Planetenrollengewindetrieb

Planetenrollengewindetriebe sind Gewindetriebe in der Antriebstechnik, bei denen geschliffene Planetenrollen (kurz: Planeten) in einer Rollenumlaufmutter mit zwei Lochkränzen gefasst um eine spezielle Rollengewindespindel rotieren, wodurch sich die Mutter linear entlang der Spindel bewegt. Dieses System gibt es ebenfalls als invertierte Version, bei der eine entsprechend aufgebaute Mutter in einem Zylinder mit Innengewinde linear bewegt wird. Vorteil gegenüber dem System mit innenliegender Spindel ist ein kompakter Aufbau, der eine einfache Integration in Hohlwellenmotoren ermöglicht. Die Schubstange ist dabei glatt und die äußere Erscheinung ähnelt einem Pneumatik- oder Hydraulikzylinder.

Aktuator mit invertiertem Planetengewindetrieb

Funktionsweise

Der Name Planetenrollengewindetrieb leitet sich von der Art der Rotation der Rollen um die Spindel ab, die wie Planeten um ein Zentralgestirn kreisen. Dabei werden Spindel-, Rollen- und Mutterdurchmesser so gewählt, dass die Umfangsgeschwindigkeiten von Spindel und Rollen übereinstimmen. Die Synchronisation übernimmt ein in die Mutter integrierter Ring mit einer Innenverzahnung, der die Rollen antreibt. Da sich die Wälzkörper im Unterschied zum Kugelgewindetrieb oder dem Rollengewindetrieb mit Rollenrückführung nicht relativ zur Mutter bewegen, ist kein Rückführmechanismus notwendig. Dies ermöglicht höhere Drehzahlen als beispielsweise mit Kugelumlaufspindeln möglich wären.

Die hohen Tragzahlen der Rollengewindetriebe ergeben sich aus der großen Anzahl tragender Kontaktflächen. Ein typischer Rollengewindetrieb weist rund 10 Rollen auf, von denen jede über 15 bis 25 Gewindegänge verfügt. Somit ergeben sich 100–200 Kontaktpunkte. Um mit einem Kugelgewindetrieb die gleiche Tragzahl zu erreichen, wären entweder eine große Anzahl oder sehr große Kugeln notwendig. Eine Gewinderolle erfüllt somit die Funktion einer großen Zahl von übereinander liegenden Kugeln auf deutlich geringerem Raum.

Ein weiterer Vorteil des Rollengewindetriebs ist die Möglichkeit, sehr kleine Gewindesteigungen zu realisieren. Bei Kugelgewindetrieben muss die Steigung mindestens größer als der Kugeldurchmesser sein, da sich deren Laufbahnen sonst überschneiden. Beim Rollengewindetrieb entfällt diese Einschränkung hingegen. Allerdings nimmt bei großen Steigungen der Gleitanteil bei der Rollenbewegung zu, wodurch der Wirkungsgrad sinkt.

Daher sind diese lineartechnischen Antriebe insbesondere für hohe Lasten und mittlere Geschwindigkeiten geeignet.

Lebensdauer

Die Berechnung der Lebensdauer (L₁₀) eines Rollengewindetriebs erfolgt analog zur Wälzlagern und Kugelgewindetrieben über die dynamische Tragzahl C_a. Da ohnehin nur Axialkräfte (F)zulässig sind, entfallen Radial- und Axialbeiwert. Für die charakteristische Ermüdungslebensdauer des Planetenrollengewindetriebs gilt:

$L_{10} = \left( \frac{C_\mathrm{a}}{F} \right)^3 \cdot 10^6~\mathrm{Umdrehungen}$

Wie bei Wälzlagern handelt es sich hierbei um die Lebensdauer, die mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 % erreicht oder übertroffen wird.

Anwendungen

Insbesondere in Kombination mit Servomotoren und der entsprechenden Regelungstechnik ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Grundsätzlich ist zum Beispiel ein Ersatz von Hydraulik- und Pneumatikzylindern möglich. Hierbei kann aufgrund des besseren Wirkungsgrads oftmals eine Energieeinsparung erzielt werden. Im Vergleich zur Hydraulik entfällt auch die Hydraulikflüssigkeit und die damit verbundenen Umwelt- und Sicherheitsprobleme. Auch die Positions- und Geschwindigkeitsregelung ist aufgrund der hohen Steifigkeit des Gesamtsystems in der Regel deutlich einfacher als bei hydraulischen oder pneumatischen Antriebssystemen. Typische Anwendungen sind Bewegungsimulatoren, Pressen, Roboterschweißzangen, Dosieranlagen, Montagestände und Ventilantriebe. Dabei werden üblicherweise Kräfte bis ca. 200–300 kN und Geschwindigkeiten bis etwa 1,5 m/s benötigt.

Siehe auch

• Planetengetriebe