Spindelhubgetriebe auslegen

Aufbau: Antrieb, Schneckengetriebe, Spindel

Eine Hubanlage mit Spindelhubgetriebe ist eine modulare Lösung aus mehreren Komponenten: einem Elektromotor, einem Schneckengetriebe, das eine hohe Untersetzung und ein hohes Drehmoment erzeugt, einer Trapez- oder Kugelgewindespindel, die das Drehmoment in Hubkraft umwandelt, sowie Führungsschienen, die die Last während des Hubs stabilisieren. Das Getriebe im engeren Sinn sind Schneckenstufe und Spindel; Motor und Führungen gehören zur Hubanlage. Diese Modularität erlaubt, Motorgröße, Getriebeuntersetzung, Spindel und Führung unabhängig für den jeweiligen Anwendungsfall zu wählen. Maßgeblich für den Motor ist das erforderliche Antriebsmoment, nicht eine pauschale Leistungsangabe.

Zwei Bauformen sind verbreitet: Bei der stehenden (nicht rotierenden) Spindel ist die Spindelmutter fest im Getriebe eingebaut – sie ist zugleich das Schneckenrad. Die Spindel ist gegen Verdrehen gesichert und fährt axial aus dem Getriebe aus; sie trägt die Last an ihrem Kopf. Bei der rotierenden Spindel (Laufmutterausführung) dreht die axial festgelegte Spindel, und eine Laufmutter wandert an ihr entlang und nimmt die Last auf. Die Laufmutter muss gegen Mitdrehen gesichert sein, meist über die geführte Last. Weil die Spindel dabei nicht ausfährt, bleibt die Einbauhöhe konstant – das ist bei langen Hüben von Vorteil. Die Nennhubkraft des Getriebes hängt von Spindel und Getriebegröße ab. Bei Druckbelastung kann aber die Knicklast der Spindel die zulässige Hubkraft begrenzen – und die hängt von der freien Spindellänge und der Lagerung ab, also auch von der Bauform (siehe Einheit 2). Für Spindelhubgetriebe rechnen Hersteller oft mit Knicksicherheit 3; in der Kugelgewindetrieb-Einheit gilt S ≥ 2 als katalogübliche Faustregel, verbindlich ist die Herstellerangabe.

Hubgeschwindigkeit und Antriebsmoment

Aus Antriebsdrehzahl n, Spindelsteigung Ph und Getriebeübersetzung i folgt die Hubgeschwindigkeit; aus Axialkraft F, Steigung, Übersetzung und Wirkungsgrad η das erforderliche Antriebsmoment:

Anders als bei der Kugelgewindetrieb-Formel dieses Moduls (dort steht F in N) wird die Axialkraft F hier in kN eingesetzt: Die Konstante im Nenner lautet deshalb 2 statt 2.000 (2.000 : 1.000 = 2), zusätzlich steht dort die Getriebeübersetzung i der Schneckenstufe des Spindelhubgetriebes.

Trapez- oder Kugelgewindespindel?

Die Spindelart entscheidet über Wirkungsgrad, Selbsthemmung und Kosten: Die Trapezspindel (DIN 103) hat Gleitreibung, einen Wirkungsgrad von etwa 0,30–0,50 und ist bei kleinem Steigungswinkel selbsthemmend – günstiger, aber verschleißanfälliger. Beide Eigenschaften hängen zusammen: Je kleiner der Steigungswinkel, desto kleiner der Wirkungsgrad und desto sicherer die Selbsthemmung. Liegt der Wirkungsgrad der Spindel im Lauf über rund 0,5, ist mit Selbsthemmung nicht mehr zu rechnen. Die Kugelgewindespindel (ISO 3408) nutzt rollende Reibung, erreicht 0,90–0,98 Wirkungsgrad und ist vorspannbar spielfrei, dafür teurer und nicht selbsthemmend – sie braucht eine Haltebremse.

Diese Werte gelten für die Spindel allein. Im kompletten Hubgetriebe kommt der Wirkungsgrad der Schneckenstufe hinzu. Der Gesamtwirkungsgrad ist deshalb deutlich kleiner – als Anhaltswert (Herstellerangaben) etwa 0,1–0,45 mit Trapezspindel und 0,3–0,8 mit Kugelgewindespindel, je nach Baugröße, Untersetzung und Drehzahl. In die Momentenformel gehört immer der Katalogwert des Getriebes – für das Anlaufen der Anlaufwirkungsgrad oder die vom Hersteller genannte Reserve.

Ob eine Trapezspindel tatsächlich selbsthemmend ist, entscheidet der Steigungswinkel gegenüber der Reibung. Vereinfacht gilt Selbsthemmung, wenn tan(Steigungswinkel) ≤ μ′ ist (μ′ = scheinbare Reibungszahl; beim Trapezgewinde μ′ = μ / cos 15°, μ = Haftreibungszahl). Hubgetriebe-Hersteller arbeiten mit festen Grenzen, zum Beispiel: über rund 4,5° Steigungswinkel keine Selbsthemmung, zwischen etwa 2,4° und 4,5° nur statische, darunter auch dynamische (jeweils ohne Erschütterungen). Andere Kataloge sind strenger und sagen Selbsthemmung erst unter 3° Steigungswinkel zu oder nennen Wirkungsgradgrenzen, etwa statische Selbsthemmung erst unter rund 0,3 Gesamtwirkungsgrad. Übliche eingängige Hubspindeln liegen bei rund 3° bis 6° – also genau im Grenzbereich. Das sind Faustwerte und sie hängen vom Hersteller ab – maßgeblich ist die Angabe im Katalog der eingesetzten Baureihe; im Zweifel gilt die strengere Grenze, und ohne Zusage des Herstellers ist eine Haltebremse vorzusehen.

Rechenbeispiel