Planetenwälzgewindetrieb nimmt es mit hydraulischen Antrieben auf

Schaeffler Planetenwälzgewindetrieb nimmt es mit hydraulischen Antrieben auf

05.02.2015 | Autor: Stefanie Michel

Ein Planetenwälzgewindetrieb für den Preis einer Kugelrollspindel, der dann auch hydraulische Aktuatoren ersetzen kann? Das verspricht eine Baureihe von spanlos hergestellten Planetenwälzgewindetrieben, die mit kleinsten Antriebsmomenten größte axiale Kräfte realisieren können.

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Bild 1: Im Durchmesserbereich von 5 bis 25 mm erreicht der PWG die höchste Leistungsdichte.
(Bild: Schaeffler)

Mit einer neuen Bauform und einem neuen Funktionsprinzip erweitert Schaeffler sein Spindelprogramm um einen besonders tragfähigen und leistungsdichten Gewindetrieb. Der sogenannte Planetenwälzgewindetrieb PWG ergänzt aufgrund seiner technischen Eigenschaften die schon bestehenden Kugelgewindetriebe KGT und Rollengewindetriebe RGT. Durch seine hohe Leistungsdichte kann der PWG sogar hydraulische Antriebe substituieren. Damit komplettiert Schaeffler sein Produktprogramm an Gewindetrieben und bietet hinsichtlich Geschwindigkeit, Genauigkeit und Tragfähigkeit die jeweils optimale Lösung für die Anwendung. Der Planetenwälzgewindetrieb PWG ebnet dabei den Weg zum „Smart Aktor“: einem elektromechanischen Linearaktor mit hoher Effizienz auf kleinstem Bauraum.

Etabliert haben sich bereits der Kugelgewindetrieb und der Rollengewindetrieb. Zu den Stärken des Kugelgewindetriebes zählen die hohe Dynamik aufgrund der großen Spindelsteigungen, der reibungsarme Lauf sowie die hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit – ganz besonders in der geschliffenen Herstellung. Kleine Steigungen sind jedoch aus geometrischen Gründen nicht realisierbar. Der Rollengewindetrieb bietet im Vergleich dazu eine höhere Tragfähigkeit bei Spindelsteigungen ab etwa 10 mm und eine sehr hohe Positioniergenauigkeit.

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Bild 1: Kraftvoll: Im Durchmesserbereich von 5 bis 25 mm erreicht der PWG die höchste Leistungsdichte.

Bild 2: Der Aufbau des Planetenwälzgewindetriebes PWG. Spindel und Planeten werden spanlos hergestellt.

Dietmar Rudy: „Mit kleinsten Antriebsmomenten größte axiale Kräfte erzeugen – das kann man mit der PWG-Baureihe realisieren.“

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Elektromechanischer Linearaktor, der Hydraulik ersetzen kann

Hohe Anzahl an Wälzkontakten ermöglicht höchste Tragfähigkeit und Steifigkeit

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Interview

Durch spanlose Fertigung sollen sich Planetengewindetriebe durchsetzen

Planetengewindetriebe gibt es schon auf dem Markt. Was ist nun neu am PWG von Schaeffler?

Neu ist die Fertigungstechnologie. Uns ist es gelungen, den Planetenwälzgewindetrieb komplett spanlos herzustellen: Das beginnt bei den Planeten, geht über die Spindel bis hin zu den Mutterringen. Deshalb wird die PWG auch im Kostenbereich einer spanlosen Kugelrollspindel liegen. Das ist einmalig und war bisher immer der Hemmschuh, warum sich Planetenwälzgewindetriebe nicht durchgesetzt haben.

Wie unterscheidet sich der PWG von anderen Planetenwälzgewindetrieben?

Grundsätzlich unterscheidet er sich in der generellen Funktionsweise und dem inneren Aufbau. So ist bei unserem PWG die Gesamtsteigung kleiner als die Einzelgangsteigung auf dem Spindelgewinde. Das lässt sich realisieren, indem unsere Planeten keine Steigung aufweisen. Deshalb benötigen wir auch keine zusätzliche Synchronisation. Dadurch, dass wir zusätzlich untersetzen, können wir außerdem mit einem relativ groben Gewinde eine kleine Gesamtsteigung erzeugen. So wird dieser Planetenwälzgewindetrieb wesentlich tragfähiger als andere Bauweisen. Und das unterscheidet uns ganz erheblich von herkömmlichen Systemen.

Wo kommen diese Planetenwälzgewindetriebe zum Einsatz?

Die PWG-Bauweise wird hauptsächlich in Smart Aktoren eingesetzt, die zum Teil auch hydraulische Aktoren ersetzen können. Anwendungen findet man fast in jedem Industriebereich – von Automotive über Industrie bis hin zur Medizintechnik –, und zwar immer dann, wenn man auf kleinstem Bauraum einen hochleistungsfähigen elektrischen Aktor benötigt.

Der PWG soll den Weg zum „Smart Aktor“ ebnen. Doch was macht den „Smart Aktor“ smart?

Das ist die Gesamtbauweise, denn man kann mit kleinsten Antriebsmomenten größte axiale Kräfte erzeugen. Dazu braucht man eine kleine Steigung und das kann man nur mit der genannten Bauweise.

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Die dritte Variante der Gewindetriebe ist eine Bauform, die noch höhere Kräfte bei kleinen Spindelsteigungen unter 5 mm bietet. Hierfür hat Schaeffler den sogenannten Planetenwälzgewindetrieb PWG entwickelt: Auf der Gewindespindel wälzen sich Planeten mit parallel angeordneten, v-förmigen Rillen ab (Bild 2). Die Rotation der Planeten beziehungsweise deren Antrieb wird über die Spindelmutter sichergestellt. Hierzu ist die zweigeteilte Mutter an den Enden ebenso mit Rillen versehen, in die die Enden der Planeten eingreifen. Durch die sehr hohe 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 sorgt für geringe Reibung. Mit entsprechend gewählten Durchmessern der Planetenrillen lassen sich kleinste Gesamtsteigungen von 0,75 bis zu 5 mm realisieren.

Eine Besonderheit stellt auch das Herstellungsverfahren dar, denn Spindel und Planeten werden spanlos hergestellt. Dadurch erreicht man eine gute Verdichtung des Materials im Zusammenspiel mit einem optimalen Faserverlauf, höchste Festigkeiten und damit nochmals eine um 15 % höhere Tragzahl gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren. Dieses Herstellungsverfahren reduziert zudem die Kosten auf ein mit spanlos hergestellten Kugelrollspindeln vergleichbares Niveau. Mit einer Distanzscheibe zwischen den Spindelmutterhälften sind spielfrei vorgespannte Einheiten sehr leicht realisierbar.

Elektromotorische Aktoren mit hoher Leistungsdichte realisieren

Der PWG schließt die Lücke zwischen RGT und KGT bei Spindeldurchmessern von 5 bis circa 30 mm hinsichtlich sehr hoher Tragfähigkeit und kleinstmöglicher Gesamtsteigungen. Beispielsweise erzeugt der PWG bei einer Gesamtsteigung von 0,75 mm aus nur 40 Ncm 2200 N Axialkraft. Folglich sind auch mit kleinen Motoren sehr große Axialkräfte realisierbar.

Mit dem Planetenwälzgewindetrieb PWG von Schaeffler lassen sich nun also nicht nur elektromotorische Aktoren mit hoher Leistungsdichte, langer Lebensdauer und geringem Wartungsaufwand entwickeln, sondern auch kostengünstige Motoren einsetzen. Die Integration des elektrischen Antriebes ist denkbar einfach über eine Passfederverbindung am Außendurchmesser der Spindelmutter möglich.

Im Vergleich zu pneumatischen Zylindern kann der PWG bei gleicher Ausgangsleistung sehr viel Energie einsparen. Aufgrund seiner Bauweise weist ein pneumatischer Linearaktor zahlreiche Verluste (zum Beispiel Leck-, Motor-, Anlaufverluste) auf, was seine Energiebilanz stark verringert. Bei einem elektromagnetischen Aktuator hingegen treten lediglich mechanische Verluste und Motorverluste auf (Bild 3). So sind Einsparungen von mehreren Tausend Euro pro Jahr möglich. Der PWG ersetzt jedoch nicht nur pneumatische Aktuatoren: Erstmals können auch Hochleistungshydraulikanwendungen durch einen mechanischen Zylinder ersetzt werden.

Einsatz der Planetenwälzgewindetriebe in Smart Aktoren

Diese PWG-Baureihe wird hauptsächlich in Smart Aktoren eingesetzt. Anwendungen findet man praktisch in jedem Industriebereich, wie beispielsweise in der Medizintechnik, bei Hubsäulen, in Löseeinheiten oder in Werkzeugmaschinen. Immer, wenn es notwendig ist, dass man auf kleinstem Bauraum einen hochleistungsfähigen elektromechanischen Aktor verwendet, kommt diese Baureihe zum Einsatz.

Anwendungsgebiete und erste Projekte finden sich 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. Bereits in Serie ist der PWG bei Kupplungsaktoren in der Automobilindustrie. MM

* Weitere Informationen: Dietmar Rudy, Schaeffler Technologies AG & Co. KG in 66424 Homburg/Saar, Tel. (0 68 41) 7 01-0, info.de@schaeffler.com

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