Das Zurückdrehen einer Kugelumlaufspindel erfolgt, wenn eine externe Axialkraft auf die Mutter oder Schraube drückt und das Schraubensystem in Drehung versetzt. Anstatt dass der Motor eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt, wandelt die Last die lineare Bewegung wieder in eine Rotation um.
Dieses Verhalten ist besonders wichtig bei Vertikalachsen, Hebezeugen und Mechanismen, die externen Kräften ausgesetzt sind. Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird und keine geeignete Haltevorrichtung verfügbar ist, kann sich die Last nach unten bewegen und die Kugelumlaufspindel, den Motor und die Getriebekomponenten drehen.
Da eine Kugelumlaufspindel einen Rollkontakt nutzt und eine relativ geringe Reibung aufweist, sollte sie normalerweise nicht als selbsthemmendes Bauteil betrachtet werden. Die praktische technische Frage ist daher nicht nur, ob ein Rückwärtsfahren möglich ist, sondern auch, ob das von der Last erzeugte Drehmoment größer ist als der Widerstand und das verfügbare Haltemoment des gesamten Antriebssystems.
Was verursacht Rückwärtsfahren?
Im Normalbetrieb dreht das Motordrehmoment die Schnecke und erzeugt eine axiale Bewegung. Beim Rückwärtsfahren wird die Richtung der Energieübertragung umgekehrt. Über die Kugelkontaktbahn wirkt eine Axialkraft und erzeugt ein Drehmoment an der Spindelwelle.
Bei einer horizontalen Maschine kann diese Axialkraft von einer Feder, einer Prozesskraft, einem Druck oder einem äußeren Stoß ausgehen. In einer vertikalen Achse übt die Schwerkraft kontinuierlich eine Axialkraft auf die bewegte Masse aus. Sobald das Antriebsdrehmoment oder die Bremse entfernt wird, kann diese Kraft dazu führen, dass sich die Schraube dreht.
Formel für das Rückantriebsdrehmoment
Das durch eine äußere Axiallast an der Kugelumlaufspindelwelle erzeugte ungefähre Drehmoment kann wie folgt berechnet werden:
- Tb= Drehmoment, das durch Rückwärtsfahren erzeugt wird, in N·m
- F= Axialkraft, die auf die Kugelumlaufspindel wirkt, in N
- L= Steigung der Kugelumlaufspindel, in mm/Umdrehung
- ηb= zurückgeschätzte-Fahreffizienz
- 2π= Umrechnung zwischen einer Umdrehung und einer Winkelbewegung
- 1000= Umrechnung von Millimetern in Meter
Die Effizienz beim Rückwärtsfahren-ist nicht automatisch identisch mit der Effizienz beim Vorwärtsfahren. Sie hängt von der Kugelgewindetriebkonstruktion, der Vorspannung, der Schmierung, den Dichtungen, dem Einbauzustand und dem Betriebszustand ab. Verwenden Sie für die Auswahl des endgültigen Brems- oder Sicherheitssystems-verifizierte Produktdaten und berücksichtigen Sie den Widerstand des gesamten Getriebes, anstatt sich nur auf einen angenommenen Effizienzwert zu verlassen.
Berechnungsbeispiel
Stellen Sie sich eine Kugelumlaufspindel vor, die einer Axiallast von 1.000 N ausgesetzt ist. Die Spindelsteigung beträgt 10 mm und für eine erste technische Berechnung wird ein geschätzter Rücktriebswirkungsgrad von 0,80 verwendet.
Gegebene Werte:
- F = 1,000 N
- L=10 mm/U
- ηb = 0.80
Tb = 1,000 × 10 × 0.80 ÷ (2π × 1000)
Tb ≈ 1.27 N·m
In diesem Beispiel kann die Axiallast etwa 1,27 N·m an der Schraubenwelle erzeugen, bevor andere Systemverluste berücksichtigt werden. Dieser Wert ist nicht automatisch die endgültige Bremsspezifikation. Bei der Bremsenauswahl müssen auch Lastschwankungen, Beschleunigung, Übersetzungsverhältnis, Bremsposition, zulässiger Bremsweg, Verschleiß, Temperatur, Montageausrichtung und der erforderliche Sicherheitsspielraum berücksichtigt werden.
So beurteilen Sie das Fahrrisiko.-
Ein vereinfachter vorläufiger Vergleich kann wie folgt ausgedrückt werden:
| Vergleich | Wahrscheinliches Ergebnis | Erforderliche Aktion |
|---|---|---|
| Das von der Last-erzeugte Drehmoment übersteigt den Systemwiderstand | Die Achse kann rückwärts fahren | Sorgen Sie für kontrolliertes Halten oder Bremsen |
| Das Haltedrehmoment liegt nur geringfügig über dem berechneten Gegenantriebsdrehmoment | Kleine Änderungen können zu Bewegungen führen | Überprüfen Sie den Sicherheitsspielraum und die Belastung im ungünstigsten-Fall |
| Das nachgewiesene Bremsmoment übersteigt die Konstruktionsanforderung | Die Bremse kann die Achse wie vorgesehen halten | Bestätigen Sie Bremsverhalten, Verschleiß und Ausfallverhalten |
Der Systemwiderstand kann das Schleppmoment der Kugelumlaufspindel, den Dichtungswiderstand, die Lagerreibung, den Getriebewiderstand und das motorbezogene Drehmoment umfassen. Diese Werte können sich jedoch je nach Schmierung, Temperatur, Verschleiß und Montagezustand ändern. Aus diesem Grund sollte die gemessene Reibung keine formschlüssige Haltevorrichtung ersetzen, bei der unkontrollierte Bewegungen eine Gefahr darstellen könnten.
Faktoren, die das Zurückfahren begünstigen
Höhere axiale Belastung
Das Drehmoment des Rückwärtsantriebs steigt direkt proportional zur Axialkraft. In einem vertikalen System sollten die bewegte Masse und andere in Lastrichtung wirkende Kräfte in die Berechnung einbezogen werden. Dynamische Belastungen, Prozesskräfte und unerwartete Stöße können höher sein als die normale statische Belastung.
Größere Kugelgewindesteigung
Eine größere Steigung erzeugt bei gleicher Axiallast ein höheres Wellendrehmoment. Wenn beispielsweise die Last und der Wirkungsgrad unverändert bleiben, verdoppelt der Wechsel von einer 5-mm-Voreilung zu einer 10-mm-Voreilung ungefähr das berechnete Rückwärtsdrehmoment.
Bei der Leitungsauswahl müssen weiterhin Geschwindigkeit, Motordrehmoment und Positionierungsanforderungen berücksichtigt werden. Eine kleinere Steigung kann das beim Rückwärtsfahren erzeugte Drehmoment verringern, sollte jedoch nicht als unabhängige Sicherheitssperre betrachtet werden.
Geringer mechanischer Widerstand
Effiziente Schmierung, widerstandsarme Dichtungen und korrekt ausgerichtete Lager reduzieren das zum Bewegen der Baugruppe erforderliche Drehmoment. Dies sind wünschenswerte Betriebseigenschaften, bedeuten aber auch, dass zum Zurückdrehen der Schraube möglicherweise weniger Axialkraft erforderlich ist.
Verlust des Motorhaltemoments
Ein angetriebener Motor kann im Normalbetrieb einer Lastbewegung widerstehen. Bei einem Stromausfall, Not-Aus, Antriebsalarm oder Kabelfehler kann dieses aktive Haltemoment verschwinden. Das Maschinendesign muss festlegen, was unter jeder dieser Bedingungen mit der Last geschieht.
Möglichkeiten zur Kontrolle des Rückwärtsfahrens
Motorbremse
Ein mit einer Bremse-ausgestatteter Servo- oder Schrittmotor wird üblicherweise verwendet, um eine stationäre vertikale Achse zu halten. Die Bremse ist im Allgemeinen zum Halten und nicht zum wiederholten dynamischen Stoppen vorgesehen, es sei denn, sie ist speziell für diesen Einsatz ausgelegt. Das Bremsmoment sollte an der tatsächlichen Welle überprüft werden, an der die Bremse installiert ist.
Mechanisches Schloss
Eine mechanische Sicherung, eine Sicherheitsmutter, eine Klemme oder ein Sicherungsstift können für eine unabhängige Haltefunktion sorgen. Dies kann erforderlich sein, wenn Personal in den Gefahrenbereich gelangen könnte oder eine herabfallende Last schwere Schäden an der Ausrüstung verursachen würde.
Gegengewicht
Ein Gegengewicht, eine Gasfeder, ein Pneumatikzylinder oder ein anderer Ausgleichsmechanismus können die auf die Kugelumlaufspindel wirkende Nettoaxialkraft reduzieren. Durch die Reduzierung der effektiven Last verringert sich auch das Drehmoment, dem das Haltesystem standhalten muss.
Übertragungsreduzierung
Ein Riemen oder Getriebe verändert das Drehmoment und die Geschwindigkeit, die von der motorseitigen Bremse wahrgenommen werden. Wenn ein Untersetzungsmechanismus verwendet wird, berechnen Sie das Drehmoment an der Bremswelle und berücksichtigen Sie den Übertragungswirkungsgrad. Vergleichen Sie das Antriebsdrehmoment der Spindel-Rückwelle-nicht direkt mit dem Bremsdrehmoment des Motors-, ohne das Übersetzungsverhältnis zu berücksichtigen.
Kleinere Leine
Die Auswahl einer kleineren Steigung verringert das berechnete Drehmoment des Rückwärtsantriebs bei gleicher Axiallast. Es verändert jedoch auch die erforderliche Schneckengeschwindigkeit, das Motordrehmoment und den Linearweg pro Umdrehung. Blei sollte daher als Teil des gesamten Bewegungsdesigns und nicht als Ersatz für eine Bremse ausgewählt werden.
Warum Vorspannung keine Sicherheitsbremse ist
Eine zunehmende Vorspannung der Mutter erhöht den inneren Widerstand und verringert möglicherweise die Tendenz, sich unter einer kleinen äußeren Kraft zu bewegen. Allerdings erhöht die Vorspannung auch das Antriebsdrehmoment, die Temperatur und die Empfindlichkeit gegenüber Ausrichtungsfehlern. Seine Hauptzwecke sind die Spielkontrolle und die axiale Steifigkeit, nicht das ausfallsichere Halten der Last.
Vorspannung und Schmierstoffzustand können sich während der Wartung ändern. Eine Vertikalachse, die während eines ersten Tests stationär bleibt, kann nach dem Einlaufen, Nachschmieren oder Verschleiß beginnen, sich zu bewegen. Die Haltestrategie sollte daher auf einer verifizierten Bremse oder mechanischen Sicherheitsvorrichtung basieren und nicht auf unsicherer innerer Reibung.
Für eine Back-Drive-Überprüfung erforderliche Informationen
Bevor Sie das Gegendrehmoment berechnen oder ein Haltesystem auswählen, überprüfen Sie die folgenden Daten:
- Maximale axiale Belastung, einschließlich bewegter Masse und Prozesskraft
- Durchmesser und Steigung der Kugelumlaufspindel
- Vertikale, geneigte oder horizontale Montagerichtung
- Struktur mit beweglicher Schraube oder beweglicher Mutter
- Direktantrieb, Riemenantrieb oder Getriebeübersetzung
- Motor- und Bremshaltemoment
- Erforderliches Stopp- und Halteverhalten bei Stromausfall
- Notwendigkeit eines Gegengewichts oder einer unabhängigen mechanischen Verriegelung
Eine umfassendere Erklärung des Lastverhaltens in einem aufrechten Mechanismus finden Sie unterVerwendung einer Kugelumlaufspindel zum Halten einer vertikalen Last. Sie können auch den Zusammenhang zwischen Voreilung und Betriebsgeschwindigkeit überprüfenAuswahl von Hochgeschwindigkeits-Kugelumlaufspindeln.
Abschluss
Beim Rückwärtstreiben einer Kugelumlaufspindel handelt es sich um die umgekehrte Umwandlung einer Axialbewegung in eine Spindeldrehung. Seine Wahrscheinlichkeit und Schwere hängen hauptsächlich von der Axialkraft, der Spindelsteigung, der Effizienz des Rückdrehens und dem Widerstand des gesamten Antriebssystems ab.
Die Berechnung des durch die Last-erzeugten Drehmoments bietet einen nützlichen Ausgangspunkt, vervollständigt jedoch nicht die Sicherheitsbewertung. Vertikale und sicherheitskritische Achsen sollten über eine ordnungsgemäß ausgewählte Haltevorrichtung verfügen und unter maximalen Belastungs-, Stromverlust- und Komponentenausfallbedingungen bewertet werden.
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