Kugelgewindemuttern - die Funktionsgaranten
Die Kugelgewindemutter ist das komplexeste Bauteil des Kugelgewindetriebes. Insbesondere von der Mutter hängt die einwandfreie Funktion des Kugelgewindetriebes ab, da in ihr die Kugellaufbahnen, die Kugelrückführungen und die Abstreifer enthalten sind. Über die Mutter wird gegebenenfalls die Vorspannung erzeugt, die einerseits zur Vermeidung der Umkehrspanne dient und andererseits die Steifigkeit erhöht.
Höchste Anforderungen an Material und Ausführung der Muttern
Da die Mutter nicht nur an den abwälzenden Bewegungen der Kugeln im Gewinde, sondern auch an der Kugelrückführung beteiligt ist, unterliegt sie im Gegensatz zur Spindel einer ständigen Belastung. Daher ist die Betriebstemperatur auf der Mutteroberfläche immer etwas höher (ca. 5K) als die auf der Spindeloberfläche. Damit die hohe Belastung von der Mutter über die gesamte Gebrauchsdauer sicher ertragen werden kann, ist die Mutter üblicherweise aus hochwertigem Kugellagerstahl (100Cr6) hergestellt und durchgehärtet.
Sind die Spindeln aufgrund der erforderlichen Hublängen immer individuelle Anfertigungen, so können die Muttern einer gewissen Standardisierung der Baugrößen unterliegen. Diese kann in den Abmessungen nach der DIN ISO 3408 bzw. DIN 69051 oder auch herstellerspezifisch erfolgen. Bei vielen Anwendungen sind aber auch die Muttern, den Anforderungen entsprechende, individuelle Sonderbauteile.
Anforderungen an unterschiedliche Mutterbauformen
Je nach Anforderung und Einbausituation gibt es trotz aller Standardisierungsbemühungen unterschiedlichste Mutterbauformen. Das erste Unterscheidungskriterium bei Kugelgewindemuttern ist die Anzahl der Mutterkörperteile. Hierbei wird zwischen Einzelmutter und Doppelmutter unterschieden. Aufgrund von herstellungstechnischen Notwendigkeiten können aber auch mehr als zwei Mutterteile für ein Muttersystem notwendig werden.
Doppelmutter oder Mehrfachmutter
Die Doppelmutter ist die klassische Mutterbauform, die speziell im Werkzeugmaschinenbau große Verbreitung hat, da hier fast ausschließlich vorgespannte Systeme mit 2-Punkt-Kontakt zum Einsatz kommen. Die beiden Mutterkörperteile werden so montiert, dass die Kugeln zwischen den Laufbahnen der Spindel und der Mutter eingespannt sind. Die axiale Verschiebung kann durch eingeschliffene Zwischenscheiben oder durch Verdrehen der Mutterteile zueinander erfolgen. In beiden Fällen wird der Abstand zwischen den Gewindeumläufen der beiden Mutterteile vergrößert oder verkleinert.
Die Doppelmutter ist die klassische Mutterbauform eines Kugelgewindetriebes. Sie besteht üblicherweise aus zwei Teilen, wobei der eine Teil (als Lastmutter) die äußere Last aufnimmt und der andere Mutterteil (als Vorspannmutter) die Vorspannung erzeugt. Dabei ist die Lastmutter immer die Mutter, über die die Axialkraft im direkten Kraftfluss geleitet wird.
Je nach Kraftfluss können in einer Doppelmutter O- oder X-Vorspannungen erzeugt werden. Aus fertigungstechnischen Gründen können bei Doppelmuttern die tragenden Mutterteile auch zweiteilig ausgeführt werden, sodass eine Dreifach- bzw. Vierfachmutter ebenfalls möglich ist.
Die Doppelmutter kann sowohl als zylindrische Mutter wie auch als Flanschmutter ausgeführt sein. Bei der zylindrischen Mutter sind beide Mutterteile geometrisch identisch. Die Vorspannung wird dann von außen, über mindestens einen Druckflansch, als X-Verspannung aufgebracht.
Bei der Flanschmutter wird zwischen dem Bauteil mit Flansch und der Gegenmutter (ohne Flansch) unterschieden. Die Vorspannung wird dann immer von innen, über die axiale Verschiebung der Gewindeumläufe, als O-Verspannung erzeugt. Diese Verschiebung kann dabei sowohl über Zwischenringe, als auch über die Verdrehung der Mutterteile erfolgen.
Einzelmutter
Die Einzelmutter ist die kompakteste und kostengünstige Mutterbauform. Sie ist aus diesem Grund sehr weit verbreitet und besteht nur aus einem Mutterkörperteil mit kontinuierlichem Gewindeverlauf. In der einfachsten Ausführung haben Einzelmuttern ein leichtes Axialspiel.
Durch Variation in den Gewindeumläufen und / oder einer Kugelsortierung sowie der konstruktiven Gestaltung sind auch spielfreie, vorgespannte Einzelmuttern möglich. Wegen des oftmals nicht idealen Laufverhaltens dieser Ausführungen ist die Vorspannung meist mit erhöhter Reibung, erhöhter Betriebstemperatur und verstärktem Verschleiß verbunden. Einzelmuttern mit Vorspannung reagieren etwas stärker auf Fertigungstoleranzen, sodass sehr lange Spindeln normalerweise nicht mit vorgespannten Einzelmuttern ausgestattet werden. Bei Einzelmuttern ohne Vorspannung gilt dies nicht, da sie unter axialer Belastung immer im 2-Punkt-Kontakt laufen. Bei Einzelmuttern mit 4-Punkt-Kontakt kann es bei Lastspitzen nicht zu einer Kugelentlastung und somit nicht zu rutschenden Kugeln kommen, da die Lastübertragung und die Vorspannung über die gleichen Kugeln erfolgt.
Vorspannung durch Kugelsortierung
Die einfachste Möglichkeit, das Spiel in einer Einzelmutter zu beseitigen, ist die Verwendung von Abmaßkugeln. Diese Kugeln sind größer als der Bauraum, der von den vier Laufbahnflanken auf der Spindel und in der Mutter bestimmt wird. Die Kugeln müssen unter Krafteinwirkung in diesen an sich zu kleinen Einbauraum gedrückt werden. Durch die elastischen Abplattungen an den Kugeln und in den Laufbahnen kommt es zum 4-Punkt-Kontakt. Da die DIN ISO 3408 nicht als Berechnungsgrundlage bei 4-Punkt-Kontakt Gültigkeit hat, muss die Vorspannungsgröße empirisch ermittelt werden.
Die Größe der Vorspannung ist bei der Kugelsortierung nicht stufenlos einstellbar, sondern allein vom Übermaß der Kugeln abhängig und setzt voraus, dass die vorgeschriebene Gewindeform von der Fertigung genau erreicht wird. Die konstruktiv festgelegten Orte der Kugeltragpunkte müssen sich bei der Montage auch ergeben können. Nur dann ist die Vorspannkraft in der Einzelmutter auch erfassbar und vorhanden.
Vorspannung durch Steigungsversatz
Bei zwei- oder mehrgängigen Kugelgewinden kann die Vorspannung bei Einzelmuttern auch durch den Teilungsversatz der Gewindesteigung zwischen den einzelnen Gängen in der Mutter erreicht werden. Durch diesen Versatz läuft jeder Kugelsatz voneinander unabhängig an einer anderen Flanke des Spindelgewindes. Die Vorspannung erfolgt durch den Kugellauf auf beiden Flanken im 2-Punkt-Kontakt. Die Vorspannungsgröße wird vom gefertigten Steigungsversatz bestimmt. Durch eine zusätzliche Kugelsortierung kann die Vorspannung modifiziert werden.
Vorspannung durch Gewindeshiftung
Um eingängige Kugelgewinde vorspannen zu können, besteht auch die Möglichkeit einer Gewindeshiftung in der Mutter. Hierbei wird der mittlere Gewindeumlauf mit einem stetig ansteigenden Steigungssprung gefertigt. Die Kugeln laufen somit zunächst auf einer Gewindeflanke, in der Mitte mit Spiel und wechseln dann auf die Gegenflanke. Auch hierbei erfolgt die Vorspannung durch den Kugellauf auf beiden Flanken im 2-Punkt-Kontakt. Die Vorspannungsgröße wird vom gefertigten Steigungssprung bestimmt. Die Feinabstimmung der Vorspannung kann dann ebenfalls durch Kugelsortierungen erfolgen.
Vorspannung durch geschlitzte Mutter
Eine weitere Möglichkeit, eine spielfreie Einzelmutter herzustellen, ist das axiale Schlitzen und Verspannen des Mutterkörpers. Die Schlitzbreite im Mutterkörper wird über eine Spannschraube verändert. Hierdurch wird der Laufbahndurchmesser verringert und es entsteht wie bei der Kugelsortierung eine Vorspannung mit 4-Punkt-Kontakt. Allerdings verändert sich neben der Laufbahngeometrie auch die Rundheit im Muttergewinde, sodass die Vorspannung und das Laufverhalten jeder Kugel nicht konstant und gleichmäßig sind.
Unterschiedliche Mutterbauformen
Ein zweites Unterscheidungskriterium ist die Außenkontur bzw. die Befestigungsart der Mutter. Neben der zylindrischen Bauform ist auch die Flanschbauform von Bedeutung.
Bei der vorgespannten zylindrischen Bauform über eine Doppelmutter müssen die beiden Mutterkörperteile immer in ein Gehäuse montiert werden. Die Vorspannung erfolgt dann von außen nach innen über Druckflansche. Die Begrenzung der Vorspannung erfolgt über eine Distanzscheibe zwischen den Mutternteilen. Hierbei entsteht immer eine X-Vorspannung.
Bei den Flanschbauformen (mit Seiten- oder Mittenflansch) ist der Befestigungsflansch immer fester Bestandteil des Mutterkörpers. Die Vorspannung wird über das Gegenmutterteil durch Verdrehen der beiden Mutterteile zueinander oder über eine anpassbare Zwischenscheibe von innen nach außen erzeugt. Die Gegenmutter wird nur durch die Kugeln und die einwirkende Vorspannkraft in den Laufbahnen gehalten. Die Einstellung der variablen Vorspannkraft ist ein individueller Montageprozess, der sehr gut auf den Anwendungsfall abstimmbar ist und optimale Voraussetzungen für hohe Tragfähigkeit und lange Haltbarkeit schafft.
