Trapezgewindespindel

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Was ist eine Trapezgewindespindel?

Trapezgewindespindel montiert

Trapezspindel mit Mutter

Die Trapezgewindespindel ist ein häufig eingesetztes Maschinenelement für Werkzeugmaschinen in der CNC Technik.

Zusammen mit einer Trapezgewindemutter bildet die Einheit den sogenannten Trapezgewindetrieb. Dieser ist ein Schraubengetriebe und kann eine Drehbewegung (rotatorisch) in eine Längsbewegung (translatorisch) umwandeln.

Durch ein Drehen der Trapezgewindespindel bewegt sich also bei korrekter Lagerung Gewindemutter Mutter entlang der Trapezgewindestange.

Bei CNC Maschinen treiben häufig Schrittmotoren die Trapezgewindespindel an und bewegen dadurch die Mutter mit dem Maschinentisch in Achsrichtung.

Anwendungshinweise zur Trapezgewindespindel

Der Flankenwinkel bei metrischen Trapezgewindespindeln beträgt 30° (nach DIN103)

Bild 2: 30° Flankenwinkel einer Trapezgewindespindel

Metrische Trapezgewindespindeln nach DIN 103 haben einen Flankenwinkel von 30° (s. Bild 2). Im Querschnitt haben die Gewindegänge die Form eines Trapezes, woher auch der Name Trapezgewindetrieb abgeleitet wird.

In der Masse werden Trapezgewindespindeln durch Rollen hergestellt. Dadurch dass das Gewinde nicht geschnitten wird, hat man beim Rollen einen ungebrochenen Faserverlauf, die Festigkeit einer gerollten Trapezgewindespindel ist höher. Gerollte Spindeln erkennt man an der kleinen Profilrinne am Außendurchmesser einer Gewindeflanke. Die Gewindemuttern werden dem gegenüber immer geschnitten.

Übliche Materialien der Mutter sind Nylatron, ZX-100K, Messing (gute Notlaufeigenschaften), Grauguss oder auch einfacher Stahl.

Die Schmierung von Spindel und Mutter erfolgt mit einem geeigneten industriellen Schmierfett. Achtung: Bei Muttern aus Kunststoff darauf achten, dass das Fett den Kunststoff nicht angreift.

Trapezgewindespindel: Steigung und Durchmesser

Bild 3: Durchmesser und Steigung der Trapezgewindespindel

Die technische Bezeichnung des Trapezgewindes besteht aus dem Kurzzeichen „TR“, gefolgt vom Nenndurchmesser und der Gewindesteigung. „TR16x4“ bezeichnet zum Beispiel ein Trapezgewinde mit einer Steigung von 4 mm und einem Nenndurchmesser von 16 mm (siehe auch Bild 3). Die Abmessungen aus der DIN 103 als PDF findest du hier. Trapezgewindespindeln gibt es als Rechts- als auch als Linksgewinde.

Beim Kauf solltest du die Steigungs- und Profilgenauigkeit der Trapezgewindestange beachten, diese kann je nach Hersteller zwischen 0,05 mm – 0,30 mm je 300 mm Weg schwanken.

Das Umkehrspiel eines Trapezgewindetriebs lässt sich durch den Einsatz von zwei Muttern, welche man leicht gegeneinander verspannt, minimieren. Auch gibt es einstellbare Trapezmuttern, bei denen mit einer Einstellschraube das Flankenspiel eingestellt werden kann. Weiterhin lässt sich das Umkehrspiel auch per CAM Software kompensieren. Das halte ich aber für eine ungeeignete Maßnahme, da hier zwangsläufig Ungenauigkeiten bei Kreisbahnen und unschöne Kanten auftreten werden.

Auslegung des Trapezgewindetriebs

Folgende Formeln sind für die Auslegung des Trapezgewindetriebs hilfreich. Aus der Berechnung des Antriebsdrehmoments ist über die angestrebte Motordrehzahl auch gleich die Berechnung der notwendigen Motorleistung möglich (P=M*n*2pi). Bei einer ausführlichen Auslegung muss auch die kritische Knicklast berücksichtigt werden, auf die ich an dieser Stelle nicht näher eingehe.

Formeln zur Berechnung des Antriebsdrehmoments

Formeln zur Auslegung des Trapezgewindetriebs

 

 

Wie wird eine Trapezgewindespindel richtig gelagert?

Ideal ist meiner Meinung nach eine Fest-Los Lagerung. Das heißt, dass eines der beiden Lager am Innenring fest mit der Gewindestange und am Außenring fest mit dem Lagergehäuse fixiert ist (=Festlager). Das Loslager kann entweder lose auf die Spindel oder Lose in das Lagergehäuse geschoben werden (lose im Sinne von „in Achsrichtung verschiebbar). Die Sicherung der Lager erfolgt durch Sicherungsringe oder Wellenmuttern. Die Spindelenden müssen für diese Art der Lagerung entsprechend bearbeitet werden.

Der Vorteil einer Fest-Los Lagerung ist, dass Temperaturdehnungen nicht zu Spannungen in der Spindel führen. Eine lange Spindel kann sich im Betrieb erwärmen und um mehrere 0,1 mm verlängern. Eine solche Verlängerung würde zu sehr hohen Spannungen in der Spindel und den Lagerschalen führen, wenn beide Spindelenden fest eingespannt wären. Die Folge wäre dann eine verformte Spindel oder beschädigte Lager.

Trapezgewindespindel mit Fest-Los Lagerung

Lagerung der Spindel

Vor- und Nachteile der Trapezgewindespindel

Vorteile

  • preisgünstig
  • kann spielfrei eingestellt/nachgestellt werden
  • geringere Reibung als Standard ISO Gewinde
  • die Selbsthemmung kann vorteilhaft für z-Achsen sein

Nachteile

  • schlechter Wirkungsgrad durch dauerhafte Gleitreibung
  • Wärmeentwicklung aufgrund der Reibung
  • höhere Antriebsleistung als bei Kugelrollspindeln notwendig
  • geringere Vorschubgeschwindigkeit als mit Kugelgewindetrieben möglich

Typische Anwendungen für Trapezgewindetriebe

Trapezgewindetriebe kommen nicht nur als Antriebselement in Fräs- und Drehmaschinen vor. Weitere typische Einsatzgebiete sind:

  • automatische Hubpressen
  • spielfreie Positioniersysteme
  • Hubmechanismen in der Lebensmittelindustrie

 

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