Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Elektrische Energie | Mechanische Energie | Thermische Energie (Wärme) |
Kurzbeschreibung
Als elektromechanische Linearantriebe werden Systeme bezeichnet, die eine translative Bewegung mit Hilfe von mechanischen Übertragungselementen ausführen. Da sie längenkonstant sind, haben sie eine feste Einbau- und Betriebslänge. Der Führungsschlitten fährt zwischen zwei Endlagen hin und her und positioniert die Masse.
Die wesentlichen Bestandteile sind die Linearführung, der Führungsschlitten, der Elektromotor bzw. Drehgeber sowie die mechanische Übertragungseinheit. Letztere gibt es in unterschiedlichen Bauformen wie z.B. den Zahnstangenantrieb oder den Zahnriemenantrieb. Das Funktionsprinzip ist grundsätzlich bei allen Bauformen ähnlich.
Ein Elektromotor z.B. Servomotor oder Synchronmotor erzeugt eine rotatorische Bewegung. Anschließend wird durch das getriebewirkende Übertragungselement die Rotation in eine Linearbewegung auf den Führungsschlitten übertragen.
Funktionsskizze
Technische Zeichnung
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Der Umwandlungswirkungsgrad setzt sich zusammen aus der Verlustleistung des Elektromotors sowie des mechanisches Übertragungselementes. Parameter wie hohe Reibungen und ein ungeeignetes Lastprofil können den Wirkungsgrad negativ beeinflussen. Die mittleren Wirkungsgrade liegen zwischen 30 – 98 %. Die untere Grenze stellen Trapezgewindespindeln dar, die durch die hohe Reibung nur wenig Energie umsetzten. Moderne Kugelgewindeantriebe erreichen Wirkungsgrade bis 98 %.
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Zahnstangenantrieb | Trapezgewindeantrieb | Kugelgewindeantrieb | Zahnriemenantrieb |
| Funktionsprinzip und Aufbau | Das durch den Elektromotor rotatorisch angetriebene Zahnrad versetzt sich durch die Gegenkraft der Zahnstange in eine Linearbewegung. Hierbei greift das angetriebene Zahnrad in die Erhebungen der Zahnstange. Dabei steht die Achse des Zahnrades rechtwinklig zu seiner Laufrichtung, sodass die Drehbewegung in eine Linearbewegung umgewandelt wird. Die Nutzlast ist mit dem Antrieb verbunden. | Durch die Rotation der Spindel führt die Mutter eine Linearbewegung aus. Die Schmierung zwischen Spindel und Mutter erfolgt durch einen Ölfilm. Bei allen Gleitgewindetrieben tritt ein Umkehrspiel beim Wechsel der Belastungsrichtung auf. Der Gleitkontakt benötigt Spiel für seine Funktion. Durch ein Drehen der Trapezgewindespindel bewegt sich bei korrekter Lagerung die Gewindemutter entlang der Trapezgewindestange. | Durch die Rotation der Spindel führt die Kugelgewindemutter eine Linearbewegung aus. Die Kugeln in den Laufrillen zwischen Spindel und Mutter dienen zur Umsetzung der Bewegung. Diese Kugeln wandern bei der Drehung axial. Durch Rückführkanäle in der Spindelmutter zirkulieren die Kugeln und ein Kreislauf entsteht. Alternativ kann bei Langspindeln zur Reduzierung der Trägheit ein mitfahrender Elektromotor den Schlitten antreiben. | Beim umlaufenden Zahnriemen sind mindestens zwei Zahnscheiben vorhanden die den Zahnriemen aufspannen. Eine Zahnscheibe wird von dem Elektromotor in Rotation versetzt. Die anzutreibende Masse ist fest mit dem Zahnriemen verbunden und führt eine Linearbewegung durch. Beim statischen Zahnriemen wird nur eine Zahnscheibe vom Elektromotor angetrieben, die direkt die anzutreibende Masse in eine Linearbewegung versetzt. |
| Typische Lastprofile | Taktend | Taktend | Taktend | Taktend |
| Maximale Schalthäufigkeiten | Mittel Verschleiß an den Flanken des Zahnrad bzw. Zahnstange durch hohe Wechselbelastung |
Gering Bedingt durch die hohe Reibung nur geeignet für geringe Schalthäufigkeiten |
Hoch Geeinget für hoch Schalthäufigkeiten |
Gering Sehr häufige Richtungswechselspiele bedingt, durch die hohen Anzugskräfte, führen zu einem plastischen Ausdehnen des Riemens |
| Regelbarkeit | Stufenlos | Stufenlos | Stufenlos | Stufenlos |
| Einschaltdauer | 30–90 % | 20–40 % | 90–100 % | 100 % |
| Wartungsaufwand | Gering Gelegentliche Reinigung und Nachschmierung. |
Hoch Häufige Inspizierung und Nachschmierung nötig. |
Mittel Kugelgewindetriebe lassen sich wegen der komplizierten Mutter nur eingeschränkt reinigen. Sie müssen gelegentlich nachgeschmiert werden. |
Mittel Keine Schmierung notwendig, aber gelegentlich Riemennachspannung. |
| Partikelempfindlichkeit | Gering Durch die robuste Bauweise sind Zahnstangenantriebe nicht anfällig bei Verschmutzungen. Eine Verkürzung der Lebensdauer durch Flankenabnutzung ist möglich. |
Gering Durch die geometrische Gewindeform sind Trapezgewindespindel nicht anfällig für Schmutz. Sie erfordern grundsätzlich ein hohen Wartungsaufwand, regelmäßig Schmierung und Inspizierung. |
Hoch Kugelgewindetriebe müssen vor Verschmutzung geschützt werden durch vollständige Abdichtung oder durch Abstreifer an der Mutter. |
Mittel Bei übermäßiger Verschmutzung wird die Lebensdauer auch bei abriebfesten Zahnriemen maßgeblich herabgesetzt. Der Zahnriemen muss vor Verölung und Fremdkörpern geschützt werden. |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Zahnstangenantrieb | Trapezgewindeantrieb | Kugelgewindeantrieb | Zahnriemenantrieb |
| Verfügbare Leistungsklassen (Vorschubkraft) |
Motorabhängig 10.000N-20.000 N |
Bis 17.500 N | Bis 17.500 N | Bis 6.000 N |
| Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | 95–97 % | 30–60 % | 80–98 % | 95–98 % |
| Nutzbarer Anteil der Verlustleistung | Nicht möglich | Nicht möglich | Nicht möglich | Nicht möglich |
| Weitere energetische Kennwerte | z. B. Temperaturdifferenz zu mech. Leistung etc.; Mindesttemperatur, Energieeffizienzklasse bzw. Kennwerte | |||
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Zahnstangenantrieb | Trapezgewindeantrieb | Kugelgewindeantrieb | Zahnriemenantrieb |
| Kosten | Gering | Gering | Mittel | Gering |
| Platzbedarf | Mittel | Mittel | Mittel | Mittel |
| Wartungs- und Instandhaltungskosten | Gering | Hoch | Mittel | Mittel |
| Typische Lebensdauer / h | 20.000–40.000 h Die Lebensdauer wird maßgeblich durch die Takthäufigkeit bestimmt |
5.000–10.000 h Die Lebensdauer ergibt sich aus der dynamischen Tragzahl und der mittleren Belastung |
10.000–30.000 h Die Lebensdauer ergibt sich aus der dynamischen Tragzahl und der mittleren Belastung |
10.000–30.000 h Die Lebensdauer wird maßgeblich durch die Takthäufigkeit bestimmt |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Zahnstangenantrieb | Trapezgewindeantrieb | Kugelgewindeantrieb | Zahnriemenantrieb |
| Ökobilanz | Keine klimaschädlichen Stoffe im Einsatz. Jedoch ist der Energieeinsatz bei der Herstellung von Zahnstangen/Ritzel-Antrieben hoch. | |||
| Gefährdungspotenzial | Keine Gefährdung | |||
| Systemkomplexität | Niedrig Elektromechanische Linearantriebe werden im Komplettsystem geliefert. Der Einbau sowie Wartung sind unkompliziert |
|||
| Geschwindigkeit | 0,1–5 m/s | 0,1–1 m/s | 0,5–2 m/s | 5–10 m/s |
| Beschleunigung max. | Bis 15 m/s2 | Bis 10m/ssup>2 | Bis 20m/ssup>2 | Bis 50 m/s2 |
| Hublänge max. | Bis 30.000 mm | 300–4.250 mm | 300–4.250 mm (mit Stütze) | 300–50.000 mm |
| Positioniergenauigkeit (externer Sensor) | 0,05 mm | 0,05 mm | 0,005 mm | 0,015 mm |
| Wiederholgenauigkeit (externer Sensor) | – | 0,1 mm | 0,003 mm | 0,05 mm |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Zahnstangenantriebe werden bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen und bei sehr hohen Vorschubkräften eingesetzt. Kugelgewindespindeln werden vorzugsweise da eingesetzt, wo mittlere bis hohe Schubkräfte und höchste Genauigkeiten gefordert werden. Trapezgewindespindeln sind eine kostengünstige Alternative bei geringen dynamischen Anforderungen. Zahnriemenantriebe zeigen Ihre Vorzüge bei hohen Geschwindigkeiten und langen Hüben.
Anwendungsbeispiele
Einsatz von Zahnstangenantrieben im Großmaschinenbau und in Werkzeugmaschinen wie z.B. Drehmaschinen.
Anwendung in Kraftfahrzeugen als Zahnstangenlenkung.
Typische Beispiele für Zahnriemenantriebe sind Verpackungs-, Schneid-, Bestückungs- und Fördertechnikanwendungen, in denen Zykluszeiten von kritischer Bedeutung sind. Einsatz in Hauptbewegungsachsen von Portalrobotern oder zum Positionieren von Greifern in der Handhabungs- und Montagetechnik. Gewindespindeln werden vorwiegend in CNC-Maschinen verwendet.
Literaturverzeichnis
- Hagl, R. (2015): Elektrische Antriebstechnik: Mit 103 Tabellen. 2., neu bearb. Aufl. München: Fachbuchverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verl.
- Haberhauer, H. (2014); Kaczmarek, M. (Hrsg.): Taschenbuch der Antriebstechnik: Mit 47 Tabellen. München: Fachbuchverl. Leipzig
- hiwin.de: Kugelgewindetriebe (PDF Download), zuletzt geprüft am 27.07.2019
- nadella.de: Linearmodule (2015), Online verfügbar, zuletzt geprüft am 27.07.2019
- skf.de: Gerollte Präzisions-Kugelgewindetriebe (PDF Download), zuletzt geprüft am 27.07.2019