4 Spindelhubgetriebe für Präzisionsantriebe für die Fertigung von Flugzeugflügeln

Wie wir mit Hubgetrieben definiert, sicher und präzise schwere Lasten bewegen

Philipp Schmalzhaf

von Philipp Schmalzhaf, Vertriebsleiter

5.04.2023

Airplane

Spindelhubgetriebe: Die Alleskönner in der linearen Antriebstechnik

Spindelhubgetriebe sind einfachere und kostengünstigere Antriebslösungen gegenüber hydraulischen und pneumatischen Systemen. Mit ihnen kann eine definierte Last mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit auf eine exakte Position bewegt werden. In einem Spindelhubgetriebe wird eine rotierende in eine axiale Hubbewegung verwandelt.

Wichtig zu wissen: Alle Spindelhubgetriebe lassen sich durch Verbindungswellen und Kegelradgetrieben kostengünstig zu einem Hubsystem verbinden.

In diesem Artikel erfahren Sie, wie

  1. Spindelhubgetriebe eingesetzt werden, um eine Last linear von A nach B zu transportieren.
  2. Warum unsere Hubgetriebe wiederholt bei Anwendungen in der Luftfahrttechnik zum Einsatz kommen.
  3. Welche Lasten unsere Hubgetriebe bewegen können

Bei tonnenschweren Flugzeugen kommt es auf jedes Gramm an

Im Flugzeugbau ist seit Jahrzehnten Leichtbau angesagt, denn jedes Gramm an Gewicht führt zu einem höheren Spritverbrauch. Deshalb werden viele Teile der Struktur und der Flügel aus Carbonfaser-Verbundwerkstoffen (CFK) hergestellt. Ihre Stärke liegt in enormer Stabilität und Langlebigkeit bei geringem Gewicht. Bei den neuesten Flugzeugtypen wie dem Dreamliner und dem A350 liegen die CKF-Anteile bei 50 Prozent und mehr. Die Flugzeugflügel werden auf großen Umformanlagen hergestellt.

AIC Case Study

Umformanlage

Anspruchsvolle Aufgabenstellung höchst elegant gelöst - mit einem Spindelhubgetriebe

Als die AIC Group einen Auftrag zur Herstellung einer großen Umformanlage für ein großes, russisches Luft- und Raumfahrtunternehmen in Russland erhielt, wandte sie sich an unsere Vertretung Drive Lines in Großbritannien, um sich für das optimale Antriebssystem beraten zu lassen.

Die beiden Unternehmen hatten bereits zuvor an ähnlichen Projekten zusammengearbeitet und verfügen daher über beträchtliches Expertenwissen in dieser Laminier-Technologie. Umformanlagen sind in der Luft- und Raumfahrtindustrie beliebt, da sie zur Herstellung stabiler, aber leichter Teile für Flugzeuge verwendet werden können. In diesem Fall wird die Anlage zur Herstellung von Flügelholmen verwendet werden.

AIC ist seit der Gründung im Jahr 1990 ein führendes Unternehmen in diesem Bereich. Es hat viele fortschrittliche Funktionen in die bisherigen Anlagen integriert, darunter Heizbetten in Zonen, präzise Bettpositionierung, Werkzeugvorwärmung, ausgeklügelte Vakuumsteuerung und Doppelmembrantechnologie.

Drive Lines ist fünf Jahre älter als AIC und einer der führenden Anbieter von mechanischen Kraftübertragungskomponenten und -systemen in Großbritannien. Aufgrund seiner weitreichenden Erfahrung bringt es beträchtliches Fachwissen in jedes neue Projekt ein.

Die beschriebene Anlage ist mit 11 x 2 m relativ groß und wie jede AIC-Maschine ein maßgeschneiderter Entwurf. Es können Laminate mit einer Dicke von über 20 mm präzise geformt werden.

Im Wesentlichen besteht es aus einem Vakuumbett, das das Umformwerkzeug enthält. Darüber befindet sich eine "Hot Box“, die das Werkzeug aufheizt. Es gibt auch eine Lampenbank, mit der die Verbundmaterialien erhitzt werden, damit sie sich an das Werkzeug anschmiegen. Die "Hot Box" und die Lampenbank sind in einem Hubrahmen montiert, der durch einen von Drive Lines spezifizierten Antriebsmechanismus angehoben werden kann, um einen freien Zugang zum Vakuumbett zu ermöglichen.

Eine enorme Last von über 20 Tonnen muss bewegt werden - mittels einem Spindelhubgetriebe

Die Lampenbank wiegt 12 Tonnen und die "Hot Box" ist mit 8,5 Tonnen nur wenig leichter. Rund 20 Tonnen Gewicht müssen also, um ganze 1250 mm, gehoben werden. Das Ganze in nur 75 Sekunden, also eine Geschwindigkeit von mehr als 1 Minute/Meter.

Matt Jones, der an dem Projekt für Drive Lines arbeitete, sagt: „Die Last war sowohl groß als auch schwer, und wir mussten sicher sein, dass sie immer gerade nach oben gehoben wird, da jede Fehlausrichtung möglicherweise erhebliche strukturelle Schäden an der ersteren verursachen könnte. ”

In Zusammenarbeit mit dem AIC-Konstruktionsteam wurde beschlossen, einen einzigen zentralen Motor zu verwenden, der vier Spindelhubgetriebe über ein Kegelrad-Untersetzungsgetriebe antreibt. Um einen absolut gleichmäßigen Hub zu gewährleisten, musste Jones Antriebswellen spezifizieren, die kein unvorhersehbares Spiel aufweisen, aber die alle genau das gleiche Drehmoment über genau die gleiche Distanz übertragen würden.

Spindelhubgetriebe test

Die seit Jahren bewährten Spindelhubgetriebe der MJ-Baureihe

Die ausgewählten Spindelhubgetriebe Grob MJ4-Einheiten wurden von Drive Lines geliefert. Jedes der 4 Getriebe ist mit einer maßgeschneiderten Sicherheitsmutter und einem Drehzapfen-Adapter ausgestattet, die speziell für diesen Antrieb entwickelt wurden. Als Getriebe wurde eine PowerGear-Präzisionskegelradeinheit von Drive Lines gewählt, die über hochtourige Elastomer-Gelenkwellen von R+W mit den Hebern verbunden war.

Die Spindelhubgetriebe MJ4 von Grob sind bei Drive Lines in einer Vielzahl von Entwürfen, Größen und Optionen erhältlich, um der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Sie werden normalerweise verwendet, um eine Last linear zwischen Positionen zu bewegen, und können vertikal oder horizontal verwendet werden. Die maximale Hubkraft beträgt bis zu 500 kN und Hublängen sind standardmäßig bis zu 4 m erhältlich – diese können jedoch auf besonderen Wunsch verlängert werden.

Jamie Hardiment, Leiter der Geschäftsentwicklung bei AIC, sagt: „Solche Umformanlagen (in Englisch "Hot Drape Former HDF") sind in der Luft- und Raumfahrtindustrie unverzichtbar. Mit unserer kontinuierlichen Forschung und Entwicklung heben unsere Umformanlagen die Kohlenstoffumformung auf ein neues Niveau und ermöglichen unseren Kunden eine effizientere Produktion von Flügeln und anderen Verbundwerkstoffteilen für die Luft- und Raumfahrt.“

Übrigens, den kompletten Originalartikel finden Sie auf der Internetseite von Drive Lines.

Welche Spindel ist üblicherweise in unserem Spindelhubgetriebe verbaut?

Grundsätzlich sind zwei Varianten lieferbar:

  1. Mit Trapezgewindespindel
  2. Mit Kugelgewindespindeln (Kugelgewindetrieb)

Was ist der Unterschied zwischen diesen beiden Varianten?:

Die Trapezgewindespindel ist robust, preiswert und für die meisten Verstellaufgaben die richtige Wahl. Wichtig ist die richtige Schmierung, weil Spindel und Mutter Reibung ausgesetzt sind.

Der Kugelgewindetrieb wird dann verwendet, wenn die Aufgabenstellung höhere Positionier- und Wiederholgenauigkeit fordert. Das Kugelumlaufprinzip der Gewindemutter erlaubt höhere Einschaltdauern, höhere Arbeitszyklen und Geschwindigkeiten, weil der Wirkungsgrad gegenüber dem Trapezgewinde höher ist. Für den Kunden bedeutet das weniger Energieverbrauch und eine geringere Wärmeentwicklung.

CAD-Daten

Ausschnitt CAD-Daten Hubgetriebe

Wie profitieren Konstrukteure, wenn sie mit uns zusammenarbeiten?

Konstrukteure stehen meist unter Zeitdruck. Die Fristen sind kurz und vieles geschieht unter Zeitdruck. Für Konstrukteure ist es deshalb ein Riesenvorteil, wenn sie schnell und einfach auf CAD-Daten zugreifen können. So können Sie zum einen, ohne Zeitverzögerung mit der Konstruktion beginnen, und sparen zum anderen, bis zu 30 % ihrer Zeit, weil sie sofort mit der Konstruktion beginnen können. Übrigens, Sie finden alle CAD-Daten aller unserer Produkte in unterschiedlichen Formaten hier.

Ein weiteres Beispiel über Anwendungen unserer Produkte in der Luftfahrtindustrie finden Sie hier.

Weitere Anwendungsfälle für Spindelhubgetriebe

Wo werden Spindelhubgetriebe als Linearantriebe noch eingesetzt?

  1. Beim Verstellen von Theaterbühnen und anderen Plattformen
  2. Zum Verstellen von Parabolantennen
  3. Beim Verstellen einer Stahlschalung für Betonträger
  4. Bei Scherenhubtischen

Häufig gestellte Fragen zu Hubgetrieben

Drehgeber können am Motor oder an der Schneckenwelle sitzen für eine permanente Überwachung.

Geht es nur um die Endlagen, können Endschalter die gewünschten Endlagen abfragen

In Hubzylindern verwenden wir auch oft Potentiometer, die dann einen gewissen Widerstandswert zurückspielen, den die Steuerung auslesen kann.

  1. Standardgetriebe mit Standardtrapezgewindespindel erreichen zwischen 25-35%.
  2. Erhöht man die Steigung, rutscht das Gewinde leichter und erhöht damit den Wirkungsgrad
  3. Auch die Kombination mit Kugelgewinde kann einen Wirkungsgrad von bis zu 50% herstellen
  4. Beste Kombination: Kegelradhubgetriebe mit Kugelgewinde, damit erreichen wir über 80%

Grundausführung: Die Spindel macht die Axialbewegung selbst.

Laufmutterausführung: Die Spindel steht immer im Raum, dreht sich aber. Auf der Spindel läuft dann die Mutter hoch und runter.

Wie Hubgetriebe funktionieren und wo sie angewendet werden chevron_right

Höherer Wirkungsgrad, höhere Geschwindigkeiten, genaue theoretische Berechnung der Lebensdauer

  1. Die Verwechslung kommt manchmal nur zustande, weil in beiden Fällen ein zusätzliches Element hinten auf der Spindel sitzt.
  2. Die Ausdrehsicherung ist lediglich ein Ring auf dem Gewinde, der ein Herausfallen der Spindel verhindert
  3. Die Verdrehsicherung verhindert zusätzlich das Verdrehen der Spindel

Kundenseitig: der Kunde führt die Last, damit kann sie sich nicht mehr verdrehen. Wird die Spindel dann an der Last befestigt, kann auch die sich nicht mehr verdrehen

Getriebeseitig (Produkt hat selbst Verdrehsicherung): wir verwenden entweder eine Nut komplett durch die Spindel und als Gegenstück eine Passfeder. Alternativ kann hinten auf der Spindel auch ein 4kant-Block geschraubt werden und das Schutzrohr wird als 4kant-Rohr ausgeführt

Ein Spindelhubgetriebe ist die Kombination einer Spindel (Schraube) mit einer Mutter (Schneckenrad oder Laufmutter), welches durch ein Schneckengetriebe eine Drehbewegung in eine Linearbewegung umwandelt.

Die Angabe "20% ED pro Stunde" ist immer in Verbindung mit einer gewissen Leistungsaufnahme am Getriebe zu sehen. Wird also der zulässige Leistungswert unterschritten, entsteht weniger Wärme und das Getriebe braucht weniger Zeit zum abkühlen. Damit erreicht man mehr als 20% ED.

Ja, Spindelhubgetriebe können komplett in Edelstahl hergestellt werden und mit lebensmittelechtem Fett nach H1 Zulassung ausgestattet werden.

Das Gehäuse ist Aluminium Druckguss oder Grauguss, die Spindel, das Schutzrohr und die Schneckenwelle ist aus Stahl, Schneckenrad oder Laufmutter sind aus einer Bronzelegierung. Darüber hinaus gibt es viele Varianten

Ja, durch Motorglocken können flexibel Motoren oder Getriebemotoren angebaut werden. Sie entscheiden, ob Sie den Motor selbst besorgen oder GROB sich darum kümmert.

Ja. Ein Hubgetriebe kann mit jedem Drehantrieb betrieben werden, egal ob elektrisch, mechanisch oder manuell.

Bei Druckbelastung ist üblicherweise die Knickung der limitierende Faktor. Bei Zugbelastung ist es entweder die Rohmaterialverfügbarkeit (Stangen handelsüblich bis 6m verfügbar) oder die Biegekritische Drehzahl (Bei Laufmutterausführung). Müssen größere Hübe realisiert werden, kann auch die Spindel mehrteilig ausgeführt werden.

In Anwendungen mit hoher Sicherheitsvorgabe sind unter Umständen zwei unabhängig voneinander wirkende Haltemechanismen vorgeschrieben. Das kann dynamische Selbsthemmung + Motorbremse oder eben eine unabhängig voneinander schaltbare Doppelbremse am Drehstrommotor sein

Ja. Übliche Spannungsarten sind 24 VDC / 230 VAC / 400 VAC. Weitere Spannungen im Gleich- und Wechselstrombereich sind auf Anfrage verfügbar.

Ein Drehstrommotor dreht abhängig der Netzfrequenz. Je höher diese ist, desto schneller dreht der Motor. Bemessungsdrehzahl bei 50 Hz sind für 2-polige Motoren 3000 U/min; 4-polig 1500 U/min; 6-polig 1000 U/min; 8-polig 750 U/min

Schmierfett der NLGI Klasse 1 oder 2, geeignet für hochbelastete Gleit- und Wälzlagerung. Auf die Mischbarkeit mit dem vorhandenen Schmierstoff muss geachtet werden. Hierbei ist maßgeblich, ob das Fett auf mineralischer oder synthetischer Basis hergestellt wird.

Das hängt vom Betriebszyklus und den Betriebsbedingungen ab. In der Regel alle 500 Doppelhübe.

Schmiermittelmenge ist abhängig von Baugröße und Hubgetriebetyp. Daten dazu finden Sie in unserem Gesamtkatalog. Hier beispielhaft für unsere kubischen Spindelhubgetriebe:

Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

0 - MAX mm. Abstufungen können im Millimeterbereich getroffen werden.

Fettschmierung im Getriebe: bis 1500 U/min; > 1500 U/min bis 3000 U/min Fließfett oder Ölschmierung

Sie können mechanische, magnetische oder induktive Endschalterlösungen anbauen. Eine Vorbereitung für eigene Sensoren ist ebenfalls möglich. Bitte beachten Sie, dass es nicht möglich ist an Spindelhubgetrieben in Laufmutterausführung Endlagenabschaltung zu implementieren.

Dazu gibt es eine ausführliche Übersicht zu Beginn jedes Hubgetriebe-Kapitels in unserem Katalog. Hier beispielhaft kubische Hubgetriebe:

Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Für fettgeschmierte Hubgetriebe kann die Einbaulage beliebig gewählt werden. Bei ölgeschmierten Hubgetrieben muss die Ausrichtung der Entlüftung beachtet werden.

Die Nennbelastungsangabe des Herstellers sollte nicht überschritten werden. Dennoch bieten Hubgetriebe Sicherheitsfaktoren von 1,5 bis 2,5 auf die Nennbelastung.

Kurzzeitig möglich jedoch hat diese eine überdurchschnittliche Verringerung der Lebensdauer zur Folge.

Ja, für Hubgetriebe mit Kugel- oder Rollengewindetriebe kann eine Lebensdauer berechnet werden. Bei Trapezgewindetrieben ist keine Lebensdauerberechnung möglich. Mehr zu den Berechnungen finden Sie hier.

Die benötigte Leistung hängt von der Last und Hubgeschwindigkeit ab. Für den Antrieb wird eine 30% Reserve zur benötigten Leistung empfohlen. Das Hubgetriebe sollte innerhalb der maximal angegebenen Parameter betrieben werden. Diese sind abhängig von Ausführung und Größe. Beispielhaft finden Sie hier die Leistungsgrenzen zu kubischen Hubgetrieben: Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Das Sicherheitsmaß kann vergrößert, aber auch reduziert werden. Bei einer Reduktion ist bei dem Betrieb der Anlage darauf zu achten, dass eine Blockfahrt in jedem Fall ausgeschlossen ist.

Kugelgewindespindeln machen Sinn wenn:

  1. Die Leistungsaufnahme zu groß ist in Kombination mit Trapezgewindespindeln
  2. Eine höhere Hubgeschwindigkeit gewünscht ist
  3. Eine höhere Genauigkeit gewünscht ist

Das Axialspiel einer Trapezgewindespindel liegt im Regelfall zwischen 0,1 bis 0,3 mm. Wenn das Axialspiel 1/4 des Trapezprofils erreicht hat, wird ein Austausch der Trapezgewindemutter empfohlen.

Auch wenn Seitenkräfte die Lebensdauer von Spindelhubgetrieben stark reduzieren gibt es in gewissen Grenzen die Möglichkeit Seitenkräfte aufzunehmen. Eine entsprechende Grundlage dazu finden Sie hier: Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Die stehende Spindel macht eine Relativbewegung durch das drehende Schneckenrad, die drehende Spindel erzeugt für die Laumutter eine Relativbewegung. Vor- und Nachteile ergeben sich aus den Platzverhältnissen Ihrer Hubanlage.

Ja, jede Baugröße (unabhängig von Hubgetriebe-Typ) liefert 2x Untersetzungsstufen (->Normal und Langsam). Die Ausnahme bilden Kegelradhubgetriebe. Hier sind die Übersetzungen 1:1, 2:1 und 3:1 möglich.

Die Spindelverlängerung definiert ein Maß, welches im eingefahrenen Zustand eine gewisse Mehrlänge gegenüber dem Standard liefert. Beispiel: Sie brauchen effektiv nur eine Hubbewegung von 100mm, aber zwischen dem Hubbeginn und dem Getriebe sind 400mm zu überbrücken. Dann verlängern wir die Spindel um 400mm und ausgefahren erreichen Sie dann 500mm gesamt.

Fürs Spindelende bietet das Standardprogramm die Möglichkeiten von Gewindeende, Gelenkkopf, Kugelgelenkkopf, Flanschplatte, Lagerflanschplatte, Zapfen. Entsprechende Maße finden Sie unter Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Ja, der entsprechende Schutz kann durch Lackierung oder rostfreie Materialien erreicht werden.

  1. Elektronische Brücke: Wird jedes Hubelement der Anlage mit einem Motor angetrieben, dann kann über Drehgeber eine elektronische Brücke hergestellt werden.
  2. Mechanische Verbindungselemente: Ausfallsicher und günstiger sind Verbindungswellen und Verteilergetriebe, die alle Hubelemente einer Anlage miteinander verbinden können.

Ja, die Funktion "Heben" und "Bewegen" kann durch jedes mechanische Hubelement ausgeführt werden.

Diese Ausführung verwendet zum Spindelschutz ein zusätzliches Rohr, welches auf der laufenden Mutter sitzt. Schubrohrausführung beschreibt damit einen Hubzylinder, der auf Basis eines Spindelhubgetriebes modifiziert wurde.

Folgende Punkte erfordern zwingend eine Ölausführung:

  1. Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich mit Gas. Es wird ein ATEX-Fragebogen zwingend vorgeschrieben.
  2. Eingangsdrehzahl an der Schneckenwelle von 1500 1/min bis 3000 1/min.

Bei der Laufmutterausführung ändern sich lediglich die Mutter-Anschlussmaße. Bei der Grundausführung mit Kugelgewindespindel kann es vorkommen, dass der Lagerdeckel erhöht ausgeführt wird um die Kugelgewindemutter im Getriebe unterzubringen.

  1. Kubisch & Klassisch: lediglich äußerliche Unterschiede. Philosophiefrage, was einem besser gefällt. Leistungsdaten nahezu identisch
  2. HMC: im Standard bis 3000 1/min am Eingang, mit Ölfüllung und Kühlrippen - explizit höhere dynamische Belastbarkeit
  3. KH: explizit hohe Dynamik, Belastbarkeit sinkt auf max. 90kN

Ja, der Einsatz rostfreier Materialien ist ein übliches Vorgehen für Umgebungen mit aggressiven Medien.

Die SFM läuft im Standardfall lastfrei mit der Tragmutter mit. Bricht die tragende Mutter, fängt die SFM die Last auf. Es kann dann noch ein Hub zur Stilllegung der Anlage durchgeführt werden. Die SFM wird außerdem auch als Referenzmutter zur Verschleißmessung genutzt.

Die Spindel kann durch Faltenbalg oder Spiralfeder geschützt werden.

Sie verhindert eine Drehbewegung der Spindel. Würde eine translatorische Spindel eine Drehbewegung durchführen, wäre keine lineare Bewegung mehr möglich.

Je dicker die Spindel, desto aufwändiger die Verdrehsicherung über Nut und Passfeder. Faustformel: bis 40er Spindel mach VS per Nut und Passfeder Sinn, ab 55er Spindel besser auf VS mit Vierkantrohr und Vierkantblock setzen.

Eine Ausdrehsicherung AS verhindert das versehentliche herausfallen der Hubspindel bei Grundausführung. Sie ist nicht als mechanischer Endanschlag gedacht!

Ja, Spindelhubgetriebe und MINI Zylinder können in einem bestimmten Rahmen auch für ATEX Zonen verwendet werden.

Weitere Anwendungsbeispiele und Antriebslösungen finden Sie hier

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Philipp Schmalzhaf, Vertriebsleiter

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Was ist ein Hubgetriebe?

kubisches Spindelhubgetriebe in Laufmutterausführung

Erfahren Sie mehr über die Grundlagen des Hubgetriebes

Hier erklären wir, wie Hubgetriebe arbeiten und welche fundamentalen Aspekte sie auszeichnen. Tauchen Sie ein und entdecken Sie, warum Hubgetriebe eine essentielle Komponente für verschiedene Anwendungen sind.

Grundlagen Hubgetriebe