Wie man die kritische Drehzahl von Kugelgewindetrieben in Hochgeschwindigkeits- und Langhubachsen vermeidet

Um das Erreichen der kritischen Drehzahl einer Kugelumlaufspindel zu vermeiden, berechnen Sie zunächst die Drehzahl, die für die lineare Zielgeschwindigkeit erforderlich ist. Vergleichen Sie es dann mit der kritischen Drehzahl der Spindelwelle, der DN-basierten zulässigen Drehzahl der Kugelmutter und den Grenzen der Stützlager, der Kupplung und des Motors.

Die zulässige Betriebsgeschwindigkeit wird durch den niedrigsten dieser Grenzwerte bestimmt. Bei einer langen rotierenden Schnecke ist oft die kritische Drehzahl der Welle der bestimmende Faktor, da sie mit zunehmender nicht unterstützter Schneckenlänge schnell abnimmt.

Was ist die kritische Drehzahl einer Kugelumlaufspindel?

Die kritische Drehzahl ist die Drehzahl, bei der sich die rotierende Schneckenwelle einer ihrer Biegeeigenfrequenzen nähert. Bei oder nahe dieser Drehzahl kann die Welle in Resonanz geraten und starke seitliche Vibrationen entwickeln, die üblicherweise als Schraubenpeitschen bezeichnet werden.

Mögliche Folgen sind:

• Schnell zunehmende Vibrationen und Geräusche;
• Instabile Positionierung und Fehler bei der Oberflächenbeschaffenheit;
• Zusätzliche Belastung der Kugelmutter und der Stützlager;
• Kupplungs-, Dichtungs- oder Lagerschaden;
• Dauerhaftes Verbiegen oder mechanisches Versagen in schweren Fällen.

Die kritische Drehzahl ist nicht für alle Kugelumlaufspindeln eine feste Drehzahl. Sie ändert sich mit dem Wurzeldurchmesser der Schraube, der nicht unterstützten Länge, dem Zustand der Endunterstützung, der Geradheit, der Installationsausrichtung und der rotierenden Masse.

Die Länge der nicht unterstützten Spindel und die Steifigkeit der Endunterstützung wirken sich stark auf die kritische Geschwindigkeit einer rotierenden Kugelumlaufspindel aus.

Kritische Geschwindigkeit ist nicht die einzige Geschwindigkeitsbegrenzung

Eine Schnecke kann unterhalb ihrer kritischen Wellengeschwindigkeit bleiben, aber dennoch die zulässige Geschwindigkeit des Kugelumlaufsystems überschreiten. Die vollständige Auswahl muss daher mehrere Grenzen vergleichen.

Schritt 1: Konvertieren Sie die lineare Geschwindigkeit in die Drehzahl der Schnecke

Die erforderliche Spindelgeschwindigkeit wird aus der Ziellineargeschwindigkeit und der Kugelumlaufspindelsteigung berechnet:

Beispielsweise würde eine Achse, die eine Lineargeschwindigkeit von 20 m/min erfordert, Folgendes benötigen:

Dieses Beispiel zeigt, warum eine größere Steigung dazu beitragen kann, dass eine Hochgeschwindigkeitsachse unterhalb ihrer Drehgrenze bleibt. Es ist kein Beweis dafür, dass die 20-mm-Steigung automatisch geeignet ist: Drehmoment, Belastbarkeit, Positionierauflösung, Mutterumlaufgeschwindigkeit und Beschleunigung müssen dennoch überprüft werden.

Schritt 2: Bestätigen Sie die nicht unterstützte Schraubenlänge

Die kritische Geschwindigkeit hängt stark von der nicht unterstützten Länge zwischen den effektiven Lagerstützpunkten ab. Die Beziehung ist ungefähr:

Da der Längenterm quadriert ist, kann eine Vergrößerung der nicht unterstützten Länge die kritische Geschwindigkeit viel stärker als erwartet verringern. Berücksichtigen Sie den Abstand zwischen den effektiven Lagerstützpunkten und nicht nur den vorgegebenen Maschinenhub oder die gesamte Schnittlänge der Schraube.

Dazu gehören auch:

• Die Schraubenabschnitte zwischen Mutternweg und Stützlagern;
• Die Länge der bearbeiteten Wellenenden, die sich auf die Lagerposition auswirkt;
• Jeder überhängende Abschnitt über das Lager hinaus;
• Die tatsächliche Lage und Steifigkeit der festen und schwimmenden Stützen.

Schritt 3: Verwenden Sie den richtigen Wurzeldurchmesser

Bei der Berechnung der kritischen Drehzahl wird normalerweise der Schraubengrund- oder Kerndurchmesser verwendet, nicht der in der Modellnummer angegebene Nennaußendurchmesser. Beispielsweise hat eine Kugelumlaufspindel mit einem Nenndurchmesser von 25 mm nach der Bildung der Kugelrille einen kleineren Kerndurchmesser.

Die Verwendung des Nenndurchmessers anstelle des tatsächlichen Berechnungsdurchmessers führt zu einer Überschätzung der Wellensteifigkeit und der kritischen Geschwindigkeit. Den Kerndurchmesser entnehmen Sie den technischen Daten des Herstellers oder der bestätigten Schraubenzeichnung.

Eine Vergrößerung des Schneckendurchmessers erhöht im Allgemeinen die Biegesteifigkeit und die kritische Geschwindigkeit, erhöht aber auch die Rotationsträgheit, den Motorbedarf, die Größe der Stützeinheit und die Kosten. Daher muss die Auswahl des Durchmessers zusammen mit der Beschleunigung und der Motorleistung überprüft werden.

Schritt 4: Überprüfen Sie die End-Support-Vereinbarung

Die kritische Geschwindigkeit hängt davon ab, wie die Schraubenwelle an beiden Enden eingeschränkt wird. Eine steifere Stützanordnung sorgt normalerweise für eine höhere kritische Geschwindigkeit als eine Schraube mit einem schlecht abgestützten oder freien Ende.

Support-Labels allein reichen nicht aus. Lose Lagersitze, falsches Anziehen der Sicherungsmutter, flexible Gehäuse oder schlechte Montageflächen können dazu führen, dass sich eine Installation weniger steif verhält als die theoretische Stützanordnung.

DLY-LieferungenBK/BF-, FK/FF- und EK/EF-Kugelumlaufspindel-Stützeinheitendie je nach Schneckendurchmesser, Wellenendenbearbeitung und Einbaulage angepasst werden können.

Bei Berechnungen der kritischen Geschwindigkeit muss der effektive Abstand zwischen den tatsächlichen Lagerstützpunkten verwendet werden.

Schritt 5: Wenden Sie die richtige Sicherheitsmarge an

Betreiben Sie das Gerät nicht absichtlich mit der theoretischen Resonanzgeschwindigkeit. Der zulässige Betriebswert sollte den vom Hersteller der Kugelumlaufspindel oder der Berechnungsmethode angegebenen Sicherheitsfaktor umfassen.

Einige Katalogberechnungsmethoden multiplizieren die theoretische kritische Geschwindigkeit bereits mit einem Sicherheitsfaktor wie beispielsweise 0,8. Überprüfen Sie die Definition, bevor Sie einen zusätzlichen Faktor anwenden, da sonst die Sicherheitsmarge versehentlich doppelt gezählt werden kann.

Bei der endgültigen Geschwindigkeitseinstellung sollten außerdem Folgendes berücksichtigt werden:

• Herstellungs- und Einbautoleranzen;
• Schraubengeradheit und Ausgewogenheit;
• Kupplungs- und Lagerzustand;
• Beschleunigung, Verzögerung und vorübergehende Übergeschwindigkeit;
• Veränderungen in der Maschinenstruktur im Langzeitbetrieb.

Praktische Möglichkeiten zur Erhöhung der sicheren Lineargeschwindigkeit

Für herkömmliche rotierende Schneckenanwendungen DLYsOptionen für Hochgeschwindigkeits-Kugelumlaufspindelnkönnen je nach erforderlichem Durchmesser, Steigung, Geschwindigkeit, Hub und Mutterstruktur überprüft werden. Für den tatsächlichen Einbau muss noch die zulässige Drehzahl des Produkts überprüft werden.

Für eine sehr lange Achse, bei der die kritische Geschwindigkeit der rotierenden Welle die Hauptbeschränkung darstellt, aKugelumlaufspindelsatz mit rotierender Mutterkann in Betracht gezogen werden, da die lange Schraubenwelle stationär bleibt, während sich die Mutter dreht.

Installationsprobleme, die einer Vibration bei kritischer Geschwindigkeit ähneln können

Nicht jede Vibration bei hoher Geschwindigkeit bedeutet, dass die berechnete kritische Geschwindigkeit erreicht ist. Ähnliche Symptome können auftreten bei:

• Fehlausrichtung zwischen Motor, Kupplung, Spindel und Stützeinheiten;
• Eine verbogene Schraubenwelle oder ein übermäßiger Geradheitsfehler;
• Lose Lagergehäuse oder Befestigungsschrauben;
• Falsche Lagervorspannung oder falsches Anziehen der Sicherungsmutter;
• Eine unausgeglichene Kupplung oder rotierende Komponente;
• Beschädigte Kugelumlaufkomponenten;
• Ein Problem mit der Servoabstimmung oder Strukturresonanz an einer anderen Stelle der Maschine.

Wenn bei einer wiederholbaren Umdrehung Vibrationen auftreten, reduzieren Sie die Drehzahl und überprüfen Sie die gesamte Baugruppe, bevor Sie den Betrieb fortsetzen. Gehen Sie nicht wiederholt durch einen starken Resonanzbereich, nur um das Geräusch zu bestätigen.

Benötigte Informationen für eine Geschwindigkeitskontrolle

Um eine Kugelumlaufspindel hinsichtlich kritischer Drehzahl und Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu bewerten, bereiten Sie Folgendes vor:

• Modell und Nenndurchmesser der Kugelumlaufspindel;
• Tatsächlicher Wurzeldurchmesser oder vollständige Schraubenzeichnung;
• Steigung und Anzahl der Fadenanfänge;
• Gesamtschraubenlänge und freitragende Länge;
• Effektiver Hub und erforderliche Lineargeschwindigkeit;
• Fest- und schwimmend gelagerte Stützanordnung;
• Maximale Motorgeschwindigkeit und Beschleunigungsprofil;
• Betriebslast und Einbaurichtung;
• Kugelmuttertyp und DN-Grenze des Herstellers.

Bei der praktischen Auswahl reicht die Gesamtschraubenlänge allein nicht aus. DLY benötigt normalerweise den effektiven Hub, die Stützpositionen, die Endbearbeitungszeichnung, die Steigung und die Zielgeschwindigkeit, um zu prüfen, ob die vorgeschlagene Kugelumlaufspindelkonfiguration geeignet ist.

Abschluss

Die Vermeidung der kritischen Drehzahl der Kugelumlaufspindel beginnt mit der Berechnung der tatsächlichen Drehzahl, die für die lineare Zielgeschwindigkeit erforderlich ist. Diese Drehzahl muss dann unter dem zulässigen Wert bleiben, der durch die kritische Drehzahl der Welle, den DN-Grenzwert, die Stützlager, die Kupplung und den Motor bestimmt wird.

Bei langen Achsen oder Hochgeschwindigkeitsachsen bestehen die effektivsten Änderungen normalerweise darin, den Schneckendurchmesser zu vergrößern, die nicht unterstützte Länge zu verringern, die Endunterstützung zu verbessern, die Steigung zu erhöhen oder die Schnecke mit einer rotierenden Mutterstruktur stationär zu halten. Das endgültige Design muss außerdem auf Belastbarkeit, Steifigkeit, Genauigkeit, Beschleunigung und Wärmeausdehnung überprüft werden.

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