Aufbau: Spindel, Mutter mit Kugelrückführung, Kugeln
Ein Kugelgewindetrieb wandelt eine Drehbewegung in eine Linearbewegung um – hocheffizient, weil er dabei rollende statt gleitende Reibung nutzt. Er besteht aus drei Hauptbauteilen: der Spindel (ein Stahlzylinder mit geschliffener oder gerollter, spiralförmiger Rille nach ISO 3408 (DIN ISO 3408), Standarddurchmesser 8–80 mm), der Mutter mit Kugelrückführung (Umlenkung), die auf der Spindel sitzt, die Last trägt und die Kugeln nach dem Lastbereich wieder an den Anfang zurückführt, und den Kugeln (gehärtete Stahlkugeln, typisch 4–10 mm), die zwischen Spindel und Mutter abrollen. Ein Käfig, der die Kugeln auf Abstand hält, ist bei Standardmuttern nicht üblich.
Die Rückführung erfolgt je nach Bauart über Umlenkrohr, Umlenkstück oder Stirnkappe. Für die Gesamtauslegung eines Linearsystems kommt zum Kugelgewindetrieb meist noch eine Linearführung hinzu, die Querkräfte und Momente aufnimmt, während der Kugelgewindetrieb ausschließlich die Axialkraft überträgt.
Steigung: Vorschub pro Umdrehung
Die Steigung Ph gibt an, wie weit sich die Mutter bei einer vollständigen Umdrehung (360°) der Spindel linear bewegt – der zentrale Auslegungsparameter für Kraft, Geschwindigkeit und Präzision. Eine kleine Steigung (1–3 mm) liefert je Nm Antriebsmoment eine hohe Axialkraft, aber wenig Vorschub pro Umdrehung – gut für präzise Positionierung; eine größere Steigung (5–10 mm Standard, über 10 mm für Hochgeschwindigkeit) bringt mehr Vorschub pro Umdrehung, verlangt dafür je N Axialkraft mehr Antriebsmoment.
Wirkungsgrad: rollende statt gleitende Reibung
Weil Kugeln rollen statt zu gleiten, erreicht ein Kugelgewindetrieb einen Wirkungsgrad von 90–98 % – eine Trapezgewindespindel mit ihrer Gleitreibung kommt nur auf 25–50 %. Der Wirkungsgrad steckt direkt im Antriebsmoment:
M = F · Ph / (2000 · π · η)
M = Antriebsmoment (Nm) · F = Axialkraft (N) · Ph = Steigung (mm) · η = Wirkungsgrad (0…1)
Genau diese Formel nutzt auch der Kugelgewindetrieb-Rechner: aus Axialkraft, Steigung und Wirkungsgrad das benötigte Antriebsmoment berechnen – bei bekannter Drehzahl n zusätzlich die Antriebsleistung P = M · n / 9550 (in kW).
Merksatz
Rechenbeispiel
Gegeben
Ein Kugelgewindetrieb überträgt eine Axialkraft F = 2.500 N bei einer Steigung Ph = 5 mm und einem Wirkungsgrad η = 0,90.
Berechnung
- M = F · Ph / (2000 · π · η) = 2.500 · 5 / (2000 · π · 0,90) ≈ 2,21 Nm
Zum Nachrechnen: Kugelgewindetrieb-Rechner (öffnet in neuem Tab)
Wissenscheck
Beantworten Sie alle drei Fragen und klicken Sie dann auf „Prüfen". Ab 2 von 3 richtigen Antworten gilt die Einheit als abgeschlossen. Wiederholen ist jederzeit möglich.
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