Analyse des Betriebsverhaltens von Kugelgewindetrieben unter statischen axialen Betriebslasten

Kugelgewindetriebe zählen zu den wichtigsten Hauptkomponenten mechanischer Vorschubantriebe in Werkzeugmaschinen und anderen Maschinen und Anlagen. Ein detailliertes Verständnis des Betriebsverhaltens ermöglicht ihre gezielte Weiterentwicklung sowie die Realisierung der Anforderungen im Rahmen der Industrie 4.0. Diese Forschungsarbeit liefert einen Beitrag zur Beschreibung des Betriebsverhaltens von Kugelgewindetrieben unter statischen axialen Betriebslasten.

Kugelgewindetriebe dienen vornehmlich der Wandlung einer rotatorischen Antriebs- in eine translatorische Abtriebsbewegung. Sie zählen zu den wichtigsten Hauptkomponenten mechanischer Vorschubantriebe in Werkzeugmaschinen und anderen Produktionsanlagen. Bedingt durch die positiven mechanischen Eigenschaften, wie den hohen Wirkungsgrad sowie die geringe Reibung, finden sie in zunehmendem Maße Verwendung in weiteren Applikationen. Kugelgewindetriebe stehen im Zentrum verschiedener Arbeiten. Oftmals ist die Analyse der Lebensdauer und Gebrauchsdauer im Fokus, aber auch das Betriebsverhalten ist zunehmend mehr von Interesse. Ein allumfassendes Verständnis des Betriebsverhaltens, also das Deformationsverhalten der KGT-Spindel und KGT-Mutter sowie die in den einzelnen Wälzkontakten auftretenden Phänomene unter Belastung, ist derzeitig nicht vollständig vorhanden. Diese Forschungsarbeit liefert einen Beitrag zur Beschreibung des Betriebsverhaltens von Kugelgewindetrieben unter statischen axialen Betriebslasten. Im ersten von drei Teilen ist ein mathematisches Berechnungsmodell zur Analyse des Betriebsverhaltens von Kugelgewindetrieben unter statischen axialen Lasten vorgestellt. Innerhalb des Modells sind das elastische Verformungsverhalten der KGT-Spindel und KGT-Mutter unter Lasteinwirkung ebenso wie die im Kontakt der Kugeln zu den Gewindelaufbahnen auftretenden Phänomene berücksichtigt. Hierzu ist ein finite Elemente Balkenmodell mit einem analytisch-numerischen Kontaktmodell für jeden Einzelwälzkontakt zwischen den Kugeln und den Gewindelaufbahnen der KGT-Spindel und KGT-Mutter gekoppelt, woraus eine ganzheitliche Betrachtung des Betriebsverhaltens für den analysierten Lastfall resultiert. Anschließend ist die Qualität des entwickelten Berechnungsmodells mittels experimenteller Untersuchungen des Kraft-Verlagerungsverhaltens von sechs Kugelgewindetrieben mit unterschiedlichen Eigenschaften analysiert. Hierfür wird eine Erweiterung der standardisierten Messmethode vorgestellt. Abschließend wird die Einflussnahme der Geometrie und anderer Einstellgrößen des Kugelgewindetriebs auf dessen Betriebsverhalten betrachtet. Hierzu wird das Betriebsverhalten von Kugelgewindetrieben, unter Anwendung des vorgestellten Berechnungsmodells, für abweichende Geometrien und Vorspannungen vorgestellt.