Auf dem Weg zum smarten Aktor

Spezial Lineartechnik

Gewindetriebe – Mit seinem neuartig aufgebauten Planetenwälzgewindetrieb PWG erreicht Schaeffler eine sehr hohe Tragfähigkeit bei gleichzeitig hoher Steifigkeit. So können Anwender ihren Linearaktor günstiger und intelligenter auslegen.

20. Mai 2015

Gewindetriebe sind ein lange bekanntes Werkzeug, um Massen linear zu bewegen. Doch wie überall in der Technik gibt es auch hierbei viele Spielarten und immer wieder kommen neue Varianten auf den Markt, Anbieter wie Schaeffler mit seinen Experten von INA-Lineartechnik aus Homburg an der Saar beschäftigen sich intensiv mit der Materie.

Mit einer neuen Bauform und einem neuen Funktionsprinzip erweitert das Unternehmen jetzt sein Programm der Spindelgewindetriebe. Der so genannte Planetenwälzgewindetrieb PWG ergänzt aufgrund seiner technischen Eigenschaften wie der immensen Leistungsdichte und einer besonders hohen Tragfähigkeit das bisherige Programm an Gewindetrieben.

Dietmar Rudy hat den PWG als Leiter der Produktentwicklung von Anfang an begleitet und er ist von der Relevanz der neuen Komponente überzeugt: »Für uns ebnet der Planetenwälzgewindetrieb PWG den Weg zum Smart Aktor. Das Prinzip gibt es schon seit 100 Jahren, aber wir haben es konsequent und erfolgreich weiter gedacht.«

Zur Annäherung an das Thema lohne sich ein Vergleich der Systeme: »Grundlage der Aktorik sind die Pneumatik und die Hydraulik, damit beschäftigen sich Menschen seit 250 Jahren. Hydraulik kommt zum Einsatz, wenn es um große Kräfte geht, weil sie die höhere Energiedichte aufweist, und Pneumatik bei einfachen Anwendungen. Bei beiden Prinzipien benötigt der Anwender viel Equipment wie Pumpen, Tanks oder Rohre.«

Die Effizienz eines Hydrauliksystems sei nicht hoch, der Wirkungsgrad liegt im Schnitt bei 45 Prozent, außerdem droht die Kontamination durch Öl. Die Pneumatik ist noch weniger effizient, hier liegen die Werte bei sechs Prozent.

Elektromechanik bevorzugt

Darum bevorzugt Schaeffler den elektromechanischen Ansatz. »Wir wollen die Hydraulik und Pneumatik keineswegs ersetzen, in einigen Bereichen haben diese immer noch ihre volle Daseinsberechtigung. Aber elektromechanische Aktoren bringen die höchste Effizienz, denn sie verbrauchen sehr wenig Energie, vor allem gegenüber pneumatischen Lösungen: Wenn ein elektromechanisch angetriebener Aktor Tag und Nacht laufen würde, verbraucht er jährlich etwa 500 Euro an Energiekosten gegenüber 5.000 Euro bei den anderen Methoden. Das bedeutet eine sehr bemerkenswerte Ersparnis um den Faktor zehn.«

Dietmar Rudy hebt hervor, dass sich elektromechanische Linearaktoren genau an die jeweiligen Anforderungen anpassen können und sich der Planetenwälzgewinde trieb so gestalten lässt, dass er im idealen Bauraum liegt.

Und Schaeffler verfüge dabei über das komplette Know-how, von der Entwicklung, über die Axiallager bis zur Gesamtauslegung. Dietmar Rudy: »Für unser Unternehmen macht es zunehmend Sinn, sich mit elektromechanischen Aktoren wie eben den Planetenwälzgewindetrieben zu beschäftigen, weil die Nachfrage deutlich wächst.«

Das merke Schaeffler eindeutig an den Anfragen seiner Kunden und durch eingehende Analysen. »Hier entsteht ein neuer Markt, vor allem in Richtung höherer Kräfte. Wir haben schon einige ähnliche Produkte im Programm und auch mancher Wettbewerber zieht mit solchen Systemen nach. Generell sind elektromechanische Linearaktoren im Kommen.«

Derzeit haben sich unter den Gewindetrieben der Kugelgewindetrieb KGT und der Rollengewindetrieb RGT etabliert. Zu den Stärken des Kugelgewindetriebes zählen die hohe Dynamik aufgrund der großen Spindelsteigungen, der reibungsarme Lauf sowie die hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit. Kleine Steigungen sind jedoch aus geometrischen Gründen nicht realisierbar. Der Rollengewindetrieb bietet im Vergleich eine höhere Tragfähigkeit bei Spindelsteigungen ab zirka zehn Millimetern und eine hohe Positioniergenauigkeit.

Bei den herkömmlichen Planetenwälzgetrieben ist die Gesamtsteigung des Systems nach außen genauso groß wie die Steigung der eingesetzten Spindel. Bei der neuen PWG ist die Gesamtsteigung kleiner und es findet zusätzlich eine Untersetzung statt.

Dietmar Rudy; »Wir hatten festgestellt, dass uns die passende Komponente für kleine Steigungen fehlt. Es gab zwar schon Planetenwälzgetriebe und auch Kugelrollspindeln, aber die verfügten nicht über die essentielle Eigenschaft, auch bei sehr kleinen Steigungen große axiale Kräfte vom Wälzkontakt her erzeugen zu können. Wir sprechen hier von Steigungen unter fünf Millimetern.«

Wie das bei beim neuen Planetenwälzgewindetrieb PWG funktioniert, zeigt ein Vergleich: Bei RGT und PWG greifen die Planeten gleichermaßen einmal in die Mutter ein und einmal in die Spindel. Um bei der RGT aber kleinste Steigungen zu erreichen, wird auch die Spindel sehr klein und dünn. Auf einem Millimeter Steigung entstehen drei Windungen, also Zähne, die nur einen Drittel Millimeter dick sind. Ein so feiner Zahn ist nicht mehr sehr tragfähig und kann darum keine großen Kräfte aufnehmen.

Die neue PWG kommt aber ohne interne Verzahnung aus und weist stattdessen nur Planeten mit parallel angeordneten, v-förmigen Rillen auf, die sich auf der Gewindespindel abwälzen. Die Rotation der Planeten beziehungsweise deren Antrieb wird über die zweigeteilte Spindelmutter sichergestellt. Hierzu ist diese an den Enden ebenso mit Rillen versehen, in die die Enden der Planeten eingreifen. Aufgrund der fehlenden Verzahnung entsteht ein kontinuierlicher Prozess und darum ist die PWG laut Rudy sehr geräuscharm: »Dank dieser Eigenschaft hoffen wir, das Produkt in vielen Industrie- und Automotive-Anwendungen etablieren zu können, in denen diese Eigenschaft sehr wichtig ist.«

Dank der sehr hohen Anzahl an Wälzkontakten erreicht der PWG im Vergleich zu den beiden anderen Varianten die höchste Tragfähigkeit und Steifigkeit. Die gute interne Lastverteilung und die optimierte Schmiegung zwischen den Spindelgewindeflanken und den balligen Flanken der Planetenrillen sorgen für geringe Reibung. Mit entsprechend gewählten Durchmessern der Planetenrillen und einem relativ groben Gewinde sind sehr kleine Gesamtsteigungen von 0,75 bis zu 5 Millimetern möglich.

»Durch den neuartigen Aufbau bildet die PWG die fehlende Bauform, die hohe Kräfte auch bei kleinen Spindelsteigungen gewährleistet und dabei sehr stabil ist«, sagt Dietmar Rudy. »Die PWG ersetzt nicht in allen Fällen die bestehenden Maschinenkomponenten, aber der neue Planetenwälzgewindetrieb erweitert den Einsatzbereich und vereinfacht zusätzlich die Fertigung.

Das leitet direkt zum Fertigungsverfahren: »Es ist uns bei der PWG gelungen, Spindel und Planeten spanlos herzustellen« berichtet Rudy. »So erzielen wir eine gute Verdichtung des Materials im Zusammenspiel mit einem optimalen Faserverlauf, höchste Festigkeiten und damit nochmals eine um 15 Prozent höhere Tragzahl gegenüber herkömmlichen Technologien. Und wir können mit der PWG jetzt in preisliche Regionen vordringen wie bei einer spanlos gefertigten Kugelrollspindel in Genauigkeitsklasse T7.«

Mit einer Distanzscheibe zwischen den Spindelmutterhälften ergeben sich auf einfache Art und Weise spielfrei vorgespannte Einheiten. Die Mutterringe werden wie ein normales Rillenkugellager gefertigt.

Der PWG schließt die Lücke zwischen RGT und KGT bei Spindeldurchmessern von fünf bis 25 Millimetern bei den erwähnten Vorteilen. Beispielsweise erzeugt der PWG bei einer Gesamtsteigung von 0,75 Millimetern aus nur 40 Newtonzentimetern 2.200 Newton Axialkraft. Folglich lassen sich auch mit kleinen Motoren sehr große Axialkräfte umsetzen. »Wir können mit einer Steigung von einem Millimeter auf der Spindel 0,7 Millimeter an Gesamtsteigung rausholen, also 30 Prozent kleiner bauen.«

Schaeffler strebt mit dem PWG einen modularen Baukasten an. Derzeit ist ein Spindeldurchmesser von fünf bis 25 Millimetern erhältlich. Schon die kleinste Baugröße kann 800 Kilogramm tragen. Es gibt jeweils zwei Steigungen für die Baugrößen 5, 9 und 12 und eine für die 15, 20 und 25. Passende Axiallager stehen in Form von Loslagern zur Verfügung und als zum PWG passende Festlager. Die Tragfähigkeiten stimmen jeweils überein. Das Bauteil ist in zylindrischer Ausführung erhältlich und mit Flansch.

Mit vereinten Eigenschaften

Im neuen System sind drei physikalische Eigenschaften in einem Element verbunden: Vorschub, Lagerung bei axialen und radialen Kräften sowie die Untersetzung eines Planetengewindetriebes. »Dank dieser drei Eigenschaften können wir den PWG in der Praxis präzise auslegen und für die Anwendung das Optimum herausholen«, freut sich Dietmar Rudy.

Aus einem Last-Weg-Geschwindigkeits-Profil lässt sich die so genannte wälzlagertechnische Äquivalenzlast berechnen, in der man verschiedene Kombinationen in einer Simulation eine Million Mal belastet. »Daraus ergibt sich die erforderliche Baugröße des PWG und der Anwender kann sich daraufhin den entsprechenden Motor auswählen und eine Bauraumstudie anfertigen«, nennt Dietmar Rudy einen wichtigen Vorteil.

Bei einer so kleinen Steigung wie sie beim PWG jetzt möglich geworden ist, reicht ein Elektromotor aus, der ein sehr geringes Moment aufweist, aber eine hohe Drehzahl. Solche Motoren sind kleiner und kostengünstiger, weil weniger Kupfer und Magnete verbaut sind. »Auch hier bewegen wir uns schon in Richtung einer smarten Lösung«, sagt Dietmar Rudy.

In den meisten Fällen kann der Motor mindestens eine Baugröße kleiner ausfallen und der Anwender spart Kosten und Bauraum ein. Oft erreicht er sogar wesentlich höhere Zykluszahlen als in der Simulation vorausgesetzt und zudem eine viel größere Tragfähigkeit als es beim herkömmlichen Aktor der Fall war.

Mit dem Planetenwälzgewindetrieb PWG von Schaeffler bekommt der Anwender also nicht nur elektromotorische Aktoren mit hoher Leistungsdichte, langer Lebensdauer und geringem Wartungsaufwand, er kann auch kostengünstige Motoren einsetzen. Die Integration des elektrischen Antriebes ist über eine Passfederverbindung am Außendurchmesser der Spindelmutter sehr einfach möglich.

Produktprogramm komplettiert

Dietmar Rudy fasst zusammen: »Der PWG ist ein voll spanloses Bauteil, das sehr kostengünstig herzustellen ist, er weist eine gewaltige Tragfähigkeit auf und höchste axiale Steifigkeit. Das System ist einfach und robust, axial vorgespannt, spielfrei, und wir können die Steigung sehr genau einstellen, angefangen bei 0,01 Millimetern.« Derzeit liegt die kleinste Ausführung im Programm bei 0,75 und die größte bei fünf Millimetern.

Damit komplettiert Schaeffler sein Produktprogramm an Gewindetrieben und bietet hinsichtlich Geschwindigkeit, Genauigkeit und Tragfähigkeit die jeweils optimale Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen. Diese finden sich zum Beispiel in der Solartechnik zur Spiegelnachführung, in der Windenergie zur Azimutverstellung, im Maschinenbau als Vorschubeinheit für die Blechumformung, in Abkantbänken, in Schließzylindern von Kunststoffspritzmaschinen, in Niet- und Schneidzangen und in Klebstoffdosierpistolen. Es gibt bereits erste konkrete Projekte: Bereits in Serie ist der PWG etwa bei Kupplungsaktoren in der Automobilindustrie.

Erschienen in Ausgabe: 04/2015