Die Auswahl des falschen Kugelgewindes kann zu vorzeitigem Ausfall, kostspieligen Ausfallzeiten und verschwendeten Investitionen führen. Ohne ordnungsgemäße Evaluierung kann Ihr Bewegungssystem leiden. Hier ist ein bewährter 6-Schritte-Leitfaden, der Ihnen hilft, die richtige Wahl zu treffen.
Die Auswahl des Kugelgewindes umfasst die Bewertung von Geschwindigkeit, Last und Lebensdaueranforderungen, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Durch das Berechnen des Drehmoments und das Verständnis von Knickverhalten und kritischen Geschwindigkeiten können Ingenieure die ideale Schraube auswählen.
Untersuchen Sie jeden Faktor im Detail, um Fehler in Ihrem linearen Bewegungsdesign zu vermeiden.
Drehzahl
Die Drehzahl eines Kugelgewindes ist ein primärer Parameter, der die Effizienz und Leistung des Systems direkt beeinflusst. Die Drehzahl wird typischerweise in Umdrehungen pro Minute (RPM) definiert und sollte im Hinblick auf die dynamischen Anforderungen des Systems betrachtet werden.
Höhere Drehzahlen ermöglichen eine schnellere Bewegung der Last, können jedoch auch die Wärmeentwicklung und den Verschleiß erhöhen. Designer müssen sicherstellen, dass das Material, die Schmierung und die Konstruktion der Schraube der vorgesehenen Geschwindigkeit standhalten können. Darüber hinaus kann übermäßige Geschwindigkeit zu axialen Vibrationen oder Resonanz führen, insbesondere bei längeren Kugelgewinden. Aus diesem Grund darf die maximale sichere Geschwindigkeit, die häufig vom Hersteller empfohlen wird, nicht überschritten werden.
Die Berechnung der Drehzahl beinhaltet auch das Verständnis des Arbeitzyklus der Anwendung. Wenn Ihr System intermittierend mit Höchstgeschwindigkeit arbeitet, kann es möglicherweise höhere maximale RPM als kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsanwendungen tolerieren. Konsultieren Sie immer die Spezifikationen des Herstellers für Geschwindigkeitsbewertungen, bevor Sie die Auswahl abschließen.
Kritische Geschwindigkeit
Die kritische Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, bei der ein Kugelgewinde beginnt, exzessiv zu schwingen oder zu vibrieren. Dies geschieht, wenn die Eigenfrequenz der Welle mit der Betriebsfrequenz übereinstimmt. Wenn die kritische Geschwindigkeit erreicht oder überschritten wird, kann dies zu katastrophalen Ausfällen aufgrund von Wellenablenkung, Fehlausrichtung oder Überlastung des Lagers führen.
Die kritische Geschwindigkeit (Nc) hängt von der nicht unterstützten Länge der Welle, ihrem Durchmesser, den Endlagerbedingungen und dem Materialsmodul ab. Ingenieure verwenden Formeln wie:
Nc = (k × D × √E / L²)
Wobei:
k eine Konstante ist, die von der Art der Endstütze abhängt,
D der Durchmesser der Welle ist,
E das Elastizitätsmodul ist,
L die nicht unterstützte Länge ist.
Die Reduzierung der nicht unterstützten Längen oder die Verwendung von Zwischenstützen kann die kritische Geschwindigkeit erhöhen. Die allgemeine Regel besagt, dass man nicht mehr als 80% der kritischen Geschwindigkeit für Sicherheitszwecke betreiben sollte. Dies ist besonders wichtig für horizontal montierte Systeme oder Anwendungen mit langem Weg.
Knicklast
Knickung ist ein versagen durch Druckbelastung, das auftritt, wenn die Welle aufgrund von axialer Last abknickt, insbesondere bei langen oder nicht unterstützten Schrauben. Die Knicklast (Pb) muss höher sein als die maximal erwartete Drucklast in der Anwendung.
Dies wird oft mit der Euler-Formel für lange schlanke Säulen berechnet:
Pb = (π² × E × I) / (K × L)²
Wobei:
I ist das Flächenträgheitsmoment,
K ist eine Konstante basierend auf den Endbedingungen,
L ist die wirksame Länge.
Um das Knicken zu verhindern, stellen Sie sicher, dass die Kugelgewindespindel ordnungsgemäß unterstützt wird und dass die aufgebrachte Last innerhalb sicherer Grenzen bleibt. Bei vertikalen Anwendungen oder nicht unterstützten Spannweiten werden die Berechnungen zum Knicken besonders kritisch. Beim Auswahl einer Kugelgewindespindel sollten Sie immer die axiale Tragfähigkeit mit dem berechneten Knickgrenzwert vergleichen.
Vergleich der Knicklastfaktoren von Kugelgewindespindeln
| Parameter | Auswirkung auf die Knicklast |
|---|---|
| Wellen-Durchmesser | Erhöht den Knickwiderstand |
| Nicht unterstützte Länge | Verringert den Knickwiderstand |
| Unterstützungsbedingungen | Feste Enden erhöhen die Tragfähigkeit |
| Materialelastizität | Eine höhere E verbessert die Festigkeit |
Durchschnittsgeschwindigkeit und Durchschnittslast
Um die Lebensdauer und das thermische Verhalten der Kugelgewindespindel zu schätzen, müssen die Durchschnittsgeschwindigkeit und die Durchschnittslast während eines Arbeitszyklus verstanden werden. Anstelle von Spitzenwerten sollten Ingenieure die quadratischen Mittelwerte (RMS) für sowohl Last als auch Geschwindigkeit berechnen, um die Leistung genauer zu bewerten.
Die Durchschnittsgeschwindigkeit beeinflusst die Wärmeentwicklung durch Reibung, während die Durchschnittslast die Ermüdungslebensdauer bestimmt. Zum Beispiel kann die intermittierende Nutzung bei hoher Last nicht so kritisch sein wie der kontinuierliche Betrieb bei niedriger Last.
Verwenden Sie diesen Ansatz:
Durchschnittliche Last (Fa) = √[(F₁² × t₁ + F₂² × t₂ + … + Fn² × tn) ÷ T]
Durchschnittliche Geschwindigkeit (Va) = [(V₁ × t₁ + V₂ × t₂ + … + Vn × tn) ÷ T]
Wobei:
F ist die Last,
V ist die Geschwindigkeit,
t ist die Zeit in jeder Phase,
T ist die gesamte Zykluszeit.
Diese Berechnung ist entscheidend für dynamische Anwendungen wie CNC-Maschinen oder Pick-and-Place-Roboter.
Lebensdauer
Die Lebensdauer einer Kugelumlaufspindel wird typischerweise in der Anzahl der Umdrehungen oder der zurückgelegten Strecke vor dem Ermüdungsversagen angegeben. Hersteller geben oft Lebensdauerbewertungen wie L10 oder B10 an, die die Lebensdauer anzeigen, bei der 90% von Schrauben unter definierten Bedingungen ohne Ausfall betrieben werden können.
Die Lebensdauer hängt von mehreren Faktoren ab:
Dynamische Tragfähigkeit (Ca)
Angewandte axiale Last (Fa)
Betriebsumgebung (Temperatur, Verunreinigungen, Schmierung)
Die Grundlebensdauer (L10) kann wie folgt berechnet werden:
L10 = (Ca ÷ Fa)³ × 10⁶ Umdrehungen
Wenn die Schraube vorgespannt ist oder wenn Stoßlasten vorhanden sind, muss ein Korrekturfaktor angewendet werden. Richtige Schmierung und saubere Umgebungen verlängern die Betriebslebensdauer erheblich.
Tabelle zur Lebensdauerschätzung von Kugelumlaufspindeln
| Lastbedingungen | Geschätzte L10-Lebensdauer (Umdrehungen) |
|---|---|
| Normallast (Ca = Fa) | 1,000,000 |
| Mäßige Überlast (Ca = 1,5Fa) | 300,000 |
| Starker Stoßbelastung | <100.000 |
Die Wartungsplanung und die Garantieerwartungen basieren stark auf dieser Berechnung.
Drehmomentberechnung
Das Drehmoment ist die Kraft, die die Schraube zum Drehen und die Mutter (oder umgekehrt) antreibt. Um eine gegebene Last zu bewegen, müssen Ingenieure sowohl das Startdrehmoment als auch das Betriebsmoment bestimmen. Dies stellt sicher, dass der Motor richtig dimensioniert ist und ein Stillstand oder Überhitzen vermieden wird.
Das grundlegende Drehmoment (T), das erforderlich ist, um eine axiale Last (Fa) zu bewegen, kann berechnet werden durch:
T = (Fa × Gang) / (2π × η)
Wobei:
Fa ist die axiale Last (N),
Vorschub ist der Schraubengang (mm),
η ist die Effizienz (typischerweise 0,85 bis 0,95 für Kugelgewinde).
Vergessen Sie nicht, das zusätzliche Drehmoment einzuberechnen, das erforderlich ist, um Vorlast, Reibung und Trägheit zu überwinden. In Hochgeschwindigkeitssystemen muss das dynamische Drehmoment möglicherweise auch Beschleunigung und Verzögerung berücksichtigen.
Die Wahl eines Motors mit unzureichendem Drehmoment ist ein häufiger Konstruktionsfehler. Achten Sie darauf, die Motorspezifikationen mit den berechneten Werten für einen reibungslosen und zuverlässigen Betrieb abzustimmen.
Schlussfolgerung
Die Auswahl von Kugelgewinden erfordert ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit, Last und Lebensdauer. Folgen Sie diesen sechs kritischen Schritten, um sicherzustellen, dass Ihr System optimal funktioniert.Für weitere Fragen wenden Sie sich bitte an sales@SHAC.com
