Schrägverzahnte Zahnstange für lineare Bewegung

Es gibt viele Arten von Kettenrädern auf Lager. Wenn die Anwendung eine große Länge erfordert, die viele in Reihe geschaltete Zahnstangen erfordert, haben wir Zahnstangen mit korrekt konfigurierten Zahnkanten. Diese werden als „bearbeitete Endzahnstangen“ bezeichnet.

Es gibt Anwendungen, bei denen die Schrägzahnstange stationär ist, während sich die Zahnstange bewegt, und andere, bei denen sich die Zahnstange um eine feste Achse dreht, während sich die Zahnstange bewegt. Ersteres wird häufig in Transportsystemen verwendet, während letzteres in Extrusionssystemen und Hebe- / Senkanwendungen verwendet werden kann.

Als mechanisches Element zur Übertragung einer rotatorischen in eine lineare Bewegung werden Zahnstangen oft mit Kugelgewindetrieben verglichen. Es gibt Vor- und Nachteile. Die Vorteile einer Zahnstange sind ihre mechanische Einfachheit, große Tragfähigkeit, keine Begrenzung der Länge usw. Ein Nachteil ist jedoch das Spiel. Der Vorteil eines Kugelgewindetriebs ist die hohe Präzision und das geringere Spiel, während die Nachteile die Längenbegrenzung aufgrund der Durchbiegung umfassen.

Rack-Typen

Zahnstangengetriebe gibt es in zwei Varianten:

Gerade Zähne haben die Zahnachse parallel zur Rotationsachse. Gerade Zähne, die parallel zur Zahnradachse verlaufen. Schrägverzahnte Zahnräder bieten einen kontinuierlichen Eingriff entlang der Zahnlänge und sind oft leiser und effizienter als gerade verzahnte Zahnräder und bieten auch eine höhere Belastung bei gleicher Zahnstangenbreite. Schrägverzahnte Zahnräder ähneln in der Rotationsebene Stirnrädern, enthalten jedoch Zähne, die entlang eines spiralförmigen Pfads in axialer Richtung verdreht sind.

Anwendungen

Schrägverzahnte Zahnstangenantriebe eignen sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Achsantriebe, die eine präzise Positionierung und Wiederholbarkeit erfordern, Schiebetore und -säulen, Pick-and-Place-Roboter, CNC-Fräser und Materialhandhabungssysteme. Diese Antriebe können auch hohe Lasten und Arbeitszyklen problemlos bewältigen. Zu den bedienten Branchen gehören Materialhandhabung, Automatisierung, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Werkzeugmaschinen und Robotik.

Für die Bewegung von Maschinen ist eine lineare Bewegung notwendig; transportiert Werkzeuge und Produkte effizient und kontrolliert. Linearbewegungsgeneratoren werden im Allgemeinen nach ihrer Axialgeschwindigkeit und -beschleunigung, Axialkräften im Vergleich zum Strukturvolumen, Haltbarkeit, Steifigkeit und Positioniergenauigkeit eingestuft.

Zwei beliebte Linearsysteme sind Linearmotoren und Gewindetriebe. Zahnstangenantriebe werden oft als Technologie der vorherigen Generation mit begrenzter Positioniergenauigkeit übersehen. Diese Annahme ist jedoch ungültig.

Präzisionsgeschliffene Montageflächen mit engen Toleranzen, verschleißfeste Oberflächenbehandlung, einzeln entgratete Verzahnungen und leichte, kompakte Bauweisen steigern die Produktivität. Tatsächlich schneiden Zahnstangenantriebe im Vergleich zu Linearmotoren sowie Kugelgewindetrieben mit Wellen- oder Erdgewinde gut ab.

Die Zahnstangen-Ritzel-Systeme der neuen Generation bieten hohe Dynamik und unbegrenzte Verfahrwege. Einige davon umfassen hochwertige Servogetriebe und Aktuatoren mit weniger als 1 Bogenminuten Spiel, bis zu 98,5 % Wirkungsgrad und viel kompakteren Abmessungen als Standard-Servo- und Getriebekombinationen. Einige vormontierte Zahnräder können mit einer Genauigkeit von bis zu 10 µm arbeiten, was für Sicherheit und reibungslose Bewegung sorgt.

Typische Zahnstangenanwendungen sind Portal-, Transport- und Verpackungsmaschinen von wenigen Pfund bis zu mehreren Tonnen. Die neue Generation von Zahnstangensätzen wird auch in Holzbearbeitungsmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Zerspanungsmaschinen und Montagemaschinen eingesetzt.

Geometrie- und Oberflächendetails

Die Leistung des Racks hat sich mit dem gesamten technologischen Fortschritt verbessert. Beispielsweise haben modernste Bearbeitung und Schleifen die Präzision des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus erheblich gesteigert.

Genauer gesagt werden einige hochwertige Ständerkomponenten für einen kumulativen Abstandsfehler von ± 12 µm über eine Länge von 500 mm lasergeätzt, was eine manuelle Auswahl der Zielgenauigkeit ermöglicht. Dies ist nützlich für die parallele Ausrichtung von Regalkomponenten in Gantry-Anwendungen mit Doppelantrieb. Tatsächlich ermöglicht dieses Maß an Präzision, dass mehrere Arten von Maschinen ohne externe Feedback-Geräte laufen; und andere lineare Systeme erfordern teure externe Feedback-Geräte für Kommutierung und Positionierung.

Schrägverzahnte Zahnstangen mit optimiertem Schrägungswinkel werden wegen des höheren Zahnüberdeckungsgrades für einen leiseren Betrieb bei höheren Drehzahlen und höheren Tragfähigkeiten bevorzugt. Der Fehler einer Teilung zwischen den Schrägzähnen kann 3 µm erreichen. Eine Ritzelprofilverschiebung oder Profiländerung verhindert Unterschnitt; es gleicht auch Biegespannungen für eine höhere Belastbarkeit aus. Die Schrägverzahnung greift sanft und leise ein – was zur Verbesserung der Oberflächengüte beiträgt, beispielsweise bei der Bearbeitung von Teilen mit engen Toleranzen.

Zahnstangen-Integration

Es gibt viele Optionen für die Montage von Rack-Kits. Einige Racks verwenden spezielle Montageflächen, um die Genauigkeit zu gewährleisten, während andere selbst bei einer einfachen Installation eine angemessene Leistung bieten. Die natürliche Flexibilität des Designs kann für eine bessere Steuerung genutzt werden:Im Gegensatz zu Linearmotoren mit Direktantrieb können Sie mit Zahnstangensätzen die Ritzelgröße, Zahnräder und Dämpfung anpassen - um die Regelung zu stabilisieren.

Es gibt Fallstricke:Ein zu großer Abstand von Ritzel und Zahnstange verursacht Spiel, das die Präzision verringert. Eine beschädigte oder falsch ausgerichtete Halterung kann auch die Getriebelager beschädigen und zu einer höheren Stromaufnahme des Motors, Geräuschen und sogar Ausfällen führen. Um die beste Leistung zu erzielen, sollte das Ritzel für viele Anwendungen mit einem ausreichenden Abstand von der Zahnstange, flach und senkrecht zum Zahnrad mit einer Genauigkeit von etwa 25 µm montiert sein.

Fortschritte bei Zahnstangengetrieben und der Rückgang der Servopreise bedeuten, dass Servomotoren typischerweise mit Zahnstangensystemen gekoppelt sind. Schrittmotoren sind eine praktikable Option, aber Servomotoren werden wegen ihrer Präzision bevorzugt.

Vorabladen

Manchmal werden Ritzelsätze vorgespannt, um Spiel zu eliminieren und die Steifigkeit zu erhöhen. Hier bewegen sich die beiden Zahnräder auf derselben Zahnstange. Das Hauptritzel treibt den Mechanismus wie in der normalen Konfiguration an; Unterdessen kann das Hilfsritzel ein Drehmoment erzeugen, um eine Gegenkraft auf die Zähne auszuüben, mit denen es in Kontakt ist. So verhindern Trägheit und Widerstand Spiel, auch bei Lastwechseln; die Systemsteifigkeit wird ebenfalls erhöht und die Lenkdynamik verbessert.

Bei richtiger Auswahl der Komponenten gibt es keine nennenswerten Mängel bei der Vorbestückung des Regalsystems. Andererseits kann eine mechanische Vorspannung die Gesamtsteifigkeit der Maschine tatsächlich verringern. Beispielsweise würde ein geteiltes, federbelastetes Ritzel die Steifigkeit des Systems verringern:

Beachten Sie, dass diese herkömmlichen Vorspannungsritzel im Gegensatz zu ausgeklügelteren elektronischen Vorspannungssystemen nicht zusammenarbeiten können. das eine geht immer gegen das andere, was die Effizienz etwas mindert.

Bei anspruchsvolleren Rack-Sets wird die elektronische Vorspannung auf dem Maximum gehalten, während das System stationär ist. Haupt- und Nebenzahnrad – beide aktiv angetrieben – drücken in die gegenläufigen Zähne der Zahnstangen. Wenn die Maschine dann beschleunigt, treibt das Primärritzel die Maschine vorwärts, während das Sekundärritzel die Vorspannung der Gegenkraft reduziert. Wenn das System auf eine konstante Geschwindigkeit verzögert, kommt das Hilfszahnrad in Kontakt mit der Seite des Zahns, die derjenigen entspricht, die mit dem Hauptritzel gekoppelt ist; dann bewegen sich die beiden Zahnräder in die gleiche Richtung, während ein Spiel vermieden wird.

Wenn sich das System schließlich verlangsamt, kehrt das Hilfsritzel dazu zurück, Kraft auf die gegenüberliegende Seite des Zahns auszuüben, um die Last zu verlangsamen.