Home Erweitertes Berechnungsmodell für Kugelgewindetriebe
Article
Licensed
Unlicensed Requires Authentication

Erweitertes Berechnungsmodell für Kugelgewindetriebe

Berücksichtigung des Spindelsteigungsfehlers in der Simulation und Auslegung von Kugelgewindetrieben
  • Christian Brecher

    Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, geb. 1969, ist seit 2004 Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen und Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT), Aachen.

         , Benedikt Biernat

    Benedikt Biernat, M. Sc., geb. 1992, studierte Maschinenbau am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Als Wissenschaftlicher Mitarbeiter arbeitet er seit 2018 in der Abteilung Maschinentechnik am WZL der RWTH Aachen.

     EMAIL logo     , Lennard Vorwerk-Handing

    Lennard Vorwerk-Handing, M. Sc., geb. 1995, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen. Neben seiner Tätigkeit als studentische Hilfskraft verfasste er seine Masterarbeit in der Abteilung Maschinentechnik des WZL.

         and Stephan Neus

    Dipl.-Ing. Stephan Neus, geb. 1984, war ab 2014 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am WZL der RWTH Aachentätig und leitet seit 2019 als Oberingenieur die Abteilung Maschinentechnik.
Published/Copyright: December 30, 2021
Become an author with De Gruyter Brill
Submit Manuscript Author Information
Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb
From the journal Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb Volume 116 Issue 12

Abstract

Der Spindelsteigungsfehler weist einen signifikanten Einfluss auf das Betriebsverhalten von Kugelgewindetrieben auf. In diesem Beitrag wird ein Simulationsmodell vorgestellt, mit dem der Einfluss des Steigungsfehlers auf die interne Lastverteilung, die Steifigkeit und die Lebensdauer quantifiziert werden kann. Mithilfe des Modells werden im Anschluss an die aktuelle Auslegungspraxis nach Norm angelehnte Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung des Spindelsteigungsfehlers berechnet.

Abstract

The screw pitch error shows a significant influence on the operating behavior of ball screws. In this paper, a simulation model is presented to quantify the influence of the lead error on the internal load distribution, stiffness and service life. Furthermore, correction factors based on the current design practice according to the standards are calculated to take into account the spindle pitch error.

Schlüsselwörter: Vorschubachse; Steigungsfehler; Simulation; Lebensdauer; Steifigkeit
Keywords: Ball Screw; Feed Axis; Pitch Error; Simulation; Service Life; Stiffness
Tel.: +49 (0) 241 8028-223

Funding statement: Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – EXC 2023 Internet of Production – 390621612.

About the authors

Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher

Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, geb. 1969, ist seit 2004 Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen und Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT), Aachen.

Benedikt Biernat

Benedikt Biernat, M. Sc., geb. 1992, studierte Maschinenbau am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Als Wissenschaftlicher Mitarbeiter arbeitet er seit 2018 in der Abteilung Maschinentechnik am WZL der RWTH Aachen.

Lennard Vorwerk-Handing

Lennard Vorwerk-Handing, M. Sc., geb. 1995, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen. Neben seiner Tätigkeit als studentische Hilfskraft verfasste er seine Masterarbeit in der Abteilung Maschinentechnik des WZL.

Dipl.-Ing. Stephan Neus

Dipl.-Ing. Stephan Neus, geb. 1984, war ab 2014 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am WZL der RWTH Aachentätig und leitet seit 2019 als Oberingenieur die Abteilung Maschinentechnik.

Literatur

1 Mei, X.; Tsutsumi, M.; Tao, T. et al.: Study on the Load Distribution of Ball Screws with Errors. Mechanism and Machine Theory 38 (2003) 11, S. 1257–1269 DOI: 10.1016/S0094-114X(03)00070-310.1016/S0094-114X(03)00070-3Search in Google Scholar

2 Xu, S.; Yao, Z.; Sun, Y. et al.: Load Distribution of Ball Screw with Consideration of Contact Angle Variation and Geometry Errors. In: Proceedings of the ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Volume 2B: Advanced Manufacturing. American Society of Mechanical Engineers, Montreal, Quebec 14.–20.11.2014 DOI: 10.1115/IMECE2014-3738010.1115/IMECE2014-37380Search in Google Scholar

3 Zhen, N.; An, Q.: Analysis of Stress and Fatigue Life of Ball Screw with Considering the Dimension Errors of Balls. International Journal of Mechanical Sciences 137 (2018), S. 68–76 DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2017.12.03810.1016/j.ijmecsci.2017.12.038Search in Google Scholar

4 Lin, B.; Okwudire, C. E.; Wou, J. S.: Low Order Static Load Distribution Model for Ball Screw Mechanisms Including Effects of Lateral Deformation and Geometric Errors. Journal of Mechanical Design 140 (2018) 2, S. 779 DOI: 10.1115/1.403807110.1115/1.4038071Search in Google Scholar

5 Okwudire, C. E.; Altintas, Y.: Hybrid Modeling of Ball Screw Drives with Coupled Axial, Torsional, and Lateral Dynamics. CIRP Annals 131 (2009) 7, S. 115 DOI: 10.1115/1.312588710.1115/1.3125887Search in Google Scholar

6 Okwudire, C. E.: Reduction of Torque-Induced Bending Vibrations in Ball Screw-Driven Machines via Optimal Design of the Nut. Journal of Mechanical Design 134 (2012) 11, S. 8 DOI: 10.1115/1.400740010.1115/1.4007400Search in Google Scholar

7 Lin, B.; Okwudire, C. E.: Low-Order Contact Load Distribution Model for Ball Nut Assemblies. SAE International Journal of Passenger Cars – Mechanical Systems 9 (2016) 2, S. 535–540 DOI: 10.4271/2016-01-156010.4271/2016-01-1560Search in Google Scholar

8 Brecher, C.; Eßer, B.; Falker, J. et al.: Modelling of Ball Screw Drives Rolling Element Contact Characteristics. CIRP Annals 67 (2018) 1, S. 409–412 DOI: 10.1016/j.cirp.2018.04.10910.1016/j.cirp.2018.04.109Search in Google Scholar

9 Tüllmann, U.: Das Verhalten axial verspannter, schnelldrehender Schrägkugellager. Zugl.: Dissertation, Techn. Hochschule, Aachen 1999; Shaker Verlag, Aachen 1999Search in Google Scholar

10 Kugelgewindetriebe – Teil 3: Abnahmebedingungen und Abnahmeprüfungen (ISO 3408–5 : 2006)Search in Google Scholar

11 Bertolaso, R.; Cheikh, M.; Barranger, Y. et al.: Experimental and Numerical Study of the Load Distribution in a Ball-screw System. Journal of Mechanical Science and Technology 28 (2014) 4, S. 1411–1420 DOI: 10.1007/s12206-014-0128-010.1007/s12206-014-0128-0Search in Google Scholar

12 Brecher, C.; Biernat, B.; Neus, S.: Lastverteilungen in Kugelgewindetrieben – Berücksichtigung ortsdiskreter Lasten in der Lebensdauerberechnung von Kugelgewindetrieben. wt Werkstattstechnik online 111 (2021) 5, S. 271–276 DOI: 10.37544/1436-4980-2021-05-510.37544/1436-4980-2021-05-5Search in Google Scholar

13 Kugelgewindetriebe – Teil 5: Statische und dynamische axiale Tragzahl und Lebensdauer (ISO 3408–5 : 2006)Search in Google Scholar
Published Online: 2021-12-30

© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Articles in the same Issue

  1. Inhalt
  2. Editorial
  3. Industrielle Cybersicherheit: ein Wachstumsmarkt
  4. Innovationsbewertung
  5. Monetäre Bewertung prozessualer Innovationen
  6. Fabrikplanung
  7. Die Modullandkarte des Aachener Fabrikplanungsvorgehens
  8. Industrielle Netzwerke
  9. Hyperconnected Ecosystems für industrielle Netzwerke
  10. Strategische Entwicklung von Standortrollen
  11. Produktionsplanung und -steuerung
  12. Hybride Lieferzeitprognose
  13. Wirkzusammenhänge innerhalb der Produktionsplanung und -steuerung
  14. Neue Geschäftsmodelle
  15. Kooperationen mit Start-ups
  16. Additive Fertigung
  17. Gestaltung additiv-subtraktiver Prozessketten
  18. Künstliche Intelligenz
  19. Was Bauteile über den Verschleiß genutzter Stanzwerkzeuge verraten
  20. Personaleinsatzplanung in der Logistik
  21. Digitaler Zwilling
  22. Skalierbare Elektrolyseurmontage
  23. Simulation
  24. Erweitertes Berechnungsmodell für Kugelgewindetriebe
  25. Energieeffizienz
  26. WindMelt
  27. Digitalisierung
  28. Dreiklang für eine erfolgreiche Digitalisierung
  29. Produktionssysteme
  30. Wertstromkinematik – Produktionssysteme neu gedacht
  31. Wertstrom
  32. Die zwei Wege der Wertstrommethode zur Digitalisierung
  33. Assistenzsysteme
  34. Smarte Einsatzplanung und Schulung zur Qualitätssteigerung
  35. Studie
  36. Lean-Production-Methoden und Industrie-4.0-Technologien in der Produktion
  37. Vorschau
  38. Vorschau
https://doi.org/10.1515/zwf-2021-0159
Keywords for this article
Ball Screw; Feed Axis; Pitch Error; Simulation; Service Life; Stiffness

Articles in the same Issue

  1. Inhalt
  2. Editorial
  3. Industrielle Cybersicherheit: ein Wachstumsmarkt
  4. Innovationsbewertung
  5. Monetäre Bewertung prozessualer Innovationen
  6. Fabrikplanung
  7. Die Modullandkarte des Aachener Fabrikplanungsvorgehens
  8. Industrielle Netzwerke
  9. Hyperconnected Ecosystems für industrielle Netzwerke
  10. Strategische Entwicklung von Standortrollen
  11. Produktionsplanung und -steuerung
  12. Hybride Lieferzeitprognose
  13. Wirkzusammenhänge innerhalb der Produktionsplanung und -steuerung
  14. Neue Geschäftsmodelle
  15. Kooperationen mit Start-ups
  16. Additive Fertigung
  17. Gestaltung additiv-subtraktiver Prozessketten
  18. Künstliche Intelligenz
  19. Was Bauteile über den Verschleiß genutzter Stanzwerkzeuge verraten
  20. Personaleinsatzplanung in der Logistik
  21. Digitaler Zwilling
  22. Skalierbare Elektrolyseurmontage
  23. Simulation
  24. Erweitertes Berechnungsmodell für Kugelgewindetriebe
  25. Energieeffizienz
  26. WindMelt
  27. Digitalisierung
  28. Dreiklang für eine erfolgreiche Digitalisierung
  29. Produktionssysteme
  30. Wertstromkinematik – Produktionssysteme neu gedacht
  31. Wertstrom
  32. Die zwei Wege der Wertstrommethode zur Digitalisierung
  33. Assistenzsysteme
  34. Smarte Einsatzplanung und Schulung zur Qualitätssteigerung
  35. Studie
  36. Lean-Production-Methoden und Industrie-4.0-Technologien in der Produktion
  37. Vorschau
  38. Vorschau
Sign up now to receive a 20% welcome discount
Institutional Access
How does access work?
Have an idea on how to improve our website?
Please write us.
© 2025 De Gruyter Brill
Downloaded on 16.9.2025 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/zwf-2021-0159/html
Scroll to top button