Einführung Linearantriebe

Was sind Linearantriebe und wofür werden sie verwendet?

Linearantriebe. In der modernen Antriebstechnologie spielen elektrische Antriebssysteme eine immer wichtigere Rolle. Sie ermöglichen präzise Bewegungen und effiziente Kraftübertragung in einer Vielzahl von Anwendungen. Ein spezieller Typ ist der elektrische Linearantrieb.

Alle Antriebssysteme, die zu einer translatorischen Bewegung führen, zählt man zu den Linearantrieben. Grundsätzlich nutzt man bei den Linearantrieben unterschiedliche Technologien. Im Wesentlichen gibt es diese Technologien:

1. mechanische Linearantriebe
2. elektromechanische Linearantriebe
3. direkte elektrische Linearantriebe (Linearmotoren)
4. hydraulische Linearantriebe
5. pneumatische Linearantriebe

Hier erfahren Sie den Unterschied zwischen Elektromechanik, Hydraulik und Pneumatik

Mit der Bewegung eines Linearantriebs können Lasten gehoben, gesenkt und geschoben werden. Die Hubbewegungen können sehr präzise und wiederholgenau je nach der verwendeten Antriebsart (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) ausgeführt werden.

Linearantriebe verwandeln rotierende Bewegungen in lineare Bewegungen

Elektrische Linearantriebe wandeln die Drehbewegung eines Elektromotors in eine lineare Zug-Druckbewegung um. Dafür werden drei Hauptkomponenten benötigt:

1. einen elektrischen Motor für den Antrieb
2. ein Getriebe (für die Drehbewegung)
3. eine Führungsspindel (für die Linearbewegung).

Für die Führungsspindel kommen drei Arten von Führungsspindeln in Frage:

1. Trapezgewinde-Spindeln
2. Kugelgewinde Spindeln
3. Rollengewindespindel

In unseren Linearantrieben setzen wir ausschließlich Trapezgewindespindeln und Kugelgewindespindeln ein. Das werden wir später noch im Detail erklären.

Anders als Spindelhubgetriebe sind elektrische Linearantriebe fertige Antriebe mit vollständigem Schutz der Spindel, integriertem elektrischem Motor und Rückmeldevorrichtungen für die Regelung.

Elektrische Linearantriebe eignen sich für leichte und schwere Anwendungen in den meisten Branchen. In vielen Fällen sind sie eine bessere Lösung als hydraulische und pneumatische Stellantriebe.

7 Vorteile der elektrischen Antriebe von GROB

Die Vorteile der elektrischen Linearantriebe liegen auf der Hand.

1. Durch die elektrische Steuerung ermöglichen sie eine hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit.
2. Aufgrund der hohen Präzision und Wiederholgenauigkeit sind sie die ideale Wahl für die Automatisierungstechnik.
3. Sie sind vielseitig einsetzbar in Bereichen wie Handhabung, Medizintechnik, Schneidsysteme, Positioniersysteme und Maschinenwerkzeuge.
4. Sie sind verschleißarm und weisen eine lange Lebensdauer auf.
5. Im Vergleich zu hydraulischen Systemen sind sie umweltfreundlicher, weil keine hydraulische Flüssigkeit benötigt wird.
6. Sie ermöglichen effiziente Beschleunigung und Verzögerung, was zu schnellen Bewegungsabläufen führt.
7. Sie ermöglichen die Automatisierung von Bewegungsabläufen, z. B. das Öffnen von Schiebetüren oder von Dachfenstern.

Worauf sollte man bei der Planung einer Hubbewegung achten?

Bei der Planung einer Hubbewegung mittels Spindelhubgetrieben sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen. Zunächst ist es wichtig, die erforderliche Lastkapazität zu ermitteln. Die Belastung kann je nach Anwendung variieren und beeinflusst die Auswahl der geeigneten Spindel und Mutter. Des Weiteren spielt die gewünschte Geschwindigkeit der Hubbewegung eine Rolle. Abhängig von den Anforderungen der Anwendung sollten geeignete Drehzahlen und Übersetzungsverhältnisse ausgewählt werden. Darüber hinaus ist die gewünschte Genauigkeit entscheidend. Hierbei sind Aspekte wie das Spiel im Gewinde und die Steifigkeit des Systems zu berücksichtigen. Zudem sollte die Lebensdauer des Spindelhubgetriebes in Betracht gezogen werden, um die Wartungsintervalle und Betriebskosten zu optimieren.

Wählen Sie zwischen:

1. Grundausführung (translatorische Spindel) und Laufmutterausführung (drehende Spindel mit laufender Mutter)
2. Trapezgewindespindel oder Kugelgewindespindel
3. Normaler oder Langsamer Übersetzung
4. kubische, klassische oder Hochleistungs-Getriebeform

Welche Linearantriebe gibt es?

1. Spindelhubgetriebe
2. Zahnstangen
3. Schubkette
4. Gewindespindel (in unserem Fall mit Trapezgewindespindel oder Kugelgewindespindel)
5. Stellantriebe für die Verstellung von Betten in der Medizintechnik und von Fenstern, Klappen und Schiebern in der Haus- und Klimatechnik
6. Hubsysteme
7. Elektrozylinder
8. Linearaktuatoren
9. Hydraulikzylinder
10. Pneumatikzylinder

Typische Einsatzfälle für Linearantriebe in der Praxis

Linearantriebe bewegen Lasten. Typische Beispiele für Linearantriebe aus der täglichen Praxis sind:

1. Höhenverstellbare Arbeitsplätze
2. Motorisierte Fensterluken in Fabrikgebäuden
3. Hebezeuge
4. Bühnenhöhenverstellung
5. Verstellung einer Parabolantenne
6. Scherenhubtische
7. Theaterbühnen
8. Antrieb von Metallpressen
9. Steuerung von Abfüllprozessen
10. Höhenverstellung von Förderschnecken
11. Positionierung von Fahrzeugwartungsbühnen
12. Verriegelung von Offshore-Windanlagen
13. Für die industrielle Automatisierung
14. Höhenverstellung von medizinischen Betten
15. Für industrielle Anwendungen
16. Für Positionierungsaufgaben bei mobilen Erntemaschinen und Traktoren
17. Für die Verstellung von Solarmodulen

Die Vorteile elektromechanischer Antriebe gegenüber Hydraulik

Elektromechanische Antriebe wie Hubgetriebe und Schubketten sind eine bessere Lösung für Hub- oder Linearbewegungen als Hydraulik. Lange Zeit nutzten Ingenieure und Konstrukteure hydraulische Antriebe, um große Lasten zu bewegen. Doch der elektromechanische Antrieb ist zu einem starken Konkurrenten in der Lineartechnik geworden. Und zunehmend ersetzen elektromechanische Aktuatoren die Hydrauliksysteme. Tatsächlich bieten elektromechanische Systeme gegenüber hydraulischen Lösungen einige Vorteile. Sie sind oft kleiner und leichter als Hydrauliksysteme, weil Pumpen, Öltanks und Rohrleitungen entfallen.

Außerdem sind elektromechanische Antriebe umweltfreundlicher, weil sie gänzlich ohne Drucköl auskommen und sind leiser als hydraulische Antriebe. Weitere Vorteile sind:

Höhere Leistung

1. Präzise und gleichmäßige Kraftübertragung.
2. Größerer Betätigungsbereich, da die Hubposition einfach und schnell verändert werden kann.
3. Elektromechanische Lösungen sind widerstandsfähiger gegen Temperaturschwankungen.
4. Vollständige Kontrolle des gesamten Bewegungsprofils mit Standardsteuerungsmethoden.
5. Wiederholbare und genaue Positionierung.

Reduzierte Kosten

1. Das elektromechanische System ist im Allgemeinen billiger als ein hydraulisches System, wenn die erforderliche hydraulische Zusatzausrüstung mit einbezogen wird.
2. Die Maschinen benötigen weniger Wartung, da kein Hydrauliköl gewartet und keine Lecks repariert werden müssen.
3. Weniger manuelle Eingriffe an der Maschine, um Prozesse einzurichten, da elektromechanische Lösungen über das gesamte Bewegungsprofil gesteuert werden können.
4. Geringere Ausfallzeiten durch gefährliche Flüssigkeitslecks.
5. Elektromechanische Lösungen verbrauchen nur dann Energie, wenn die Last bewegt wird. Im Vergleich dazu müssen hydraulische Systeme im Allgemeinen ein Druckniveau aufrechterhalten, um entweder die Position zu halten, wenn eine Last gehalten wird, oder um sicherzustellen, dass das System bei Bedarf reagieren kann.

Erhöhte Sicherheit

1. Bei einem Stromausfall können Spindelhubgetriebe und elektrische Linearantriebe selbsthemmend sein.
2. Keine Öllecks unter hohem Druck.

Leichtere Steuerung

1. Durch den Einsatz von elektrischen Standardlösungen und Schnellverbindern sind elektromechanische Systeme schneller zu installieren.
2. Elektrische Systeme sind schnell und einfach zu programmieren und auf eine Anwendung abzustimmen, einschließlich der genauen Synchronisierung mehrerer Achsen.
3. Bei großen Entfernungen zwischen den Achsen besteht bei hydraulischen Systemen aufgrund der langen Leitungswege ein höheres Risiko von Druckverlusten und Lecks. Bei elektromechanischen Lösungen hingegen genügt eine einfache Wellen- oder Elektrokabelverlängerung.
4. Der Schaltschrank kann an mehr Stellen innerhalb einer Anlage aufgestellt werden als ein hydraulisches System.

Umweltfreundlicher

1. Sauberere Maschinen, da keine Hydraulikflüssigkeit ausläuft.
2. Das Risiko einer Verunreinigung der Umwelt, von Gebäuden oder Produkten wird entweder erheblich reduziert oder ausgeschlossen, da keine Hydraulikflüssigkeit verwendet wird.
3. Leiserer Betrieb, da kein lautes Hydraulikaggregat (HPU) erforderlich ist.
4. Geringere Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen, da keine Hydraulikflüssigkeit verwendet wird.
5. Keine Notwendigkeit, umweltschädliche Hydraulikflüssigkeit während und am Ende der Produktlebensdauer zu entsorgen.

Vorteile von Linearantrieben gegenüber pneumatischen Antriebssystemen

Linearantriebe erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Worin liegen klare Vorteile gegenüber der Pneumatik?

1. Nicht anfällig gegen Lastschwankungen
2. Einfache Geschwindigkeitsregelung
3. Ansteuern verschiedenster Positionen mit höchster Wiederholgenauigkeit

Ein weiterer Nachteil von pneumatischen Antrieben ist: Hohe Energiekosten. Bereits kleine Undichtigkeiten im Pneumatiksystem führen zu erheblichen Energiekosten, weil die Energie ungenutzt in die Atmosphäre entweicht.

Die Besonderheit von Hubanlagen

Hubanlagen sind Systemlösungen. Eine Hubanlage ist eine Variation von Kegelradgetrieben, Motoren, Untersetzungsgetrieben, Kupplungen, Antriebswellen, Schubkettensystemen, Hubspindeln und Stehlagern. Alle diese Komponenten sind mechanisch miteinander gekoppelt. Typischer Einsatzfall sind verstellbare Theaterbühnen. Der Bühnenboden kann in der Höhe verstellt oder gegen einen anderen Bühnenboden getauscht werden.

Die Schubkette - ein Sonderfall unter den Linearantrieben

Die Schubkette (auch LinearChain genannt) ist eine Wunderkette. Anders können wir es nicht sagen. Sie ist in der Lage, große Lasten sowohl horizontal als auch vertikal mit hoher Positioniergenauigkeit zu bewegen. Sie besteht aus speziell geformten Gliedern, deren Geometrie ein Einknicken bei Druckbelastungen verhindert. Die Schubkette kann somit wie ein herkömmlicher Linearantrieb eingesetzt werden.

Der Antrieb der Kette erfolgt über ein Spezialgehäuse mit integriertem Kettenrad, an das ein Getriebemotor angeflanscht wird.

Schubketten bestehen aus speziell geformten, hochpräzisen mechanischen Gliedern, die hohe Lasten sowohl durch Zug als auch durch Druck bewegen können.

Die Glieder greifen dank ihres besonderen Profils fortlaufend ineinander über. Die Glieder lassen sich in einer Richtung aufwickeln, in der anderen bilden sie eine starre Einheit, die eine Last sowohl durch Zug- als auch durch Schubkraft spielarm und mit hoher Positioniergenauigkeit befördern kann. Die Kettenglieder können auf engstem Raum gespeichert werden. Für die Überbrückung großer Transportwege wird nur sehr wenig Platz benötigt.

Deshalb ist die Schubkette eine interessante Alternative zu herkömmlichen Systemen wie Zahnstangen, Winden, Hydraulik- und Pneumatikzylinder usw. In vielen Fällen ist sie sogar die einzige Lösung, wenn aufgrund von Platzmangel andere Lösungen ausscheiden.

Übrigens, einen typischen Anwendungsfall für die Schubkette finden Sie hier.

Wo wird die Schubkette typischerweise eingesetzt?

Grundsätzlich dort, wo die Einbauverhältnisse beengt sind. Genau dort entfaltet die Schubkette als Linearantrieb ihre Stärke. Warum? Weil sich die Schubkette am nicht belasteten Teil der Kette wie eine Schnur aufrollen lässt. Und das spart sehr viel Einbauraum. Mit einem herkömmlichen Spindelhubgetriebe lässt sich so etwas nicht realisieren. Weil die Spindel Platz für den Hubweg benötigt. Typische Anwendungsfälle für die Schubkette sind:

1. Antrieb in einem Hubtisch
2. Bühnenplattformen
3. Kühlanlagen
4. Fördersysteme
5. Bei führerlosen Transportsystemen
6. Beim Beschicken von Härteöfen
7. Beim Werkzeugwechseln an metallverarbeitenden Pressen
8. In der Protonentherapie bei Krebspatienten (Anwendungsfall bei unserer Vertretung in Großbritannien)

Welche Spindeln sind üblicherweise in unseren Spindelhubgetrieben eingebaut?

Wir arbeiten seit Jahren mit zwei Varianten:

1. Mit Trapezgewindespindel
2. Mit Kugelgewindespindel

Worin liegen die Unterschiede und welche Ausführung nutzen wir häufiger?

Die Trapezgewindespindel ist robust und 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 ermöglicht höhere Einschaltdauern, höhere Arbeitszyklen und Geschwindigkeiten, weil der Wirkungsgrad gegenüber dem Trapezgewinde höher ist. Für den Kunden bedeutet das weniger Energieverbrauch und geringere Wärmeentwicklung.

Mehr zum Unterschied zwischen Trapezgewinde und Kugelgewinde finden Sie hier

Welche Gefahr droht Spindeln in einem Linearantrieb?

Die Gefahr von Seitenkräften. Ganz egal ob Trapezgewindespindel und Kugelgewindespindel, je länger die Spindel, desto größer und gefährlicher sind Seitenkräfte. Warum treten Seitenkräfte auf? Hier sind drei mögliche Ursachen:

1. Der Einbau des Spindelhubgetriebes erfolgt nicht spannungsfrei.
2. Die Hubelemente sind nicht gelenkig ausgeführt.
3. Die Last wird nicht mit ausreichender Genauigkeit geführt.

Das alles führt zu hohen Seitenkräften. Diese sollten Sie immer vermeiden. Warum? Weil Seitenkräfte die Lebensdauer verkürzen und im schlimmsten Fall sogar zu einem Ausfall führen.

Wie wählen Sie den richtigen Linearantrieb für Ihre Anwendung?

Bei der Auslegung des Linearantriebs müssen diese Parameter berücksichtigt werden: Geschwindigkeit, Arbeitszyklus, Last, verfügbarer Platz und die Umgebungsbedingungen. Bevor Sie den Linearantrieb wählen, sollten Sie zumindest diese 4 Parameter prüfen:

1. Erforderliche Belastung

Wie hoch ist die zu bewegende Last? Sie bestimmt, welche Komponenten wie Motor, Spindel, Getriebe und Lager zum Einsatz kommen.

1. Einschaltdauer

Die Einschaltdauer hat Einfluss auf die Lebensdauer der Komponenten. Je nach Einschaltdauer muss der Linearantrieb dimensioniert sein.

1. Verfügbarer Platz

Ist der verfügbare Platz limitiert? Oder hat der Konstrukteur alle Freiheiten bei seiner Konstruktion?

1. Umgebungsbedingungen

Befindet sich der Linearantrieb im Freien oder in einem Gebäude? Welche Temperaturen herrschen? Wie hoch ist die Luftfeuchtigkeit?

Hier eine Kurzanleitung wie Sie mit 10 Fragen das richtige Antriebssystem auswählen.

Hier finden Sie die ausführlichen Auslegungen mit den Berechnungen zu den jeweiligen Produkten

Der MINI - das Kraftpaket unter unseren Linearantrieben

Der MINI ist unser Kraftpaket. Warum? Dieser Spindelantrieb zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauform im Vergleich zur Leistung aus. Also hohe Leistungsfähigkeit bei geringer Baugröße. Er ist der perfekte Antrieb für die Lebensmittelindustrie. Weil er die hohen Hygienestandards der Lebensmittelindustrie mühelos packt. Er ist ohne Kanten und außen völlig dicht. Somit bleibt kein Schmutz haften und er kann zudem leicht mit Spritzwasser gereinigt werden, weil wir ihn spritzwassergeschützt (IP 54) und strahlwassergeschützt (IP65) liefern können. Er ist in 5 Baugrößen lieferbar. Seine besonderen Eigenschaften sind:

1. Kompakte Antriebe komplett in Edelstahl mit Schutzart IP65 für erleichterte Reinigung
2. Runde und kompakte Bauform um Schmutzkammern zu vermeiden
3. Lebensdauergeschmiert – kein Nachschmieren notwendig
4. Einfache Steuerbarkeit ohne Leckgefahr
5. Auch für Tieftemperatureinsatz geeignet

Weitere Details über den MINI finden Sie hier.

Spindelhubgetriebe: Wie werden sie ausgelegt?

Hier sind einige grundlegende Schritte, die zur Auslegung von Spindelhubgetrieben benötigt werden.

Schritt 1: Erforderliches Drehmoment bestimmen

Das Drehmoment hängt von der Last ab, die das Spindelhubgetriebe bewegen muss. Durch Berücksichtigung von Faktoren wie Reibung, Beschleunigung und Trägheit können Sie das maximale Drehmoment ermitteln.

Schritt 2: Drehzahl berechnen

Die Drehzahl gibt an, wie schnell sich das Spindelhubgetriebe bewegt. Basierend auf den Anforderungen Ihrer Anwendung können Sie die gewünschte Drehzahl bestimmen. Hier fließen Spindelsteigung und Übersetzung mit ein.

Schritt 3: Leistung berechnen

Die Leistung wird als das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl berechnet. Indem Sie das berechnete Drehmoment mit der gewünschten Drehzahl multiplizieren, erhalten Sie die erforderliche Leistung des Spindelhubgetriebes.

✔ Vier Vorteile, die für den Einsatz von Spindelhubgetrieben sprechen

1. Sie ermöglichen eine präzise Positionierung mit hoher Wiederholgenauigkeit, was in Anwendungen mit engen Toleranzen von entscheidender Bedeutung ist.
2. Sie bieten sie eine hohe Kraftübertragungsfähigkeit, um auch größere Lasten zu bewegen. Dies ist besonders in industriellen Umgebungen von Vorteil, in denen eine robuste und zuverlässige Leistung gefordert ist.
3. Spindelhubgetriebe sind in der Regel kompakt und platzsparend, was ihre Integration in verschiedene Systeme erleichtert.
4. Darüber hinaus sind sie wartungsarm und bieten eine hohe Lebensdauer, was zu einer verbesserten Betriebszeit und niedrigeren Gesamtbetriebskosten führt.

Seitenkräfte bei Hubspindeln: Warum sie gefährlich sind

Warum sind Seitenkräfte und Verspannung gefährlich? Weil sie zu mehr Verschleiß führen und somit die Lebensdauer reduzieren. Hier sind 3 Tipps, wie Sie Seitenkräfte und Verspannung auf Hubspindeln vermeiden:

Erstens: Gelenklager einsetzen - ermöglicht einen kontinuierlichen Ausgleich

Für eine gelenkige Lagerung gibt es verschiedenste Möglichkeiten. Gelenkköpfe, Kardanplatten, Kardanadapter, Kugelgelenke. Abhängig von der Art der Ausgleichsrichtung wird das Zusatzelement gewählt. Ein Kreuzgelenk ermöglicht sogar ein Ausgleich in 2 Achsen.

Zweitens: Die Goldene Regel im Maschinenbau beachten: nie 2 Festlager in einem System

Überbestimmung in einem System führt zwangsweise immer zu Verspannungen. Planen Sie deshalb maximal ein Festlager und ein Loslager im System ein.

Drittens: So wenig Spiel wie möglich, so viel wie nötig

Gerade im Stahlbau können selten die engen Toleranzvorgaben des Maschinenbaus eingehalten werden. Planen Sie deshalb Möglichkeiten des Ausgleichs in Ihre Anschlusskonstruktion ein. Damit haben Monteure die Möglichkeit zu große Toleranzen auszugleichen.

Fassen wir noch einmal das Wichtigste über Linearantriebe zusammen

Linearantriebe verwandeln rotierende Bewegungen in lineare Bewegungen. So lassen sich Maschinenelemente und Bauteile präzise und schnell bewegen. Linearantriebe sind beliebte Konstruktionselemente für Konstrukteure, weil sie präzise, kontrollierte und wiederholbare lineare Bewegungen ermöglichen. Sie werden in automatisierten Anlagen und Fertigungslinien eingesetzt, um Teile und Werkstücke präzise zu bewegen. In Regelungs- und Steuerungssystemen dienen sie als Aktuatoren.

Wenn Sie als Konstrukteur schnellen Zugriff auf CAD-Daten suchen

Als Konstrukteur kennen Sie das: Sie stehen unter Zeitdruck, sollen schnell geniale Lösungen konstruieren und benötigen dafür die richtigen CAD-Daten. Auf unserer Website finden Sie alle CAD-Daten über unsere Produkte in unterschiedlichen Formaten. Mit einem Mausklick können Sie jede Zeichnung bequem und schnell herunterladen.

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