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Linearaktorik

Gewindetriebe im Überblick

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Planentenwälzgewindetriebe ergänzen Kugel- und Rollengewindetriebe. Wo welches Bauteil seine Stärken ausspielt, wissen die Experten von Schaeffler.

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Der Planetenwälzgewindetrieb PWG bietet ideale Voraussetzungen für ein Downsizing von Linearaktoren: sehr kleine Gesamtsteigung und eine hohe Anzahl an tragfähigen Wälzkontakten.
Der Planetenwälzgewindetrieb PWG bietet ideale Voraussetzungen für ein Downsizing von Linearaktoren: sehr kleine Gesamtsteigung und eine hohe Anzahl an tragfähigen Wälzkontakten.
(Bild: Schaeffler/Cadera Design)

Um die Vorteile des Planetenwälzgewindetriebes PWG besser verstehen zu können, muss man sich zunächst die besonderen Stärken aber auch die Einsatzgrenzen der Kugelgewindetriebe KGT und der Rollengewindetriebe RGT vor Augen führen.

Präzise Kugelgewindetriebe

Der Kugelgewindetrieb KGT ist in der Linearaktorik bestens bewährt, weit verbreitet und sehr gut für präzise Positionieraufgaben geeignet. Dieses Antriebsprinzip wird unter anderem durch zwei Hauptfaktoren begrenzt: durch die Axialkräfte, die aufgrund der Anzahl und der Geometrie der Wälzkontakte limitiert sind, und bei kleiner werdenden Spindelsteigungen durch immer kleinere, wenig tragfähige Kugeln. Ab etwa 5 mm Spindelsteigung sind Kugelgewindetriebe erfahrungsgemäß sehr gut einsetzbar. Für viele Anwendungen ist ihre Leistungsdichte mehr als ausreichend.

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Tragfähige Rollengewindetriebe

Ist der Kugelgewindetrieb bei einer Applikation hinsichtlich Tragzahl oder hinsichtlich Tragfähigkeit im vorhandenen Bauraum ausgereizt, stehen als Alternative noch Rollengewindetriebe RGT zur Auswahl. Sie bieten aufgrund der sehr großen Anzahl der Kontaktpunkte deutlich größere Tragzahlen als Kugelgewindetriebe. Außerdem sind sie axial steifer, da die Balligkeitsradien der Rollenflanken erheblich größer sind als der Kugelradius bei einem vergleichbaren Kugelgewindetrieb. Man unterscheidet grundsätzlich zwei RGT-Bauarten mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Die Spindel des Planeten-Rollengewindetriebes ist stets mit einem mehrgängigen Gewinde ausgeführt, während die Planetenrollen über ein eingängiges Gewinde und die Mutter über ein eingängiges Gegengewinde verfügen. Das gegenläufige Muttergewinde ist erforderlich, um eine axiale Relativbewegung zwischen Planetenrollen und Mutter zu verhindern. Am Ende der Planetenrollen befinden sich Verzahnungen. Die Zahnkränze führen die Planetenrollen nicht nur achsparallel, sondern sie unterbinden auch Schlupfdifferenzen zwischen den Rollen, sodass ein Verspannen oder gar Blockieren des Gewindetriebes verhindert wird. Die Ausführung der Spindel mit einem mehrgängigen Gewinde führt bei kleinen Steigungen zu sehr feinen, wenig tragfähigen Gewindeflanken. Damit bei Rollengewindetrieben die Gewindeflanken ausreichend grob und tragfähig sind, sollte die Spindelsteigung mindestens 5 mm betragen. Bevorzugt sind jedoch Spindelsteigungen ab 10 mm. In diesem Bereich sind die Rollengewindetriebe mit Verzahnung sehr tragfähig.

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Der Vollständigkeit wegen soll hier auch kurz der Rollengewindetrieb mit Rollenrückführung erwähnt werden. Vorteilhaft bei dieser Bauform sind kleine Spindelsteigungen hinunter bis zu 1 mm und eine hohe Tragfähigkeit. Außerdem sind diese Gewindetriebe einfacher herstellbar als der RGT mit Verzahnung. Die Rückführung der Rollen begrenzt jedoch die maximale Drehzahl und beeinflusst das Laufgeräusch negativ. Bei hohen Lasten macht sich der Ein- und Auslauf der tragenden Rollen durch Drehmomentschwankungen bemerkbar. Die relativ hohen Herstellungskosten der Rollengewindetriebe haben bislang eine weite Verbreitung dieses Konstruktionsprinzips verhindert. In der Praxis besetzen die Rollengewindetriebe mit großem Erfolg eine Nische in dem Bereich, in dem der Kugelgewindetrieb hinsichtlich seiner Kraftdichte bzw. Tragfähigkeit nicht mehr eingesetzt werden kann. Beim Einsatz der Rollengewindetriebe muss man jedoch deren spezifische Eigenschaften genau berücksichtigen.

Ergänzendes zum Thema
Statement von Dietmar Rudy zur Entwicklung des Planetenwälzgewindetriebes bei Schaeffler:

Dietmar Rudy ist Leiter Produktentwicklung Industrial Automation bei Schaeffler.
Dietmar Rudy ist Leiter Produktentwicklung Industrial Automation bei Schaeffler.
( Bild: Schaeffler )

„Der Planetenwälzgewindetrieb wurde in der Fachwelt vor allem durch den 1993 eingesetzten Roboter Rotex an Bord des Space Shuttle Columbia bekannt. In die Roboterhand war ein extrem leistungsfähiges, elektrisch angetriebenes Spindelsystem integriert – der Planetenwälzgewindetrieb (PWG). Herzstück dieses Gewindetriebes sind die Planeten. Auf deren Flanken muss nicht nur die Teilung über alle Rillen bis auf wenige µm genau gefertigt sein, sondern sie müssen auch über einen winzigen Balligkeitsradius verfügen, der mit weniger als 3 µm toleriert ist. Die äußerst präzise Fertigung und die damit verbundenen hohen Herstellungskosten stellten sich als große Hürde für eine erfolgreiche Markteinführung des PWG heraus. Den entscheidenden Durchbruch brachte uns 2011 ein Entwicklungsprojekt aus dem Automotive-Bereich. Es galt einen äußerst kompakten Kupplungsaktuator mit sehr kleiner Gesamtsteigung zu entwickeln – der Planetenwälzgewindetrieb war die ideale Basis. Dies nutzten wir für die Entwicklung des PWG-Industrie-Baukastens.“

Kompakte Planetenwälzgewindetriebe

Beim Planetenwälzgewindetrieb PWG sind sowohl die Planeten als auch die Mutterhälften nicht mit Gewinden, sondern mit konzentrischen Rillen ausgeführt. Eine Rückführung der Planetenrollen ist daher nicht notwendig. Der mittlere Teil der abgesetzten Planeten greift in das Spindelgewinde ein, die Planetenrillen mit dem kleinen Durchmesser greifen in die Mutterhälften ein. Die Kinematik des PWG ähnelt einem Planetengetriebe. In der Tat führt der Umlauf der Planeten zu einer inneren Übersetzung und zu sehr kleinen Gesamtsteigungen: Bei Spindelsteigungen von 1 mm sind Gesamtsteigungen von z.B. 0,75 mm sehr gut realisierbar.

Über die konstruktive Ausführung der Spindelgewinde, der abgesetzten Planeten und der Mutter sind die Eigenschaften des PWG wie Tragfähigkeit, Übersetzung und die maximale Axialkraft in weiten Bereichen beeinflussbar. Daher lässt sich der PWG gut an verschiedene Aufgabenstellungen adaptieren. Allerdings sollte man Kugelgewindetriebe nicht einfach durch Planetenwälzgewindetriebe ersetzen.

Der PWG ist (bei eingängiger Spindel) sinnvoll mit Spindelsteigungen von 0,7 mm bis zu 3 mm einsetzbar. Das erklärt sich wie folgt: Bei einer theoretischen Spindelsteigung von Null könnten die Flanken der Planeten ideal an den Spindelflanken anliegen. Mit größer werdendem Steigungswinkel bzw. größer werdender Steigung werden die Überdeckungsflächen der Rillen mit der Gewindespindel kleiner. Daher ist das Konstruktionsprinzip des PWG in erster Linie für kleine Steigungen prädestiniert – was dem Entwicklungsziel einer großen Übersetzung und eines Aktors mit höchster Leistungsdichte sehr entgegen kommt.

Planetenwälzgewindetrieb besonders tragfähig

Der Rollengewindetrieb RGT wird üblicherweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Tragfähigkeit des Kugelgewindetriebes KGT nicht mehr ausreicht. Der Planetenwälzgewindetrieb PWG erschließt ein neues Anwendungsfeld mit noch größerer Leistungsdichte als der RGT, insbesondere wenn sehr kleine Gesamtsteigungen gefordert sind. Genau dann ist er besonders tragfähig.

Er benötigt weder Verzahnungen noch Rollenrückführungen, verfügt über eine hohe Laufruhe und ist spielfrei vorgespannt. Mit der sehr kleinen Gesamtsteigung bietet der PWG die Möglichkeit, aus kleinsten Antriebsmomenten sehr große Axialkräfte zu erzeugen. So lassen sich bei 0,75 mm Spindelsteigung mit einem Drehmoment von 0,4 Nm 2200 N Axialkraft erzeugen. Die PWG-Baureihe ist aktuell mit sechs Durchmessern von 5 mm bis 25 mm mit dynamischen Tragfähigkeiten von 8 kN bis 40 kN verfügbar.

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