Gleitgewindetriebe

Gleitgewindetriebe Produktauswahl

Gleitgewindetriebe – häufig als Trapez- oder Steilgewindespindeln ausgeführt – überzeugen durch robuste Bauweise, hohe Lastaufnahme und inhärente Selbsthemmung. Sie eignen sich für Stellaufgaben ohne Rücklaufgefahr, für Notfallfunktionen und für Anwendungen, bei denen die Antriebseinheit ausgeschaltet oder stromlos gehalten wird.

Gewindespindeln aus Stahl

Klassische Gleitgewindetriebe werden aus legiertem Stahl gefertigt und zeichnen sich durch hohe Belastbarkeit aus. In Verbindung mit Bronze- oder Sintermuttern lassen sich hohe statische Achslasten realisieren. Optional gehärtete Laufbahnen erhöhen die Resistenz gegen abrasive Medien.

Kunststoffmuttern mit Festschmierstoffen

Für wartungsarme Anwendungen werden Muttern aus POM, PEEK oder PTFE-haltigen Compounds eingesetzt. Eingebettete Festschmierstoffe reduzieren das Anlaufmoment und kompensieren fehlende Schmierung über längere Intervalle, beispielsweise in Medizintechnik und Laborautomation.

Steilgewinde für höhere Dynamik

Steilgewindespindeln kombinieren grössere Steigungen mit Gleitgewinde- Eigenschaften. Sie ermöglichen höhere Vorschubgeschwindigkeiten als klassische Trapezgewinde, behalten jedoch eine definierte Selbsthemmung bei, solange nur moderate Steigungen verwendet werden.

Vorgespannte Gleitgewindetriebe

Für präzisere Positionieraufgaben werden Gleitgewindetriebe mit vorgespannten Mutternpaaren eingesetzt. Geteilte Muttern oder Doppelmuttern werden axial gegeneinander verspannt und reduzieren das Umkehrspiel auf wenige Hundertstelmillimeter, ohne den Wechsel auf ein Kugelgewinde zu erzwingen.

Wichtig sind ein kontrolliertes Einstellmoment und die thermische Überwachung: Durch die zusätzliche Vorspannung steigt das Reibmoment, was bei hohen Einschaltdauern zu Erwärmung führen kann. Häufig übertragene Axiallasten sollten deshalb mit Simulation oder Versuchsläufen verifiziert und gegebenenfalls mit temperaturstabilen Schmierstoffen abgesichert werden.

Gleitgewindetriebe – Technische Grundlagen

Funktionsprinzip und Charakteristik

Gleitgewindetriebe übertragen die Axialkraft über flächigen Kontakt zwischen Spindelprofil und Mutterngewinde. Der Wirkungsgrad liegt typischerweise zwischen 30% und 60% – deutlich unter dem von Kugelgewindetrieben, dafür mit der gewünschten Selbsthemmung und hoher Dämpfung gegen Schwingungen. Die Reibung sorgt für kontrolliertes Abbremsen bei Not-Aus-Fällen.

Materialpaarungen

• Stahl/Bronze: Hohe Lastkapazität, gutes Notlaufeigenschaften durch Bronzesplitter, regelmässige Schmierung erforderlich.
• Stahl/Kunststoff: Wartungsarm, beständig gegen Korrosion, geeignet für mittlere Lasten und saubere Umgebungen.
• Edelstahl/Polymer: Medienbeständig und geeignet für häufige Reinigungszyklen.

Schmierung und Verschleiss

Die Lebensdauer wird stark von der Schmierstrategie beeinflusst. Bei Bronze-Muttern empfiehlt sich ein haftfähiges Schmierfett mit Additiven gegen Druckbelastung. Polymermuttern benötigen nur eine Erstschmierung oder laufen trocken, sofern Festschmierstoffe integriert sind. Regelmässige Nachschmierung verhindert Fressen und reduziert das Reibmoment.

Genauigkeit und Spielkompensation

Serienmässige Gleitgewindetriebe besitzen konstruktionsbedingt ein erhöhtes Umkehrspiel. Zur Spielminimierung werden Muttern mit Federvorspannung, geteilte Muttern oder Doppelmuttern eingesetzt. Allerdings steigt dabei das Reibmoment und die thermische Erwärmung. Für Positionieraufgaben mit enger Toleranz sind Kugelgewindetriebe energetisch günstiger.

Energieeffizienz im Vergleich

Kugelgewindetriebe erreichen bis zu 90% Wirkungsgrad, während Gleitgewindetriebe deutlich mehr Antriebsleistung benötigen. Dadurch sind sie für Dauerbetrieb mit hohen Taktzahlen weniger geeignet. Sie spielen ihre Stärken aus, wenn Selbsthemmung gefordert ist oder wenn Lasten langsam und kontrolliert verfahren werden sollen.

Gleitgewinde - Technische Grundlagen

Gewindetypen und Herstellverfahren

Kugel- und Gleitgewindetriebe unterscheiden sich sowohl in ihren Profilformen als auch in der Fertigungstechnologie. Kugelgewinde besitzen in der Regel ein Radiusprofil (Gothic Arch oder Zweiradius-Geometrie), um den Kugelkontakt optimal auszubilden. Gleitgewindetriebe nutzen hingegen überwiegend Trapez-, Sägezahn- oder Sonderprofile, die höhere Reibkräfte verkraften und den Selbsthemm-Effekt unterstützen. Je nach geforderter Genauigkeit, Losbrechmoment und Stückzahl kommen unterschiedliche Herstellverfahren zum Einsatz.

Typische Profile für Kugel- und Gleitgewindespindeln

• Rundgewindeprofil: z. B. nach DIN 405 (Gotisch/Kreisbogen) welche besonders unempfindlich gegen Verschmutzung ist. Sie werden hauptsächlich für Kugelgewindetriebe eingesetzt.
• Kugelprofil: Zweiradius-Profil zur punktgenauen Kugelführung, bevorzugt bei Kugelgewindetrieben mit Kugelumlauf. Liefert hohe Wirkungsgrade, geringe Reibung und kann vorgespannt werden.
• Trapezgewinde (metrisch ACME/TR): Trapezförmiges Flankenprofil mit 30° (metrisch) oder 29° (ANSI/ACME) Flankenwinkel. Für Gleitgewindetriebe geeignet, wenn hohe Kräfte, Selbsthemmung oder robuste Handhabung im Vordergrund stehen.
• Sägezahn- und Buttress-Gewinde: Asymmetrische Flanken für einseitig hohe Axiallasten, etwa in Pressen, Spannsystemen oder Stellschrauben.
• Spezialprofile: Sonderkonturen wie Doppelleiter, mehrgängige Hochleistungsprofile oder Polygongewinde, um Drehzahl, Spielfreiheit oder Schmierstofftaschen zu optimieren.

Fertigungstechnologien für Kugel- und Gleitgewindespindeln

Kugelgewindespindeln werden mit unterschiedlichen Profilqualitäten und Fertigungstechnologien angeboten. Gerollte Spindeln decken den Standardbedarf in Automation und Maschinenbau ab, während geschliffene Varianten höchste Genauigkeits- und Laufruheanforderungen erfüllen. Für besonders grosse Steigungen oder schnelle Prototypen kommen wirbelnd gefertigte Spindeln zum Einsatz. Bei Gleitgewindetrieben ist das Rollen ebenfalls kosteneffizient, während spanend hergestellte Trapezprofile häufig zum Einsatz kommen, wenn Sondergeometrien oder kurze Lieferzeiten im Vordergrund stehen.

Gewinderollen: Beim Kaltumformen durch Rollen bleibt der Faserverlauf des Materials intakt und die Oberfläche wird verdichtet. Das sorgt für hohe Tragzahlen, leisen Lauf und ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis bei mittleren und grossen Serien. Einschränkungen ergeben sich durch begrenzte Profilflexibilität und eine niedrigere Steigungsgenauigkeit (typisch Klassen C7–C5).

Wirbeln: Das Gewindewirbeln fräst das Profil mit einem rotierenden Schneidkopf spanend in einem Zug. Es ermöglicht lange Steigungen, grosse Durchmesser und schnelle Anpassungen bei Sondergeometrien. Die erreichbare Rauheit liegt zwischen Rollen und Schleifen; Werkzeug- und Maschinenkosten sowie der thermische Eintrag sind höher als beim Rollen.

Schleifen: Präzisionsgeschliffene Kugelgewindespindeln erreichen höchste Profiltreue, Steigungsgenauigkeiten bis Klasse C3 und ermöglichen definierte Vorspannungen mit minimalem Umkehrspiel. Der Schleifprozess ist aufwendig und kostenintensiv, amortisiert sich aber bei Positionierachsen mit Mikrometeranforderungen, ruhigem Lauf oder langen Einschaltdauern.

Drehen/Fräsen: Spanend erzeugte Kugelgewinde werden hauptsächlich für Einzelstücke oder Reparaturen eingesetzt. Sie bieten maximale Flexibilität bei Profil und Steigung, weisen aber eine höhere Rauheit auf und erfordern häufig Nacharbeit (z. B. Läppen), um vergleichbare Laufqualitäten wie gerollte oder geschliffene Spindeln zu erreichen.

Steigungsgenauigkeit und Toleranzen

Die Steigungsgenauigkeit von Kugelgewindetrieben richtet sich nach ISO- und JIS-Klassen (z. B. C7, C5, C3) und liegt je nach Klasse zwischen 0,1 mm und 0,008 mm auf 300 mm Referenzlänge. Für hochpräzise Stellbewegungen werden geschliffene Spindeln mit enger Steigungstoleranz eingesetzt, die geringere Steigungsabweichung pro Umdrehung aufweisen und stabile Vorspannungen ermöglichen. Ergänzend lassen sich Messsysteme oder softwareseitige Kompensationstabellen nutzen, um verbleibende Abweichungen in der Steuerung zu korrigieren.

Die folgenden Klassen entsprechen der DIN 69051-3 beziehungsweise ISO 3408-1 und definieren die maximal zulässige Steigungsabweichung:

Oberflächen und Fertigungstechnik

Kaltverformte Gewinde weisen sehr gute Rauheitswerte (Rz ≈ 1,0) auf. Die glattgerollte Oberfläche bietet wenig Angriffspunkte für Schmutz und trägt zu leisen Laufgeräuschen bei. Präzisionsgeschliffene Spindeln erreichen sogar noch geringere Rauheiten (Rz < 0,6) und minimieren Welligkeit, was Vorspannungen stabil hält. Spanend erzeugte Profile benötigen dagegen häufig ein anschliessendes Läppen oder Polieren, um vergleichbare Laufqualität zu erzielen.

Anwendungsleitfaden und Praxis

Auslegung der Tragzahl

Die zulässige Last richtet sich nach der dynamischen und statischen Tragzahl der Mutter. Für intermittierende Stellbewegungen werden Sicherheitsfaktoren von 1,5 bis 2,5 verwendet. Bei dauerhaften Belastungen oder hohen Temperaturen ist der Wirkungsgradverlust zu berücksichtigen, da höhere Antriebsmomente benötigt werden.

Thermische Aspekte

Der Reibschluss erzeugt Wärme, die über Spindel, Mutter und Gehäuse abgeführt werden muss. Eine zu hohe Temperatur führt zu Dimensionsänderungen und beschleunigtem Verschleiss. Kühlpausen oder optimierte Schmierstoffe reduzieren Temperaturspitzen.

Selbsthemmung gezielt nutzen

Trapezgewinde mit kleinen Steigungen bieten eine hohe Selbsthemmung und sichern Achsen auch ohne Haltebremse. Sobald grössere Steigungen oder niedrige Reibwerte gefragt sind, kann eine zusätzliche Bremse erforderlich sein. Beim Retrofit auf Kugelgewinde sinkt die Selbsthemmung, was bei Sicherheitsbetrachtungen zu berücksichtigen ist.

Anwendungsbeispiele

• Hub- und Klemmvorrichtungen im Maschinenbau, bei denen die Last in Position gehalten werden muss.
• Stellglieder für Gebäudetechnik, Ventiltriebe oder Energieanlagen mit geringen Hubfrequenzen.
• Medizintechnik und Laborgeräte, in denen Wartungsfreiheit und leiser Lauf kombiniert werden.
• Handverstellantriebe mit optionaler Motorisierung für Sondermaschinen.

Wartungsempfehlungen

Schutz vor Schmutz und Partikeln ist entscheidend. Abdeckungen, Spindelrohre oder Faltenbälge verhindern das Eindringen abrasiver Medien. Bei Bronze-Muttern ist ein Nachschmierplan zu hinterlegen, während Polymermuttern regelmässig auf Verschleiss und Geräuschverhalten geprüft werden sollten.