In einem Datenblatt einer Kugelumlaufspindel kann eine dynamische Tragzahl von 629 kgf aufgeführt sein. Bedeutet das, dass die Kugelumlaufspindel eine Masse von 629 kg sicher heben kann? Nicht unbedingt.
Belastbarkeit der Kugelumlaufspindelkann nicht durch einen Katalogwert dargestellt werden. Die dynamische Tragzahl wird verwendet, um die rollende Ermüdungslebensdauer abzuschätzen, während sich die statische Tragzahl auf die bleibende Verformung unter Spitzenlast bezieht. Die tatsächlich zulässige Belastung muss außerdem die Grenzwerte für Wellenknickung, Stütz-lager, kritische-Drehzahl, Motor, Bremsen und Installation einhalten.
Die Einbauausrichtung ändert nichts an der dynamischen oder statischen Tragzahl des Kugelgewindetriebs im Katalog. Es verändert die tatsächlich auf die Schraube wirkende Axialkraft. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig beim Vergleich horizontaler und vertikaler Achsen.
Hauptladebedingungen
| Parameter | Bedeutung | Verwendet für | Nicht dasselbe wie |
|---|---|---|---|
| Dynamische Tragzahl Ca | Konstante Axiallast bei genormter Lebensdauer | Berechnung der Ermüdungslebensdauer bei wiederholter Bewegung | Maximale sichere Betriebslast |
| Statische Belastungsklasse C0a | Axiale Belastung, die einer definierten bleibenden Kontaktverformung entspricht | Spitzen-Last und statische-Sicherheitsüberprüfung | Empfohlene Dauerbelastung |
| Tatsächliche Axiallast F | Kraft, die während des realen Maschinenzyklus durch die Schraube übertragen wird | Motordimensionierung, Lebensdauer, statische Sicherheit und Strukturprüfungen | Masse von alleine bewegen |
| Äquivalente dynamische Belastung Fm | Zyklus-gewichtete Last, die verwendet wird, wenn sich die Kraft während des Betriebs ändert | Dynamische -Lebensdauerberechnung | Einfache arithmetische Durchschnittslast |
| Zulässige Axiallast | Anwendungsspezifische-zulässige Kraft, nachdem alle Grenzwerte überprüft wurden | Endgültige Auswahl der Kugelumlaufspindel | Ein universeller Prozentsatz von Ca |
Dynamische Tragzahl
Die dynamische Tragzahl Caist eine Referenz zur Ermüdung-des Lebens. Bei einer typischen metrischen Kugelumlaufspindel stellt sie eine konstante Axiallast dar, unter der eine Gruppe nominell identischer Kugelumlaufspindeln eine Nennlebensdauer von einer Million Umdrehungen mit einem definierten Zuverlässigkeitsniveau erreicht.
Dies bedeutet nicht, dass ein kontinuierlicher Betrieb bei Caist die empfohlene Designbedingung. Bei dieser Belastung entspricht die berechnete nominelle Lebensdauer lediglich der normierten Referenzlebensdauer. Eine Maschine, die mehrere zehn Millionen Spindelumdrehungen erfordert, muss mit einer niedrigeren äquivalenten dynamischen Belastung arbeiten oder eine Kugelumlaufspindel mit einer höheren Leistung verwenden.
Daher wird die dynamische Tragzahl in einer Lebensdauergleichung verwendet. Es ist keine direkte Aussage darüber, wie viel Masse eine Maschine tragen kann.
Statische Tragfähigkeit
Die statische Tragzahl C0aist mit bleibender Verformung am am stärksten beanspruchten Kontakt zwischen Kugeln und Laufbahnen verbunden. Sie wird durch ein standardisiertes Verformungskriterium und nicht durch den sichtbaren Bruch der Schraube definiert.
Permanente Einkerbungen können Laufruhe, Geräusche, Vorspannung und Positionierungsverhalten beeinträchtigen, auch wenn sich die Kugelumlaufspindel noch drehen kann. Aus diesem Grund sollte die maximal wirkende Axiallast unter Berücksichtigung einer entsprechenden statischen Sicherheit unter dem zulässigen Wert bleiben.
C0a= grundlegende statische axiale Tragzahl;
Fmax= maximale Axiallast, einschließlich Aufprall- und Notfallbedingungen.
Der erforderliche Sicherheitsfaktor hängt von Vibration, Stoß, Beschleunigung, Montagegenauigkeit und den Folgen eines Ausfalls ab. Sie sollte sich an den Leitlinien des ausgewählten Herstellers und den Konstruktionsanforderungen der Maschine orientieren und nicht an einem einheitlichen Prozentsatz.
kg, kgf und kN
Verwirrung entsteht oft, weil ältere oder regionale Kataloge die Nennwerte für Kugelgewindetriebe in kgf statt in Newton oder Kilonewton angeben.
| Einheit | Maßnahmen | Konvertierung |
|---|---|---|
| kg | Masse | Keine Krafteinheit |
| kgf | Gewalt | 1 kgf=9.80665 N |
| N | Gewalt | 1 N ≈ 0,10197 kgf |
| kN | Gewalt | 1 kN=1.000 N ≈ 101,97 kgf |
Unter normaler Schwerkraft erzeugt eine stationäre Masse von 1 kg eine Gravitationskraft von etwa 1 kgf. Dies bedeutet nicht, dass eine Katalogleistung von 629 kgf einer Maschine automatisch das Heben von 629 kg ermöglicht. Beschleunigung, Prozesskraft, Reibung, Sicherheit, erforderliche Lebensdauer und andere strukturelle Grenzen müssen weiterhin berücksichtigt werden.
Beispiel: Was bedeutet 629 kgf?
Angenommen, in einem Katalog sind die folgenden Werte für eine Kugelumlaufspindel aufgeführt:
- Dynamische Tragzahl Ca= 629 kgf
- Statische Belastungsklasse C0a= 1,270 kgf
In SI-Krafteinheiten umgerechnet:
- 629 kgf ≈ 6,17 kN
- 1.270 kgf ≈ 12,45 kN
Der erste Wert wird bei der Berechnung der Ermüdungslebensdauer verwendet. Die zweite wird bei der Überprüfung der maximalen Belastung und der statischen Sicherheit verwendet. Keiner der beiden Werte allein stellt eine empfohlene Tragfähigkeit dar.
Berechnen Sie die Grundrating-Lebensdauer
Für eine Kugelumlaufspindel, die unter einer konstanten äquivalenten Axiallast betrieben wird, kann die nominelle Lebensdauer in Umdrehungen wie folgt geschätzt werden:
Ca= grundlegende dynamische axiale Tragzahl;
Fm= äquivalente dynamische Axiallast.
Am Beispiel Cavon 629 kgf zeigt, warum die dynamische Belastung nicht als empfohlene Arbeitslast betrachtet werden sollte:
| Äquivalente Last Fm | Ca / Fm | Berechnete Grundrating-Lebensdauer |
|---|---|---|
| 200 kgf | 3.145 | Ungefähr 31,1 Millionen Umdrehungen |
| 400 kgf | 1.573 | Ungefähr 3,89 Millionen Umdrehungen |
| 629 kgf | 1.000 | 1 Million Umdrehungen |
Eine Verdoppelung der Arbeitslast verringert die berechnete Lebensdauer um den Faktor acht, da die Belastung um die dritte Potenz ansteigt. Daher muss vor der Auswahl des Kugelgewindetriebs die erforderliche Lebensdauer ermittelt werden.
Bei bekannter Spindelsteigung können Umdrehungen auch in Gesamtweg umgerechnet werden:
Hierbei handelt es sich um den gesamten akkumulierten Mutterweg, nicht um die physische Länge der Kugelumlaufspindel.
Variable Lasten
Maschinenlasten sind selten konstant. Ein Zyklus kann Beschleunigung, Fahrt mit konstanter-Geschwindigkeit, Bearbeitung, Verzögerung und Rückbewegung umfassen. Die Verwendung eines einfachen arithmetischen Mittelwerts kann dazu führen, dass die Auswirkungen der höchsten Belastungen unterschätzt werden.
Bei konstanter Geschwindigkeit während der einzelnen Betriebsabschnitte kann eine äquivalente dynamische Belastung mit dem kubischen Mittel abgeschätzt werden:
ti= Zeit in diesem Segment verbracht.
Wenn sich auch die Schneckengeschwindigkeit ändert, sollte die Berechnung mit der Anzahl der Umdrehungen in jedem Segment gewichtet werden. Die Spitzenlast muss weiterhin separat anhand der statischen und strukturellen Grenzwerte geprüft werden.
Horizontale Axiallast
Bei einer horizontalen Achse wird das Gewicht des beweglichen Tisches normalerweise von den Linearführungen getragen. Es wirkt nicht direkt als axiale Kugelumlaufspindellast.
Die Schraube muss die erforderliche Kraft erzeugen, um die Masse zu beschleunigen, die Reibung zu überwinden und der Prozessbelastung standzuhalten:
Eine horizontale Maschine kann eine große Masse mit einer relativ geringen, konstanten Axialkraft bewegen, wenn die Führungsreibung gering ist. Eine schnelle Beschleunigung oder eine hohe Schnittkraft können jedoch dennoch zu einer hohen Kugelumlauflast führen.
Vertikale Axiallast
Auf einer vertikalen Achse wirkt die Schwerkraft entlang der Bewegungsrichtung. Die Schraube muss neben der Beschleunigung auch die bewegte Masse tragen und andere Widerstände überwinden.
Für die Aufwärtsbeschleunigung lautet eine vereinfachte Kraftbeziehung:
Während der Abwärtsbeschleunigung oder -verzögerung ändern sich Größe und Richtung. Daher muss der gesamte Bewegungszyklus bewertet werden und nicht nur das stationäre Gewicht.
Eine Kugelumlaufspindel ist außerdem stark rückwärts antreibbar. Eine vertikale Achse erfordert eine Bremse oder eine andere Last-Halte- und Absturzsicherung-. Die Belastbarkeit allein macht eine vertikale Achse bei einem Stromausfall nicht sicher.
Die Ausrichtung ändert die Bewertung nicht
Die gleiche Kugelumlaufspindel behält den gleichen Katalog C beiaund C0aWerte, egal ob horizontal oder vertikal eingebaut. Was sich ändert, ist die tatsächliche Belastung der Maschine.
| Artikel | Horizontale Achse | Vertikale Achse |
|---|---|---|
| Katalog Caund C0a | Unverändert | Unverändert |
| Wirkung der bewegten Masse | Beeinflusst hauptsächlich Beschleunigung und Führungsreibung | Die Schwerkraft wirkt direkt entlang der Schraubenachse |
| Stromausfallrisiko- | Die Last verbleibt im Normalfall auf dem Führungssystem | Die Last kann ohne Bremse rückwärts fahren und absinken |
| Endgültige Auswahl | Basierend auf berechneter Axialkraft und Einschaltdauer | Basierend auf Schwerkraft, Beschleunigung, Arbeitszyklus und Sicherheitssystem |
Andere Belastungsgrenzen
Eine Kugelumlaufspindel erfüllt möglicherweise ihre dynamischen und statischen Anforderungen, ist aber dennoch für die gesamte Achse ungeeignet. Mehrere zusätzliche Grenzwerte müssen überprüft werden.
| Limit | Wovor es schützt | Haupteinflussfaktoren |
|---|---|---|
| Erschöpfung-Lebenslimit | Ermüdung durch rollenden-Kontakt bei wiederholtem Betrieb | Ca, äquivalente Belastung, Drehzahl und Schmierung |
| Statisches-Kontaktlimit | Dauerhafte Einkerbung von Kugeln und Laufbahnen | C0a, Spitzenlast, Schock und Sicherheitsfaktor |
| Knickgrenze | Seitlicher Kollaps unter axialer Druckbelastung | Wellenwurzeldurchmesser, nicht unterstützte Länge und Endunterstützung |
| Unterstützung-Lagergrenze | Lagerüberlastung, axiale Verschiebung und Hitze | Lageranordnung, Vorspannung, Nennleistung und Gehäusesteifigkeit |
| Kritische-Geschwindigkeitsbegrenzung | Wellenpeitsche und Rotationsinstabilität | Wellendurchmesser, Länge, Geschwindigkeit und Stützanordnung |
| Antriebs- und Bremsbegrenzung | Unzureichende Schubkraft, Beschleunigung oder Lasthaltung | Motordrehmoment, Steigung, Wirkungsgrad, Kupplung und Bremsleistung |
Knicken unter Druck
Eine lange Schraube, die unter Druck steht, kann sich bei einer Kraft verbiegen, die unter der statischen Belastbarkeit ihrer Mutter liegt. Das Knicken hängt stark vom Wurzeldurchmesser der Schraube, der nicht unterstützten Länge und der Endunterstützungskonfiguration ab.
Das Ziehen der Schraube unter Spannung erzeugt nicht den gleichen Knickmodus. Aus diesem Grund kommt es bei Langhubmaschinen auf die Richtung an, in der die Schraube die Last überträgt, und auf die Position der festen Stütze.
Die Katalognennleistung der Mutter kann nicht als zulässige Drucklast verwendet werden, bis auch die Säulenbelastungsgrenze der Welle überprüft wurde.
Seitenlast ist keine axiale Kapazität
Kugelgewindetriebe dienen in erster Linie der Übertragung von Axialschub. Die Mutter sollte nicht als Komponente verwendet werden, die den beweglichen Tisch führt oder eine Seitenlast trägt.
Radiale oder Momentbelastungen können durch eine schlechte Ausrichtung, eine nicht unterstützte bewegliche Plattform, eine versetzte Mutternhalterung oder eine Schraubenachse entstehen, die nicht parallel zu den Linearführungen verläuft. Diese Belastungen führen zu ungleichmäßigem Kugelkontakt und können die Lebensdauer verkürzen, selbst wenn die berechnete Axiallast innerhalb der Katalognennwerte liegt.
Das lineare Führungssystem sollte das Gewicht und die Momente des Tisches tragen, während die Kugelumlaufspindel für die axiale Antriebskraft sorgt.
Häufige Interpretationsfehler
- Behandeln der dynamischen Tragzahl als maximale sichere Dauerlast.
- Behandeln der statischen Tragzahl als empfohlene Betriebslast.
- Umwandeln von kgf direkt in Maschinennutzlast, ohne Beschleunigung und Ausrichtung zu berechnen.
- Anwenden eines festen Prozentsatzes von Cazu jeder horizontalen oder vertikalen Achse.
- Verwendung eines arithmetischen Mittels, wenn sich die Last während des Zyklus erheblich ändert.
- Überprüfen Sie die Mutternbewertung und ignorieren Sie dabei das Knicken der Welle unter Druck.
- Angenommen, ein Doppelmutter-Design hat automatisch eine höhere Tragfähigkeit.
- Stütz--Lager-, Motor-, Brems- und Montagegrenzen werden ignoriert.
Abschluss
Die Tragfähigkeit der Kugelumlaufspindel ist kein maximaler Gewichtswert. Dynamische Tragzahl Cawird zur Schätzung der rollenden -Ermüdungslebensdauer verwendet, während die statische Belastungsbewertung C0awird verwendet, um die bleibende Kontaktverformung unter maximaler Belastung zu bewerten.
Bei horizontalem und vertikalem Einbau ändern sich diese Katalogwerte nicht. Sie verändern die tatsächliche Axiallast: Eine horizontale Schnecke überwindet hauptsächlich Beschleunigung, Reibung und Prozesskraft, während eine vertikale Schnecke zusätzlich die Schwerkraftkomponente der bewegten Masse tragen muss.
Die endgültige Auswahl muss die erforderliche Lebensdauer, statische Sicherheit, Wellenknickung, Tragfähigkeit, kritische Drehzahl, Motordrehmoment, Bremsung und Ausrichtung erfüllen. Die zulässige Belastung wird durch den ersten Grenzwert bestimmt, den das Gesamtsystem erreicht.
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