Gewindespindel - Leadscrew

Drei Arten von Schraubengewinden in Leitspindeln verwendet:
3 und 4: Sägezahngewinde
5: Rundgewinde
6: quadratisches Gewinde

DVD-Laufwerk mit Leitspindel und Schrittmotor .

Diskettenlaufwerk mit Leitspindel und Schrittmotor.

Eine Leitspindel (oder Leitspindel ), auch bekannt als Antriebsspindel oder Übersetzungsspindel , ist eine Schraube, die als Gestänge in einer Maschine verwendet wird, um Drehbewegungen in Linearbewegungen zu übersetzen . Wegen der großen Fläche des Gleitkontaktes zwischen den männlichen und weiblichen Elementen, Schraubgewinden haben größere Reibungsenergieverluste im Vergleich zu anderen Verbindungen . Sie werden normalerweise nicht verwendet, um hohe Leistung zu übertragen, sondern eher für den intermittierenden Einsatz in Antrieben und Stellungsreglern mit geringer Leistung. Leitspindeln werden häufig in Linearaktuatoren , Maschinenschlitten (wie in Werkzeugmaschinen ), Schraubstöcken , Pressen und Wagenhebern verwendet . Gewindespindeln sind eine gängige Komponente in elektrischen Linearaktuatoren.

Gewindespindeln werden wie andere Gewindeformen hergestellt (sie können gerollt, geschnitten oder geschliffen werden ).

Eine Leitspindel ist manchmal mit einer gebrauchten geteilte Mutter auch Halbmutter genannt , die die Mutter von den Fäden ausgerückt werden können und die in axialer Richtung unabhängig von der Schneckenrotation, wenn erforderlich (wie in bewegter Einpunkt-Threading auf einer manuelle Drehmaschine). Eine geteilte Mutter kann auch verwendet werden, um den Verschleiß durch Zusammendrücken der Teile der Mutter auszugleichen.

Eine hydrostatische Spindel überwindet viele der Nachteile einer normalen Spindel mit hoher Positionsgenauigkeit, sehr geringer Reibung und sehr geringem Verschleiß, erfordert jedoch eine kontinuierliche Zufuhr von Hochdruckflüssigkeit und eine hochpräzise Fertigung, was zu erheblich höheren Kosten als die meisten anderen Linearbewegungsgestänge führt .

Typen

Kraftschrauben werden nach der Geometrie ihres Gewindes klassifiziert . V-Gewinde sind für Leitspindeln weniger geeignet als andere wie Acme, da sie mehr Reibung zwischen den Gewinden haben. Ihre Gewinde sind so konstruiert, dass sie diese Reibung erzeugen, um ein Lösen des Befestigungselements zu verhindern. Gewindespindeln hingegen sind darauf ausgelegt, die Reibung zu minimieren. Daher werden bei den meisten kommerziellen und industriellen Anwendungen V-Gewinde für die Verwendung mit Leitspindeln vermieden. Trotzdem werden V-Gewinde manchmal erfolgreich als Leitspindeln verwendet, zum Beispiel auf Mikrodrehmaschinen und Mikrofräsern.

Vierkantgewinde

Quadratische Gewinde werden nach ihrer quadratischen Geometrie benannt. Sie sind am effizientesten und haben die geringste Reibung , daher werden sie oft für Schrauben mit hoher Leistung verwendet. Sie sind aber auch am schwierigsten zu bearbeiten und damit am teuersten.

Acme-Gewinde / Trapezgewinde

Eine Acme-Schraube

Acme-Gewinde haben einen Gewindewinkel von 29° , der leichter zu bearbeiten ist als Vierkantgewinde. Sie sind aufgrund der durch den Gewindewinkel induzierten erhöhten Reibung nicht so effizient wie Vierkantgewinde. Acme-Gewinde sind aufgrund ihres trapezförmigen Gewindeprofils im Allgemeinen auch stärker als Vierkantgewinde, das eine höhere Tragfähigkeit bietet.

Strebefaden

Strebefäden haben eine dreieckige Form. Diese werden dort eingesetzt, wo die Belastungskraft auf die Schraube nur in eine Richtung wirkt. Sie sind in diesen Anwendungen genauso effizient wie Vierkantgewinde, aber einfacher herzustellen.

Vorteile Nachteile

Leitschrauben werden verwendet, um die Fronttür des Boeing 747-8F Frachtflugzeugs anzuheben und abzusenken .

Die Vorteile einer Leitspindel sind:

• Große Tragfähigkeit
• Kompakt
• Einfach zu gestalten
• Einfach herzustellen; keine Spezialmaschinen erforderlich
• Großer mechanischer Vorteil
• Präzise und genaue Linearbewegung
• Reibungslos, leise und wartungsarm
• Minimale Anzahl von Teilen
• Die meisten sind selbsthemmend (kann nicht zurückgefahren werden)

Die Nachteile sind, dass die meisten nicht sehr effizient sind. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades können sie nicht in Anwendungen zur kontinuierlichen Kraftübertragung eingesetzt werden. Außerdem haben sie eine hohe Reibung an den Fäden, die die Fäden schnell verschleißen können. Bei Vierkantgewinden muss die Mutter ersetzt werden; bei Trapezgewinden kann zum Ausgleich des Verschleißes eine geteilte Mutter verwendet werden.

Alternativen

Alternativen zur Betätigung durch eine Leitspindel sind:

• Kugelumlaufspindeln und Rollengewindetriebe (manchmal auch als Typ von Leitspindel kategorisierte und nicht im Gegensatz zu)
• Fluidtechnik (dh Hydraulik und Pneumatik )
• Getriebe (z. B. Schneckengetriebe , Zahnstangenantriebe )
• Elektromagnetische Betätigung (zB Magnetspulen )
• Piezoelektrische Betätigung

Mechanik

Schema eines "unverpackten" Schraubgewindes

Das Drehmoment, das zum Heben oder Senken einer Last erforderlich ist, kann berechnet werden, indem eine Umdrehung eines Fadens "entwickelt" wird. Dies lässt sich am einfachsten für ein Vierkant- oder Sägezahngewinde beschreiben, da der Gewindewinkel 0 ist und keinen Einfluss auf die Berechnungen hat. Der ungewickelte Faden bildet ein rechtwinkliges Dreieck, wobei die Basis lang ist und die Höhe die Führung ist (Bild rechts). Die Kraft der Last ist nach unten gerichtet, die Normalkraft steht senkrecht zur Hypotenuse des Dreiecks, die Reibungskraft ist entgegen der Bewegungsrichtung (senkrecht zur Normalkraft oder entlang der Hypotenuse) und eine imaginäre Die Kraft "Aufwand" wirkt horizontal entgegen der Richtung der Reibungskraft. Anhand dieses Freikörperdiagramms lässt sich das erforderliche Drehmoment zum Heben oder Senken einer Last berechnen: ${\displaystyle \pi d_{\text{m}}}$

${\displaystyle T_{\text{raise}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi\mu d_{\text{m}}} {\pi d_{\text{m}}-\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\tan {\left(\phi +\lambda\ Rechts)}}$

${\displaystyle T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi\mu d_{\text{m}}-l }{\pi d_{\text{m}}+\mu l}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}}{2}}\tan {\left(\phi -\lambda \Rechts)}}$

wo

• ${\displaystyle T}$ = Drehmoment
• ${\displaystyle F}$ = Belastung der Schraube
• ${\displaystyle d_{\text{m}}}$ = mittlerer Durchmesser
• ${\displaystyle \mu\,}$ = Reibungskoeffizient (gemeinsame Werte finden Sie in nebenstehender Tabelle)
• ${\displaystyle l}$ = führen
• ${\displaystyle \phi\,}$= Reibungswinkel
• ${\displaystyle \lambda\,}$ = Steigungswinkel

Anhand der Gleichung lässt sich feststellen, dass die Schraube selbsthemmend ist, wenn der Reibungskoeffizient größer als die Tangente des Steigungswinkels ist. Ein äquivalenter Vergleich ist, wenn der Reibungswinkel größer als der Steigungswinkel ist ( ). Wenn dies nicht der Fall ist, fährt die Schraube zurück oder senkt sich unter dem Gewicht der Last. ${\displaystyle T_{\text{lower}}}$${\displaystyle \phi >\lambda}$

Effizienz

Der mit den obigen Drehmomentgleichungen berechnete Wirkungsgrad beträgt:

${\displaystyle {\mbox{efficiency}}={\frac {T_{0}}{T_{\text{raise}}}}={\frac {Fl}{2\pi T_{\text{raise}} }}={\frac{\tan{\lambda}}{\tan{\left(\phi+\lambda\right)}}}}$

Gewindewinkel ungleich Null

Bei Schrauben mit einem von Null verschiedenen Gewindewinkel, wie zB einem Trapezgewinde, muss dies durch Erhöhung der Reibungskräfte ausgeglichen werden. Die folgenden Gleichungen berücksichtigen dies:

${\displaystyle T_{\text{erhöhen}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {l+\pi\mu d_{\text{m}}\ sec {\alpha}}{\pi d_{\text{m}}-\mu l\sec {\alpha}}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}} \left({\frac {\mu\sec {\alpha}+\tan{\lambda}}{1-\mu\sec {\alpha}\tan{\lambda}}}\right)}$

${\displaystyle T_{\text{lower}}={\frac {Fd_{\text{m}}}{2}}\left({\frac {\pi\mu d_{\text{m}}\sec {\alpha}-l}{\pi d_{\text{m}}+\mu l\sec {\alpha}}}\right)={\frac {Fd_{\text{m}}}{2} }\left({\frac {\mu\sec {\alpha}-\tan {\lambda}}{1+\mu\sec {\alpha}\tan {\lambda}}}\right)}$

wo ist der halbe Gewindewinkel. ${\displaystyle \alpha\,}$

Wenn die Leitspindel einen Bund hat, in dem die Last mitläuft, müssen auch die Reibungskräfte zwischen der Schnittstelle bei der Drehmomentberechnung berücksichtigt werden. Für die folgende Gleichung wird angenommen, dass sich die Last auf den mittleren Kragendurchmesser konzentriert ( ): ${\displaystyle d_{\text{c}}}$

Auftragung des Wirkungsgrads der Vierkantspindel gegen den Steigungswinkel für verschiedene Reibungskoeffizienten

${\displaystyle T_{\text{c}}={\frac {F\mu_{\text{c}}d_{\text{c}}}{2}}}$

wobei der Reibungskoeffizient zwischen dem Kragen bei der Last und der mittlere Kragendurchmesser ist. Bei Ringen mit Axiallagern ist der Reibungsverlust vernachlässigbar und die obige Gleichung kann vernachlässigt werden. ${\displaystyle \mu_{\text{c}}}$${\displaystyle d_{\text{c}}}$

Der Wirkungsgrad für Gewindewinkel ungleich Null kann wie folgt geschrieben werden:

${\displaystyle \eta ={\frac {\cos\alpha\ -\\mu\tan\lambda}{\cos\alpha\+\\mu\cot\lambda}}}$

Reibungskoeffizient für Druckringe

Materialkombination	Beginnend ${\displaystyle \mu_{\text{c}}}$	Betrieb ${\displaystyle \mu_{\text{c}}}$
Weichstahl / Gusseisen	0,17	0,12
Gehärteter Stahl / Gusseisen	0,15	0,09
Weichstahl / Bronze	0,10	0,08
Gehärteter Stahl / Bronze	0,08	0,06

Laufgeschwindigkeit

Die Laufgeschwindigkeit für eine Leitspindel (oder Kugelgewindespindel) ist typischerweise auf höchstens 80 % der berechneten kritischen Drehzahl begrenzt . Die kritische Drehzahl ist die Drehzahl, die die Eigenfrequenz der Schnecke anregt. Bei einer Stahlspindel oder einer Stahlkugelspindel beträgt die kritische Drehzahl ca.

${\displaystyle N={(4,76\times 10^{6})d_{\text{r}}C \over L^{2}}}$

wo

• ${\displaystyle N}$ = kritische Drehzahl in U/min
• ${\displaystyle d_{\text{r}}}$ = kleinster (Wurzel-)Durchmesser der Leitspindel in Zoll
• ${\displaystyle L}$ = Länge zwischen Lagerböcken in Zoll
• ${\displaystyle C}$ = .36 für ein Ende fest, ein Ende frei
• ${\displaystyle C}$ = 1.00 für beide Enden einfach
• ${\displaystyle C}$ = 1,47 für ein Ende fest, ein Ende einfach
• ${\displaystyle C}$ = 2,23 für beide Enden fest

Alternativ mit metrischen Einheiten:

${\displaystyle N={\frac {Cd_{\text{r}}\times 10^{7}}{L^{2}}}}$

wobei die Variablen mit den obigen identisch sind, die Werte jedoch in Millimetern angegeben sind und wie folgt lauten: ${\displaystyle C}$

• ${\displaystyle C}$ = 3,9 für feststehende freie Stützen
• ${\displaystyle C}$ = 12,1 für beide unterstützten Enden
• ${\displaystyle C}$ = 18,7 für fest-unterstützte Konstruktion
• ${\displaystyle C}$ = 27,2 für beide Enden fest

Siehe auch

• Kugelumlaufspindel
• Feineinstellschraube
• Abdrückschraube

Verweise

Literaturverzeichnis

• Bhandari, VB (2007), Design von Maschinenelementen , Tata McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-061141-2.
• Martin, Joe (2004), Tischbearbeitung: Ein grundlegender Ansatz zur Herstellung kleiner Teile auf Miniaturwerkzeugmaschinen , Vista, Kalifornien, USA: Sherline, Inc., ISBN 978-0-9665433-0-8. Ursprünglich 1998 veröffentlicht; Inhalt mit jeder Auflage aktualisiert, ähnlich einer "überarbeiteten Auflage". Derzeit in der vierten Auflage.
• Shigley, Joseph E.; Mischke, Charles R.; Budynas, Richard Gordon (2003), Mechanical Engineering Design (7. Aufl.), McGraw Hill, ISBN 978-0-07-252036-1.

Externe Links