es, die Reibung um etwa zwei Drittel zu reduzieren und gleichzeitig die Steifigkeit um etwa 50 % zu erhöhen.

Auf diese Weise erreicht ein ETA+-Kugelgewindetrieb hinsichtlich der Dynamik eine deutliche Verbesserung gegenüber konventionellen Doppelmuttern und auch die Positioniergenauigkeit einer Vorschubachse kann deutlich gesteigert werden. ETA+-Muttern sind häufig sogar noch kürzer als konventionelle Doppelmuttern. Aufgrund der geringeren Reibung erwärmt er sich außerdem weniger. Auf die oft problematische Zwangskühlung des Kugelgewindetriebs kann daher verzichtet werden. Auch die Geräuschentwicklung lässt sich auf diese Weise reduzieren. Somit trägt die ETA+-Technik ebenfalls zu einer wesentlichen Verlängerung der Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs bei.

Das Unternehmen profitiert von seiner langjährigen Erfahrung in diesem Segment. In Kombination mit den hochmodernen Analyseverfahren, für die Steinmeyer perfekt ausgestattet ist, ist es gelungen, in Sachen Qualität und Langlebigkeit von Kugelgewindetrieben mit optimierten Herstellungsverfahren Maßstäbe zu setzen. bec

www.steinmeyer.com

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