Gleitgewindetriebe richtig auslegen

Gleitgewindetriebe sind in der automatisierten Produktion der Industrie 4.0 nicht mehr wegzudenken. Gewindetriebe von Feinmess Suhl kommen in mechatronischen Systemen aller Art zur Anwendung, wenn es um kleine, hochpräzise Stellbewegungen geht: Positionieraufgaben mit und ohne motorischen Antrieb oder die Feinjustage in Geräten und Maschinen. Weitere typische Einsatzmöglichkeiten finden sich in der Medizintechnik, hier für medizinische Geräte oder auch für Dosiereinheiten, aber auch Bewegungen von Klappen, Linsen oder Spiegel für Laser werden über Gewindetriebe ausgeführt. Nicht minder anspruchsvolle Anwendungen kommen aus den Bereichen Automotive, Luft- und Raumfahrt und Halbleiterfertigung.

Seit jeher gehört die Entwicklung und Fertigung von Präzisionsspindeln zu den ursprünglichen Kernkompetenzen von Feinmess Suhl. Nils Blondin, Geschäftsführer der Feinmess Suhl GmbH, erklärt: „Unsere Fähigkeit, Präzisionsgewinde in gehärteten Stahl zu schleifen, ist das Ergebnis jahrelanger Erfahrung und erfordert ein hohes Maß an Geschick, Feingefühl sowie höchste Sorgfalt bei der Herstellung. Seit fast sechs Generationen fließt unser Wissen und unsere Innovationskraft in Präzisionsmesswerkzeuge und -systeme und damit auch in die maschinelle Fertigung von Gewindespindeln.“ Mittlerweile sind bei Feinmess Suhl weitere Verfahren zur Herstellung von Gewindespindeln hinzugekommen. Neben dem Schleifen entstehen die Präzisionsteile auch durch Wirbeln und Walzen: Auf diese Weise sind alle Qualitäten, Mengen und Typen abbildbar, die nachgefragt werden.

Gleitgewindetriebe (GGT) bezeichnen eine bestimmte Bauart eines Gewindetriebs: Das (Negativ-)Gewinde der Mutter hat direkten Kontakt mit der Spindel, anders als beispielsweise beim Kugelgewindetrieb: Hier ist die Mutter über abwälzende Kugeln mit der Spindel verbunden. Daraus folgen konstruktive Unterschiede, die je nach gewünschter Anwendung entscheidend sind, welche Art von Gewindetrieb zu bevorzugen ist.

Gleitgewindetriebe haben eine Selbsthemmung: Beim Ausfall des Antriebs bleibt die Mutter stehen, auch unter Last hält sie ihre Position, was aus Sicherheitsgründen von Vorteil sein kann. GGT haben gute Notlaufeigenschaften: Sie müssen nicht zwingend geschmiert werden, und auch ganz ohne Schmierstoff bleiben sie gängig. Das ist wichtig für Anwendungen, für die hohe Hygienestandards gelten, wie in der Lebensmittelindustrie. Darüber hinaus sind GGT in der Regel kompakt und benötigen nur wenig Platz: eine Eigenschaft, die Konstrukteuren einen hohen Gestaltungsfreiraum lässt. GGT sind zudem robuster als z.B. ein Kugelgewindetrieb und halten auch kurzzeitige Überlast wie Stöße besser aus. Im Betrieb entwickeln GGT nur wenig bis gar keine Geräusche – auch das kann ein wünschenswerter Faktor sein.

Für Gleitgewindetriebe stehen vielfältige Varianten für Beschichtungen, Schmiermittel (und ggf. der Verzicht darauf) und nicht zuletzt auch für die Gewindeform zur Wahl. Anders als beim Kugelgewindetrieb, bei dem das Gewinde zwingend halbrund sein muss, kann das Gewinde eines GGT die unterschiedlichsten Formen haben, wie Trapezgewinde, Gewinde mit einem Flankenwinkel von 60 Grad (metrische ISO-Gewinde), außerdem sogenannte Sägezahn- oder Sägengewinde mit asymmetrischem Profil oder sogar mit unterschiedlichen, wechselnden Steigungen. Auf diese Weise lässt sich bei der Auslegung das zu erzielende Antriebsdrehmoment sehr präzise definieren.

Im Vergleich zu Kugelgewindetrieben haben GGT wegen der Reibung zwischen Gleitmutter und Spindel einen geringeren Wirkungsgrad, typischerweise zwischen 15 bis 35 %. Um diese konstruktiv bedingte Reibung und damit auch den Verschleiß zu minimieren, gibt es verschiedene Verfahren, unter anderem das Läppen. Dabei wird eine spezielle Paste aufgetragen, mit der das Gewinde durch die Gleitmutter selbst eingeschliffen wird ­– auf diese Weise erreicht man eine hohe Oberflächengüte und kontrolliert dabei das axiale und radiale Spiel zwischen Mutter und Spindel. Die von Feinmess Suhl präzise gefertigten Spindeln und Muttern, die in Gewindetrieben zum Einsatz kommen, werden von Hand montiert und eingeläppt, bis eine definierte Leichtgängigkeit (Drehmomente ab 0,05 cNm) und gleichzeitig ein minimales Spiel bis zu 0,001 mm erreicht sind. Die Positioniergenauigkeit der Baugruppen liegt im μm-Bereich, die Wiederholgenauigkeit bei ± 0,002 mm; die Gewindespindeln bieten eine exakte Form- und Maßhaltigkeit bis < Toleranzfeld 1 (1g / 2H)  und eine Verschleißbeständigkeit >10⁶ Zyklen.

Vor allem bei Anwendungen, bei denen ein Gleitgewindetrieb an schwer zugänglichen Stellen eingebaut wird, ist es wichtig darauf zu achten, den Verschleiß möglichst gering zu halten. So finden GGT von Feinmess Suhl in der Halbleiterfertigung oder in der Raumfahrt Verwendung, wo sie auch im Vakuum oder bei extremen Minustemperaturen über eine lange Zeit störungsfrei laufen müssen – und Wartung, Reparatur oder Austausch wären viel zu aufwändig bzw. sogar unmöglich. Entsprechend kommen wartungsfreie Komponenten mit langer Lebensdauer zum Einsatz. Für viele weitere Einsatzmöglichkeiten mit hohen Anforderungen bietet Feinmess Suhl eine Fülle von Optionen, um das genau passende Produkt aus der Vielzahl aller möglichen Varianten der Gleitgewindetriebe zusammenzustellen – von Losgröße 1 bis zur Serienfertigung mit max. 10.000 Stück pro Jahr.

Doch bei der Auslegung eines GGT spielen neben solchen Faktoren wie Umgebungsbedingungen, den angestrebten Wartungsintervallen und der gewünschten Lebensdauer vor allem mechanische Eckdaten eine Rolle: die geforderte Genauigkeit der Positionierbewegung, die Bewegungsdauer und -geschwindigkeit, nicht zuletzt das Spiel der Mutter in Axial-Richtung sowie das seitliche Spiel auf der Spindel. Letzteres lässt sich über die seitliche Vorspannung der Mutter mittels Federkraft erzielen – und dabei sehr genau definieren. Oder auch durch das bereits erwähnte Läppen: Allein damit lässt sich ein minimales Spiel der Mutter von < 3 µm erreichen, und das ganz ohne mechanische Vorspannung.

Tatsächlich ist eine fast völlig spielfrei laufende Mutter selten erwünscht, denn damit steigt das Risiko, dass das Drehmoment steigt. Vielmehr wünschen sich Kunden für bestimmte Anwendungen ein präzise definiertes Spiel, z.B. ein Axialspiel von mindestens 0,1 mm, weil unter Umständen die gesamte Konstruktion nicht völlig steif ist, die vorgesehenen Führungen oder die umgebenden Komponenten nicht exakt gearbeitet sind. Dann kann es eine pragmatische Lösung sein, wenn ein gewisser Spielraum für eventuelle Führungsfehler oder einen Achsversatz, der aus der Einbauumgebung resultiert, einkalkuliert ist. Auch hier hilft das große Know-how der Thüringer Spezialisten, eine präzise angepasste Lösung zu finden.

„Die Auslegung von Gewindetrieben, beispielsweise im Rahmen einer Positionieraufgabe, wird immer mit dem Kunden gemeinsam erarbeitet“, erzählt Nils Blondin. „Sobald die gewünschten Spezifikationen definiert sind, stellen wir die geeigneten GGT zusammen und passen sie an die Fertigung an.“ Eine Art Baukastensystem, aus dem sich die Kunden womöglich selbst bedienen und das Passende konfigurieren können, hat sich in diesem Bereich bislang nicht durchsetzen können – dazu sind die Varianten zu zahlreich, die Anwendungen zu speziell.

Die bewährte Vorgehensweise – Auswählen und Optimieren der infrage kommenden Komponenten in enger Abstimmung mit dem Kunden – führt indes nach wie vor zu besten Resultaten. Typische Kundenanfragen lauten übrigens so: „Ich brauche eine Bewegung von A nach B – wie, ist egal.“ oder auch: „Es muss präzise, schnell und kostengünstig sein – und es soll in diesen kleinen Bauraum passen.“ Speziell, aber nicht unüblich ist auch dieser Wunsch: „Ich brauche eine Lösung, die leichtgängig ist und kein Spiel hat.“ Im Prinzip ein Widerspruch, denn wenn es null Spiel geben soll, ist die Reibung automatisch hoch und steht einem leichten Lauf entgegen. Beim Klären der weiteren Merkmale zeigt sich anschließend rasch, worauf es dem Kunden wirklich ankommt. Am Ende kann Feinmess Suhl praktisch alle Wünsche erfüllen, und sogar scheinbare wie handfeste Widersprüche lassen sich auflösen. Die große Erfahrung und das partnerschaftliche Miteinander bei Feinmess Suhl werden hoch geschätzt. „Wenn Kunden zu uns kommen, müssen sie immer viele Probleme und Aufgabenstellungen gleichzeitig im Blick haben“, erzählt Nils Blondin. „Sie sollen eine Maschine konstruieren und müssen sich um Elektronik kümmern, um optische Systeme und vieles mehr. Wenn sie dann in uns einen kompetenten Ansprechpartner finden, der sich um den passenden Antrieb kümmert und die perfekte Lösung für sie hat, können sie diesen Punkt als erledigt betrachten. Wir merken sehr oft, dass sie das spürbar entlastet.“ Aus dieser Perspektive betrachtet, ist Feinmess Suhl nicht ausschließlich Hersteller von Produkten, findet Nils Blondin. „Letzten Endes könnte man sogar so weit gehen zu sagen, dass wir eine Dienstleistung anbieten, unser Know-how.“

Gegründet 1878 zählt die Feinmess Suhl GmbH mit ihrem breiten Angebot an mechanischer und elektronischer Präzisionsmesstechnik zu den ältesten Herstellern von Messwerkzeugen in Deutschland. Heute bietet das Unternehmen neben Standardpräzisionsmessgeräten vor allem kunden- und applikationsspezifische Systemlösungen an. Voraussetzung dafür ist das breit gefächerte Know-how der insgesamt 95 Mitarbeiter sowie die Verbindung von Präzisionsmesstechnik mit Feinmechanik, Gewinde-, Antriebs- und Automatisierungstechnik. Ein nach DAkkS akkreditiertes Labor für Länge bildet die Basis für Hochpräzisionsmessung. Das seit 25 Jahren zur Steinmeyer-Firmengruppe gehörende Unternehmen ist nach eigenen Angaben Garant für allerhöchste Präzision, Innovation und Qualität.