Hallo Mechatroniker!

Willkommen zu einer neuen Ausgabe des SINADRIVES-Blogs mit dem Thema:

Welches Antriebssystem ist für meine Anwendung das Richtige?

November 2020

Beim Auslegen einer linearen Bewegung ist das wohl die am häufigsten gestellte Frage. Die Antwort ist bei vielen Anwendungen offensichtlich aber sie kann sich auch zu einer sehr komplizierten Entscheidung entwickeln. Hier wollen wir einige Tipps dazu geben. Unter den vielen Übertragungssystemen haben wir für diesen Artikel folgende ausgewählt:

Zahnriemen, Trapezspindel, Kugelumlaufspindel, geschliffene Zahnstange sowie den Linearmotor. Dies sind wohl die an den häufigsten eingesetzten Antirebssysteme zur Durchführung einer linearen Bewegung. Übertragungssysteme wie: Ketten, Kabel, Flachriemen, Rollen usw. werden wir in diesem Blogartikel nicht erwähnen.

Zahnriemen, Spindel, Zahnstange oder Linearmotor? Kriterien für das Auslegen des Antriebssystems:

  1. Einschaltdauer

Diese setzt sich aus dem Verhältnis der Laufzeit zu der Standzeit zusammen. Zum Beispiel ergibt sich bei 1 Sek. Laufzeit und 1 Sek. Standzeit ergibt sich ein Verhältnis von 50 %. Bei 8 Sek. Laufzeit und 2 Sek. Standzeit beträgt das Verhältnis 80%.

Bei einem Verhältnis >30 % ist das Einsetzen einer Trapezgewindespindel nicht mehr empfehlenswert. Grund ist der hohe Verschleiß und die dadurch resultierende geringe Lebensdauer.

  1. Nutzhub

Bei einem Nutzhub >2000 mm wird der Einsatz einer Kugelumlaufspindel aufgrund der auftretenden Knickkräfte oder der kritischen Drehzahlen stark begrenzt. Die Spindeldrehzahl ist durch auftretende Vibrationen und Resonanzen stark limitiert und kann somit eine dynamische, präzise Bewegung sowie eine nachfolgende Positionierung stark einschränken.

  1. Kraft

Welche Kraft benötige ich um die Last zu bewegen?. Für eine schnelle Berechnung können wir die Formel

F = Fvc + Fac

verwenden. Wobei „Fvc“ für die benötigte Kraft zur Durchführung einer konstanten Geschwindigkeit steht und „Fac“ für die benötigte Kraft zum Beschleunigen oder Bremsen.

Bei horizontal bewegter Last mit konstanter Geschwindigkeit

Fvc = m x g x µ

m, Kg – Last zu bewegen,

g, m/s2 – Erdbeschleunigung, g = 9,81 m/s2

µ – Reibung, es gilt 0,05 für Kugelführungen, 0,15 für vulkanische Räder oder Rollen und 0,2-0,3 für Gleitführungen


Bei horizontal bewegter Last mit Beschleunigung

Fac = m x a

m, Kg – Last zu bewegen

a, m/s2 – Beschleunigung

Bei vertikal bewegter Last mit konstanter Geschwindigkeit

Fvc = m x g x µ + m x g

Bei vertikal bewegter Last mit Beschleunigung

Fac = m x a

Die Kraft ist der Faktor, der entscheidet, ob ein Zahnriemenantrieb für die zu bewegende Last ausreicht oder ob es im Gegenteil effizienter ist,  zu einem anderen Antriebssystem zu wechseln.

Dieser Faktor ist besonders entscheidend bei vertikalen Anwendungen. Bei diesen muss ein besonderes Augenmerk auf den Durchmesser der Riemenscheibe oder des Zahnrads gelegt werden, da die Kraft, die sie übertragen können von den Durchmessern abhängt.

Je mehr Zähne sich im Eingriff befinden desto mehr Kraft kann übertragen werden.

Das Gleiche gilt auch für die Breite des Zahnriemens. Je breiter der Zahnriemen ist, umso mehr Kraft kann übertragen werden.

  1. Leistung und Effizienz

Angaben des Leistungsdurchschnitts der verschiedenen Antriebssysteme.

Übertragungssystem

Trapezspindel

Kugelumlauf

spindel

Zahnriemen

geschliffene Zahnstange

Linearmotor

Effizienz

0,2–0,3

0,9-0,95

0,9-0,95

0,9

0,97

  1. Präzision und Wiederholgenauigkeit

Von den hier erklärten Systemen bieten Linearmotoren, geschliffene Kugelumlaufspindeln oder Trapezspindeln (nicht laminiert) die beste Präzision. Darauf folgen die Zahnstange und zuletzt der Zahnriemen. Da der Zahnriemen ein elastisches Element ist werden während der Bewegungen Resonanzen und Ausdehnungen erzeugt. Die Wiederholgenauigkeit des Zahnriemens kann unter 0,1mm liegen.

  1. Allgemeine Richtlinien

Bei Anwendungen, die einen hohen Kraftaufwand >5000 N benötigen und bei denen der Hub <2000 mm beträgt, ist die Kugelumlaufspindel immer noch die beste Lösung.

Bei sporadischen Einstellanwendungen (mit einem sehr niedrigen Arbeitszyklus) ist die Trapezspindel eine wirtschaftlichere Option.

Bei dynamischen und möglichst wartungsfreien Anwendungen sind  Linearmotor oder Zahnriemen empfehlenswerte Lösungen.

Bei Anwendungen mit einem Hub >2000 mm wird die Verwendung eines Linearmotor oder Zahnstangenantriebs empfohlen.

Vor- und Nachteile von Zahnriemen, Spindeln, Zahnstangen und Linearmotor im Überblick

In der folgenden Tabelle haben wir die Hauptmerkmale der Antriebssysteme zusammengefasst.

Übertragungssystem

Trapezspindel

Kugelumlaufspindel

Zahnriemen

Geschliffene Zahnstange

Linearmotor

Geschwindigkeit

0

+

+

+

Beschleunigung

0

+

+

+

Arbeitszyklus

+

+

+

+

Präzision

0

+

0

+

+

Wiederholgenauigkeit

+

+

0

+

+

Langer Hub

0

+

+

+

Wartung

0

+

0

+

Preis

+

+

0

+

HINWEIS: "-"begrenzende Leistungsfähigkeit, "0" neutrale oder durchschnittliche Leistungsfähigkeit, "+" positive Leistungsfähigkeit oder Stärke.
Die Linearmotortechnologie übertrifft alle klassischen Antriebssysteme. Diese hat jedoch einige Einschränkungen: bei vertikalen Achsen oder bei Anwendungen 
in Werkzeugmaschinen augrund der entstehenden Hitze.

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Wir sehen uns im nächsten Kapitel!

Bis dahin, alles Gute!

Das SINADRIVES Team.

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