Brauchen Kugelgewindetriebe ein Getriebe? Technische Grundsätze und Auswahlleitfaden

In vielen Automatisierungssystemen kann ein Servomotor eine Kugelumlaufspindel direkt antreiben, ohne ein Getriebe zu verwenden. Dies liegt daran, dass die Kugelumlaufspindel bereits eine Motorrotation mit hoher{1}}Geschwindigkeit in eine lineare Bewegung mit niedrigerer{2}Geschwindigkeit und hohem{3}}Schub umwandelt.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass ein Getriebe niemals mit einer Kugelumlaufspindel verwendet wird. Bei Hochlastachsen, vertikalen Hebesystemen, sicherheitskritischen Mechanismen oder Anwendungen mit großer Trägheitsinkongruenz kann ein Getriebe, eine Bremse oder eine andere Haltestruktur dennoch in Betracht gezogen werden. Die richtige Wahl hängt vom Motordrehmoment, der Steigung der Kugelumlaufspindel, der erforderlichen Drehzahl, der Last, der Montagerichtung und den Sicherheitsanforderungen ab.

1. Warum die meisten Kugelgewindetriebe kein Getriebe benötigen

Eine Kugelumlaufspindel ist nicht nur eine Getriebekomponente. Es handelt sich bereits um einen Rotations--in-linearen Umwandlungsmechanismus. Die Spindelsteigung definiert, wie viel linearer Weg durch eine volle Drehung der Spindel erzeugt wird.

Wenn beispielsweise eine Kugelumlaufspindel eine Steigung von 10 mm hat, bewegt sich die Mutter um 10 mm, wenn sich die Spindel um eine Umdrehung dreht. Wenn der Motor mit 3000 U/min läuft, beträgt die theoretische Lineargeschwindigkeit:

Das bedeutet, dass die Kugelumlaufspindel bereits eine schnelle Motordrehung in eine kontrollierte lineare Bewegung umwandelt. Eine kleinere Steigung erzeugt eine geringere Geschwindigkeit und einen höheren Schub. Eine größere Steigung führt zu einer höheren Geschwindigkeit, erfordert jedoch bei gleichem Schub mehr Motordrehmoment.

Für viele horizontale Positionierungsachsen, Verpackungsmaschinen, CNC-Hilfsachsen, Linearmodule und Automatisierungssysteme reicht die Auswahl der richtigen Kugelumlaufspindel und des richtigen Servomotors aus. Der Einbau eines Getriebes erhöht oft die Kosten und die Komplexität, ohne das Ergebnis zu verbessern.

2. Steigung, Geschwindigkeit und Schub der Kugelumlaufspindel

Viele Ingenieure denken zunächst an Blei als Geschwindigkeitsparameter. Tatsächlich beeinflusst Blei auch den Schub und das Motordrehmoment. Eine kleinere Steigung wirkt wie eine stärkere mechanische Untersetzung, während eine größere Steigung besser für die Geschwindigkeit ist.

Eine nützliche Formel zur Drehmomentberechnung lautet:

3. Warum Riemen- und Zahnradantriebe normalerweise ein Getriebe benötigen

Riemen-, Ketten- und Zahnradantriebe bieten natürlich nicht die gleiche Art der Rotations--zu-linearen Untersetzung wie eine Kugelumlaufspindel. Wenn ein Motor ein Bandsystem direkt antreibt, ist die Lineargeschwindigkeit möglicherweise zu hoch und das verfügbare Drehmoment reicht möglicherweise nicht für die Last aus.

In Riemen- oder Zahnradübertragungssystemen wird ein Getriebe üblicherweise verwendet, um:

4. Probleme, die durch den Anbau eines Getriebes an einen Kugelgewindetrieb verursacht werden

Es ist technisch möglich, zwischen Motor und Kugelumlaufspindel ein Getriebe einzubauen. Wenn Drehmoment und Drehzahl des Motors jedoch bereits geeignet sind, kann das Getriebe mehr Probleme als Vorteile bringen.

5. Wann ist ein Getriebe für einen Kugelgewindetrieb erforderlich?

Obwohl die meisten Kugelumlaufspindelachsen kein Getriebe benötigen, gibt es einige Sonderfälle, in denen es nützlich sein kann.

6. Sicherheit der vertikalen Achse: Getriebe ist nicht die einzige Lösung

Bei vertikalen Achsen geht es nicht nur um das Drehmoment. Auch die Sicherheit bei Stromausfall ist wichtig. Ein Getriebe kann zur Erhöhung des Haltemoments beitragen, sollte jedoch nicht als einzige Sicherheitsvorrichtung betrachtet werden.

Abhängig vom Maschinendesign können Ingenieure auch Folgendes berücksichtigen:

7. Beispiel für die Auswahl eines realen Motors: Kein Getriebe erforderlich

Betrachten Sie eine typische horizontale Positionierungsachse:

Schritt 1: Schätzen Sie den erforderlichen Schub. Für diese horizontale Anwendung beträgt der erforderliche Schub unter Berücksichtigung der Beschleunigung und des praktischen Spielraums etwa 250 N.

Schritt 2: Berechnen Sie das erforderliche Drehmoment an der Schraubenwelle:

Schritt 3: Überprüfen Sie die Geschwindigkeitsanforderung. Eine Kugelumlaufspindel mit 10 mm Steigung benötigt etwa 1800 U/min, um 300 mm/s zu erreichen:

8. Getriebe oder Direktantrieb? Schnellentscheidungstabelle

9. Welche Informationen sollten Käufer bereitstellen?

Um zu entscheiden, ob eine Kugelumlaufspindelachse ein Getriebe benötigt, sollten zunächst die folgenden Informationen bestätigt werden:

10. Unterstützung bei der Auswahl von Kugelgewindetrieben

In den meisten Fällen ist die Auswahl der richtigen Kugelumlaufspindelsteigung, des richtigen Motordrehmoments, der richtigen Stützeinheit und der richtigen Kupplung wichtiger als der Einbau eines Getriebes. Ein gut abgestimmtes Kugelumlaufspindelsystem kann Kosten senken, Platz sparen und die dynamische Reaktion verbessern.

Abschluss

Die meisten Kugelumlaufspindelsysteme benötigen kein Getriebe, da die Spindelsteigung bereits die Motordrehung in kontrollierte lineare Geschwindigkeit und nutzbaren Schub umwandelt. Für viele Automatisierungsachsen können ein richtig ausgewählter Servomotor und eine Kugelumlaufspindel ausreichend Drehmoment, Geschwindigkeit und Positionierungsleistung ohne zusätzliche Reduzierung bereitstellen.

Ein Getriebe sollte nur dann in Betracht gezogen werden, wenn der Direktantrieb das Drehmoment, die vertikale Sicherheit, die Trägheitsanpassung oder spezielle Installationsanforderungen nicht erfüllen kann. In anderen Fällen kann der Einbau eines Getriebes das Spiel, die Kosten, die Größe und die Trägheit erhöhen und gleichzeitig die dynamische Reaktion verringern.

Die beste Lösung besteht darin, den erforderlichen Schub, das Motordrehmoment, die Schneckengeschwindigkeit und den Sicherheitsspielraum zu berechnen, bevor entschieden wird, ob ein Getriebe erforderlich ist.