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Ein- und mehrgängige Gewinde
Was bedeutet “Gewinde“ bei einer Spindel? Und was ist der Unterschied zwischen ein- & mehrgängigen Gewinden?
Fangen wir ganz allgemein an: Gewindespindeln sind Maschinenelemente, die eine rotatorische Bewegung in eine translatorische umwandeln. Gewindespindeln setzen sich aus einem zylindrischen Rundstab und einem einfachen Bewegungsgewinde, welches auf dem Rundstab angebracht wird, zusammen. Die Bewegungsgewinde können z.B. die Gewindeform Trapez oder die von igus entwickelte dryspin Geometrie sein. Die Herstellung solcher Gewindespindeln haben wir hier näher erläutert.
In diesem Beitrag gehen wir auf die Thematik Gewindegängigkeit bzw. ein- und mehrgängige Gewinde ein. Wofür stehen die Begriffe überhaupt und was bedeuten sie für meine Anwendung?
Erklärung der ein- und mehrgängige Gewinde
Eingängige Gewindespindeln (1. Grafik v.l.) bestehen, wie der Name schon sagt, aus nur einem einzelnen Gewindegang (Single Start). Das bedeutet, der durch Pitch gekennzeichnete Abstand der Flanken zueinander ist ebenfalls der lineare Verfahrweg (Steigung) in Millimetern pro Umdrehung der Spindel.
Bei der zweiten Gewindespindel (2. Grafik v.l.) ist ein weiterer Gewindegang hinzugekommen. Das bedeutet, dass mit einer Umdrehung der Spindel der zweifache Hub erreicht wird (Steigung = 2x Pitch). Die Gewindeanfänge liegen um 180° versetzt, also sich gegenüber. Hierbei handelt es sich um mehrgängige Gewinde.
Die dritte Spindel (1. Grafik v.r.) in diesem Beispiel zeigt eine 4-gängige Gewindespindel. Das bedeutet, wir haben 4 Gewindeanfänge (orange, grün, lila und hellblau). Für den linearen Verfahrweg gilt hier die gleiche Berechnung wie für die anderen Beispiele. Der lineare Verfahrweg (Steigung) ist somit der vierfache Abstand der Flanken zueinander. Die Gewindeanfänge liegen im Abstand von 90° zueinander.
Kann man ein mehrgängiges Gewinde auch optisch und ohne Hilfsmittel erkennen? Ja!
Der einfachste Weg die Gängeanzahl optisch ohne gekennzeichnete Linien zu erkennen, führt über den Blick direkt auf die Stirnseite der Gewindespindel. Während bei einem eingängigen Gewinde nur ein einziger Gewindeanfang (der Startpunkt der Kerbe) zu sehen ist, erkennt man bei mehrgängigen Gewinden zwei oder mehr dieser Anfänge. Diese sind symmetrisch zueinander versetzt am Umfang verteilt – wie die Speichen eines Rades oder die Flügel eines Propellers.
Die visuelle Identifikation (v. l. n. r.):
- Eingängig: Ein Startpunkt; Pitch und Lead sind identisch.
- Zweigängig: Zwei gegenüberliegende Anfänge (180° Versatz).
- Dreigängig: Drei Anfänge im gleichmäßigen Dreieck (120° Versatz).
- Viergängig: Vier kreuzförmig angeordnete Anfänge (90° Versatz).
Durch das Zählen dieser Startpunkte an der Stirnfläche lässt sich die Gangzahl also auf einen Blick zweifelsfrei bestimmen:
Technische Vorteile mehrgängiger Gewinden:
Die Entscheidung für eine mehrgängige Gewindespindel bietet signifikante mechanische Vorteile, die über die reine Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit hinausgehen. Ein entscheidender Faktor ist der optimierte Flächentraganteil. Unter der Voraussetzung, dass der Kerndurchmesser der Spindel gleich bleibt, führt die Aufteilung auf mehrere Gewindegänge dazu, dass eine größere Kontaktfläche zwischen den Zahnflanken von Spindel und Mutter zur Verfügung steht.
Dieser vergrößerte Traganteil hat unmittelbare Auswirkungen auf die Belastbarkeit des Systems: Die wirkende Last verteilt sich auf eine größere Fläche, wodurch die spezifische Flächenpressung deutlich sinkt. Ein geringerer Flächendruck reduziert wiederum den Verschleiß an den Flanken, was die Lebensdauer der gesamten Baugruppe messbar verlängert und die Wartungsintervalle streckt.
Zusätzlich zur mechanischen Robustheit profitiert auch die Systempräzision. Durch die Anordnung mehrerer Gewindegänge verringert sich der freie Zwischenraum zwischen den einzelnen Zahnflanken. Das führt zu einer gleichmäßigeren Lastverteilung über den Umfang der Spindel und minimiert tendenziell das Spiel innerhalb des Gewindetriebs. Das Gesamtsystem reagiert dadurch stabiler und präziser auf Stellbefehle. Aufgrund dieser Eigenschaften – der Kombination aus hoher axialer Geschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Präzision – finden mehrgängige Profile vor allem im Bereich der Steilgewinde ihre primäre Anwendung.
Weitere wichtige Fakten
Was sagt die Bezeichnung eines Gewindes (z.B. TR10x8P4) aus?
Beispiel Trapezgewinde:
Trapezgewinde: Tr20x8P4
Gewindenenndurchmesser: 20 mm
Steigung: 8 mm
Gewindflankenabstand P: 4 mm
Beispiel Steilgewinde:
Steilgewinde: DS10x12
Gewindenenndurchmesser: 10 mm
Steigung L: 12 mm
Gewindeflankenabstand P: 3 mm
Wie wird die Gangzahl einer Spindel berechnet?
Die Grundformel ist unabhängig von der Gewindeart, immer die gleiche:
Steigung (Lead) : Pitch = Gangzahl
Beispiel Trapezgewinde:
Steigung (Lead) : Pitch = Gangzahl
8 : 4 = 2
Tr20x8P4 = 2-gängiges Gewinde
Beispiel Steilgewinde:
Steigung (Lead) : Pitch = Gangzahl
12 : 3 = 4
DS10x12 = 4-gängiges Gewinde
Und wie steht es um die Selbsthemmung?
Eingängige Gewindespindeln (idR Trapezgewinde) sind abhängig vom Reibwert miestens selbsthemmend, das bedeuetet, die Mutter kann sich ohne äußere Krafteinwirkung auf der Spinde nicht bewegen. Gewindespindel mit mehr als zwei Gewindegängen sind nicht selbsthemmend und die Mutter rutscht ohne äußere Krafteinwirkung auf der Spindel runter.
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