Schrägverzahnte Zahnstange für präzise Linearbewegungen

Es gibt viele Arten von Zahnrädern auf Lager. Wenn die Anwendung eine lange Länge erfordert, die viele in Reihe geschaltete Zahnstangen benötigt, führen wir Zahnstangen mit korrekt konfigurierten Zahnflanken. Diese werden als „bearbeitete Enden Zahnstangen“ bezeichnet.

Es gibt Anwendungen, bei denen die schrägverzahnte Zahnstange stationär ist, während das Zahnrad sich bewegt, und andere, bei denen sich das Zahnrad um eine feste Achse dreht, während die Zahnstange sich bewegt. Ersteres wird weit in Transportsystemen eingesetzt, während Letzteres in Extrusionssystemen und Hub-/Senk-Anwendungen verwendet werden kann.

Als mechanisches Element zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung werden Zahnstangen oft mit Kugelgewindetrieben verglichen. Es gibt Vor- und Nachteile. Vorteile einer Zahnstange sind ihre mechanische Einfachheit, große Tragfähigkeit, keine Längenbegrenzung usw. Ein Nachteil ist jedoch das Spiel (Backlash). Der Vorteil eines Kugelgewindetriebs ist die hohe Präzision und geringeres Spiel, während Nachteile die Längenbegrenzung durch Durchbiegung umfassen.

Zahnstangen-Typen

Zahnstangen- und Ritzelgetriebe sind in zwei Varianten erhältlich:

Gerade Verzahnung: Die Zahnachse ist parallel zur Drehachse. Gerade Zähne verlaufen parallel zur Achse des Zahnrads. Schrägverzahnung: Schrägverzahnte Räder bieten kontinuierlichen Eingriff entlang der Zahnlänge und sind oft leiser und effizienter als gerade verzahnte Räder und bieten auch höhere Belastbarkeit bei gleicher Zahnstangenbreite. Schrägverzahnte Räder ähneln Stirnrädern in der Rotationsebene, beinhalten jedoch Zähne, die entlang eines Schraubengangs in axialer Richtung verdreht sind.

Anwendungen

Schrägverzahnte Zahnstangenantriebe sind ideal für eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich Achsenantriebe, die präzise Positionierung und Wiederholgenauigkeit erfordern, Schiebetore und Säulen, Pick-&-Place-Roboter, CNC-Router und Materialhandhabungssysteme. Diese Antriebe können auch schwere Lasten und Arbeitszyklen problemlos bewältigen. Bediente Branchen umfassen Materialhandhabung, Automation, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Werkzeugmaschinen und Robotik.

Linearbewegung ist notwendig für die Bewegung von Maschinen; sie transportiert Werkzeuge und Produkte effizient und kontrolliert. Linearbewegungsgeneratoren werden generell nach ihrer Axialgeschwindigkeit und -beschleunigung, Axialkräften gegen Strukturvolumen, Haltbarkeit, Steifigkeit und Positioniergenauigkeit bewertet.

Zwei beliebte Linearsysteme sind Linearmotoren und Spindelantriebe. Zahnstangen- und Ritzelantriebe 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 Zähne und leichte, kompakte Designs steigern die Produktivität. Tatsächlich vergleichen sich Zahnstangen- und Ritzelantriebe günstig mit Linearmotoren sowie Kugelgewindetrieben mit Welle oder Gewinde.

Die neue Generation Zahnstangen- und Ritzelsysteme bietet hohe Dynamik und unbegrenzte Verfahrwege. Einige dieser Systeme umfassen Premium-Qualitätsservogetriebe und -aktuatoren mit weniger als 1 Bogenminute Spiel, bis zu 98,5 % Wirkungsgrad und deutlich kompaktere Abmessungen als Standard-Servo- und Getriebekombinationen. Einige vormontierte Getriebe können mit Genauigkeit bis zu 10 µm arbeiten, was Sicherheit und reibungslose Bewegung gewährleistet.

Typische Zahnstangen- und Ritzelanwendungen umfassen Portalkonstruktionen, Transport- und Verpackungsmaschinen von wenigen Pfund bis zu mehreren Tonnen. Die neue Generation von Zahnstangensätzen wird auch in Holzbearbeitungsmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Metallschneidemaschinen und Montagemaschinen eingesetzt.

Geometrie und Oberflächendetails

Die Leistung der Zahnstange hat sich mit dem allgemeinen technologischen Fortschritt verbessert. Beispielsweise haben modernste Bearbeitungs- und Schleifverfahren die Präzision des Zahnstangen- und Ritzelmechanismus erheblich gesteigert.

Genauer gesagt: Einige hochwertige Zahnstangenkomponenten werden lasergraviert für einen kumulativen Teilungsfehler von ±12 µm über eine Länge von 500 mm, was die manuelle Auswahl der Zielgenauigkeit ermöglicht. Dies ist nützlich für die parallele Ausrichtung von Zahnstangenkomponenten in Doppelantrieb-Portal-Anwendungen. Tatsächlich erlaubt dieses Präzisionsniveau verschiedenen Maschinentypen, ohne externe Rückführgeräte zu laufen; andere Linearsysteme erfordern teure externe Rückführgeräte für Kommutierung und Positionierung.

Schrägverzahnte Zahnstangen mit optimiertem Schrägungswinkel werden für leiseren Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten und höheren Tragfähigkeiten aufgrund des höheren Zahneingriffsverhältnisses bevorzugt. Der Teilungsfehler zwischen den schrägen Zähnen kann 3 µm erreichen. Eine Ritzelprofilverschiebung oder Zahnkopfmodifikation verhindert Unterschneidung; sie gleicht auch Biegespannungen aus, für höhere Tragfähigkeit. Schrägverzahnung greift sanft und leise ein – was die Oberflächengüte verbessert, beispielsweise bei der Bearbeitung von Teilen mit engen Toleranzen.

Zahnstangen-Ritzel-Integration

Es gibt viele Optionen für die Montage von Zahnstangensätzen. Einige Zahnstangen verwenden spezielle Montageflächen zur Gewährleistung der Genauigkeit, während andere auch bei Basisinstallation ausreichende Leistung bieten. Die natürliche Flexibilität des Designs kann für bessere Kontrolle genutzt werden: im Gegensatz zu Direktantriebs-Linearmotoren erlauben Zahnstangensätze die Anpassung von Ritzelgröße, Übersetzung und Dämpfung – zur Stabilisierung der geschlossenen Regelkreissteuerung.

Es gibt Fallstricke: Zu großer Abstand zwischen Ritzel und Zahnstange verursacht Spiel, was die Präzision senkt. Eine beschädigte oder fehlerhaft ausgerichtete Montage kann auch die Getriebelager beschädigen – was höheren Motorstromverbrauch, Geräusche und sogar Ausfall verursacht. Für beste Leistung sollte das Ritzel ausreichend von der Zahnstange beabstandet, flach montiert und senkrecht zum Zahnrad mit einer Genauigkeit von ca. 25 µm für viele Anwendungen sein.

Fortschritte bei Zahnstangen- und Ritzelgetrieben und sinkende Servopreise bedeuten, dass Servomotoren typischerweise an Zahnstangensysteme gekoppelt werden. Schrittmotoren sind eine brauchbare Option, aber Servomotoren werden für ihre Präzision bevorzugt.

Vorspannung

Manchmal werden Ritzelsets vorgespannt, um Spiel zu eliminieren und Steifigkeit zu erhöhen. Hier bewegen sich zwei Ritzel auf derselben Zahnstange. Das Hauptritzeln treibt den Mechanismus wie in der normalen Konfiguration an; gleichzeitig kann das Hilfsritzeln Drehmoment erzeugen, um Gegenkraft auf die Zähne auszuüben, mit denen es in Kontakt steht. So verhindern Trägheit und Widerstand Spiel, selbst bei Laständerungen; die Systemsteifigkeit nimmt ebenfalls zu und verbessert die Lenkdynamik.

Wenn die Komponenten korrekt ausgewählt sind, gibt es keine signifikanten Nachteile bei der Vorspannung des Zahnstangensystems. Andererseits kann mechanische Vorspannung die Gesamtsteifigkeit der Maschine tatsächlich verringern. Beispielsweise würde ein geteilter federbelasteter Ritzel die Systemsteifigkeit reduzieren:

Beachten Sie, dass im Gegensatz zu raffinierteren elektronischen Vorspannsystemen diese traditionellen Vorspannritzel nicht zusammenarbeiten können; eines arbeitet immer gegen das andere, was die Effizienz leicht verringert.

In raffinierteren Zahnstangensätzen wird die elektronische Vorspannung maximal gehalten, solange das System stillsteht. Haupt- und Hilfsritzel – beide aktiv angetrieben – drücken in die Zähne der sich gegenüberstehenden Zahnstangen. Dann, wenn die Maschine beschleunigt, treibt das primäre Ritzel die Maschine voran, während das sekundäre Ritzel die Vorspannung der Gegenkraft verringert. Wenn das System auf konstante Geschwindigkeit abbremst, kommt das Hilfsritzel in Kontakt mit der Zahnseite, die der des Hauptritzels entspricht; dann bewegen sich beide Ritzel in dieselbe Richtung, während sie Spiel verhindern.

Schließlich, wenn das System verlangsamt, kehrt das Hilfsritzel zur Ausübung von Kraft auf die gegenüberliegende Zahnseite zurück, um das Abbremsen der Last zu unterstützen.