Immer das passende Konzept

Was ist besser? Ein Kugelgewindetrieb oder ein Gleitgewindetrieb? Welche Komponente wann eingesetzt wird, hängt im Wesentlichen von dem jeweiligen Anwendungsgebiet mit seinen individuellen Anforderungen ab. Steinmeyer hat die Lösung. 

In der Vorschubachse einer Werkzeugmaschine wirken enorme Kräfte. Entsprechend sollten besonders robuste, zuverlässige und langlebige Komponenten zum Antreiben und Positionieren eingesetzt werden. Diese müssen nicht nur eine große Kraftübertragung, sondern auch eine hohe Dynamik und Präzision über eine lange Laufzeit gewährleisten. „In der Werkzeugmaschine ist deshalb in vielen Fällen ein Kugelgewindetrieb von Vorteil“, erklärt Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter beim Anbieter August Steinmeyer. 

Hoher Wirkungsgrad, geringer Verschleiß 

Kugelgewindetriebe sind zentrale Elemente in Linearantrieben für den Maschinen- und Apparatebau. Sie gewährleisten eine spielfreie und dynamische Umsetzung von Dreh- und Längsbewegungen. Die Komponenten setzen sich aus Spindel, Mutter, Umlenkung und Kugeln zusammen. Die Kugeln zirkulieren in einem Rückführungssystem zwischen dem Gewinde der Mutter und dem der Spindel. „Die Kraftübertragung erfolgt dabei – wie der Name schon sagt – über abwälzende Kugeln und daraus resultiert ein besonders hoher Wirkungsgrad und eine hohe Steifigkeit“, so Klöblen weiter. Durch die sogenannte Rollreibung entstehen zudem weitere Vorteile wie ein geringer Verschleiß und Energieverbrauch, wenig Abwärme sowie eine hohe Positioniergenauigkeit. „Weitere Anwendungen, in denen ein Kugelgewindetrieb die erste Wahl darstellt, finden sich unter anderem in der Lenkung eines Autos oder in Aktuatoren in der Luftfahrt.“ 

Eine kostengünstige Alternative bzw. Ergänzung zum Kugelgewindetrieb stellt der Gleitgewindetrieb dar. Er deckt zusätzliche Anwendungsbereiche ab. Während Kugelgewindetriebe bei den Lasten nach oben hin wesentlich mehr Spielraum bieten, kommen sie auch in Miniaturausführung ab einem bestimmten Punkt konstruktiv an ihre Grenzen, wenn es um den Einsatz in ultrakompakten Bauräumen geht. Dann spielen Gleitgewindetriebe ihre Stärken aus. 

Selbsthemmung für mehr Sicherheit 

Gleitgewindetriebe bestehen lediglich aus zwei Bauteilen: einer Spindel und einer Mutter. Anders als beim Kugelgewindetrieb steht das Gewinde der Mutter durch die Flächenberührung in direktem Kontakt zur Spindel. Dadurch entsteht eine Gleitreibung, woraus auch mehr Abwärme sowie ein höherer Verschleiß und Energiebedarf resultieren. „Typische Einsatzgebiete finden sich in der Gerätetechnik, wenn es etwa darum geht, kleine Massen gleichmäßig und mit hoher Genauigkeit zu bewegen“, erklärt Detlef Rode, Entwicklungsleiter am Standort Suhl der Steinmeyer Gruppe. „Daher sind Gleitgewindetriebe nicht unbedingt für den Dauerbetrieb geeignet, sondern eher für gelegentliche Bewegungen oder Einzeleinstellungen – zum Beispiel, wenn Optiken in Geräten beim Augenarzt auf einer bestimmten Position bleiben sollen – dann ist auch die konstruktiv bedingte Selbsthemmung von Vorteil.“ 

In sicherheitskritischen Applikationen ist die Selbsthemmung von Gleitgewindetrieben sogar unumgänglich: beispielsweise lässt sich damit verhindern, dass sich bei einem Stromausfall die Spindel weiterdreht. Ansonsten kann ein ungewolltes Absinken der Last zu Schäden an der Anlage oder Maschine führen und eine Gefahr für den Bediener darstellen. „Wenn ein Antrieb ausfällt, bleibt die Mutter eines Gleitgewindetriebs sofort stehen und hält ihre Position, so dass keine zusätzliche Bremse erforderlich ist,“ so Rode weiter.  
Außerdem kann durch gezieltes Abschalten des Antriebes beim Halten einer Position ein Wärmeeintrag in das System verhindert und ein Verzug dadurch vermieden werden. Gleitgewindetriebe sind zudem sehr robust und halten auch kurzzeitige Überlast und Stöße aus. Darüber hinaus überzeugen sie durch ihren geräuscharmen Betrieb. 

Einfache und kompakte Bauweise 

Am Standort Suhl werden Gleitgewindetriebe mit variablen Mutterbauformen produziert, was die Möglichkeit der Funktionsintegration bietet – zum Beispiel mit einer Geradführung. So kann mit einem einfachen Stift eine Verdrehsicherung für die Mutter eingebaut werden. „Über das innovative Spindel-Mutter-System kann etwa ein Spiegel an einem Bau-Laser ohne zusätzliche Linearführung bewegt werden“, erläutert Rode. Die reduzierte Anzahl an Bauteilen ermöglicht nicht nur eine kompaktere Auslegung der Gewindetriebe, sondern auch der gesamten Baugruppe. „Das eröffnet konstruktiv vielfältige Möglichkeiten und erleichtert das Umsetzen kundenindividueller Geometrien und innovativer Anwendungen.“ 

Im Vergleich zu Kugelgewindetrieben punkten Gleitgewindetriebe mit ihren überschaubaren Anschaffungskosten, bieten jedoch auch einen geringeren Wirkungsgrad von typischerweise 20 % bis 40 %, in Sonderfällen ohne Selbsthemmung von maximal 80 %. Durch verschiedene Verfahren, wie zum Beispiel das Läppen, lässt sich die Reibung zwischen Mutter und Spindel und damit auch der Verschleiß minimieren. Dennoch kann der hohe Wirkungsgrad eines Kugelgewindetriebs von mehr als 90 % nicht erreicht werden. 

Materialien und Schmierungen 

Bei der Materialauswahl bieten Gleitgewindetriebe den Vorteil, dass sie nicht auf gehärteten Stahl angewiesen sind. Es kommen z. B. für die Mutter auch Buntmetalle wie Messing oder Bronze sowie bestimmte Kunststoffe in Frage. „Mit einer PEEK-Mutter lässt sich beispielsweise eine Selbstschmierungswirkung erreichen, die vor allem in Vakuum, UHV oder EUV von Vorteil ist,“ erklärt Rode. Der Standort Suhl bietet neben verschiedenen Materialien und Schmierkonzepten auch unterschiedliche Beschichtungen an, um z. B. Reibung und Verschleiß zu minimieren oder auf Schmierfett zu verzichten, sowie Bauteile aus nichtrostendem bzw. amagnetischem Stahl für besonders empfindliche medizintechnische Geräte wie MRTs oder CTs. 

Aber auch in Albstadt werden Kugelgewindetriebe in Sonderausführungen mit alternativen Materialien wie Keramik oder Kunststoff sowie verschiedenen Abstreiferarten, Schmiermitteln oder Konservierungsmitteln angeboten, um spezielle Kundenanforderungen umzusetzen und besondere Anforderungen selbst in extremen Umgebungen zu erfüllen – vom Reinraum bis zum Weltraum. 

Auswahl aus dem Baukasten 

Für die Zusammensetzung seiner Kugelgewindetriebe verfügt der Standort Albstadt über ein komplettes Baukastensystem mit Komponenten, die nach Bedarf kombiniert werden können. Dazu zählen verschiedene Mutterntypen für Kugelgewindetriebe mit Spindel-Nenndurchmessern von 3 bis 160 mm, verschiedene Mutterausführungen – mit Flansch oder Gewinde bzw. zylindrisch – und unterschiedliche Tragzahlen aufgrund der unterschiedlichen Kugelgrößen, Gangzahlen und Anzahl der Umläufe. „Bei konstruktiven Größen wie Steigung, Nenndurchmesser, Spindellänge, Lagerung, Einbaulage und Zapfenausführung richten wir uns nach Kundenvorgaben“, erzählt Klöblen. „Außerdem prüfen wir die Vorspannung sowie die Laufeigenschaften, um eine möglichst hohe Qualität unserer Kugelgewindetriebe zu gewährleisten.“ 

Anders als beim Kugelgewindetrieb, mit seiner Kugellaufbahn im gotischen Profil, kann das Gewinde eines Gleitgewindetriebs verschiedene Formen haben, z. B. metrisch bzw. Trapez-, Whitworth-, Säge- oder Rundgewinde. Auch Sonderformen werden in Suhl realisiert. Steigungen sind ab 0,2 mm möglich, bei einem Kugelgewindetrieb ab 0,5 mm. Damit sind mit einem Gleitgewindetrieb sehr langsame und feine Linearbewegungen ohne zusätzliches Getriebe möglich und es ergeben sich vielfältige Optionen bei der Auswahl eines passenden Motors. Die Präzisionsteile der Gleit- und Kugelgewindetriebe entstehen durch verschiedene Fertigungsverfahren wie Gewindeschleifen sowie Rollen, Strehlen, Wirbeln, Fräsen, Hartdrehen oder Sintern: Auf diese Weise sind alle nachgefragten Qualitäten, Mengen und Typen standortübergreifend abbildbar. Die hohen Produktstandards der Steinmeyer-Gruppe werden durch Lebensdauertests, ein Qualitätsmanagement-System und zertifizierte Prozesse sichergestellt. 

Alles aus einer Hand 

Die Kugelgewindetriebe aus Albstadt und die Gleitgewindetriebe aus Suhl zeichnen durch verschiedene Eigenschaften aus, die je nach Anwendung von Vor- oder Nachteil sein können – in der Summe ergänzen sie sich jedoch optimal und decken ein äußerst breites Einsatzspektrum ab. „In einigen Applikationen wird in der vertikalen Achse ein Gleitgewindetrieb verbaut und in der horizontalen Achse ein Kugelgewindetrieb,“ erklärt Klöblen abschließend. „So lassen sich die Vorteile aus beiden Welten geschickt miteinander kombinieren.“ Die Auslegung der Gewindetriebe wird immer mit dem Kunden gemeinsam erarbeitet. Sobald die gewünschten Spezifikationen definiert sind, werden die geeigneten Komponenten zusammengestellt und individuell an die spezifischen Anforderungen des Kunden angepasst. Dabei unterstützen sich die Standorte in Suhl, Albstadt und Dresden gegenseitig. Das Angebot der Steinmeyer-Gruppe reicht von der einfachen Spindel bis hin zur komplexen Baugruppe. 

Autor: Jens-Uwe Gühring, Vertriebsleiter, August Steinmeyer GmbH & Co. KG 

Bilder: August Steinmeyer GmbH & Co. KG, Feinmess Suhl GmbH