Whitepaper

VERSPANNUNGSRITZEL

Effiziente Lösung zu spielfreien Zahnstangenantrieben

Präzision ohne Umkehrspiel: Das ATLANTA‑Verspannungskonzept

Umkehrspiel zählt zu den wesentlichen Einflussfaktoren, wenn es um Präzision und Leistungsfähigkeit von Zahnstangenantriebengeht. Besonders bei Richtungswechseln kann es zu Verzögerungen, Ungenauigkeiten und einem unruhigen Bewegungsverhaltenkommen. Dies beeinträchtigt nicht nur die Positionier- und Wiederholgenauigkeit, sondern stellt auch erhöhte Anforderungen an Antriebsauslegung und Regelungstechnik. Vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an Dynamik, Präzision und Effizienz gewinnt die zuverlässige Beherrschung des Umkehrspiels zunehmende Bedeutung für den modernen Maschinenbau.

Dieses Whitepaper untersucht die Verspannungsritzel-Technologie von ATLANTA als innovativen Lösungsansatz, der einen Paradigmenwechsel in der Antriebstechnik ermöglicht. Durch die Integration einer präzise einstellbaren Verspanneinheit in eine kompakte Einzelkomponente wird das Umkehrspiel direkt an der Kontaktstelle reduziert.

Die Beherrschung des Umkehrspiels bei Zahnstangentrieben stellt eine zentrale konstruktive Herausforderung im Maschinenbau dar. Traditionell standen Entwickler vor einem grundlegenden Zielkonflikt: Entweder werden mechanische Dual-Drive-Konzepte eingesetzt, die jedoch mit erhöhtem Bauraumbedarf sowie einer elastischen Nachgiebigkeit verbunden sind, oder es kommen elektronische Twin-Drive-Systeme zum Einsatz, die eine deutlich höhere Hardware- und Softwarekomplexitätmit sich bringen.

Das Konzept der „fortschrittlichen Einfachheit“ erlaubt es, hohe Vorschubkräfte im Bereich von 20 bis 30 kN mit nur einer Servo-Antriebseinheit zu realisieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen mit zwei Achsen bietet das Konzept der Verspannungsritzelwelle klare Vorteile in Bezug auf Integration, Kosten und Inbetriebnahme.

Kritische Aspekte konventioneller Lösungen zur Beseitigung des Umkehrspiels

Mechanische Dual-Drive-Vorspannung (1 Antrieb – 2 Getriebestränge)
Bei mechanischen Dual-Drive-Konzepten wird das Antriebsmoment über eine kinematische Kette auf zwei Ritzel verteilt. Typischerweisekommen dabei zwei Planetengetriebe sowie zwei Winkelgetriebe zum Einsatz, die über eine Torsionswelle oder elastischeKupplung miteinander gekoppelt sind.

Aus konstruktiver Sicht ergeben sich daraus mehrere systembedingte Nachteile:

• Erhöhter Bauraumbedarf:
  Die Integration von zwei vollständigen Untersetzungssträngen pro Achse führt zu einem signifikant höheren Platzbedarf auf dem Maschinenschlitten. Dies schränkt die konstruktiven Spielräume ein, erschwert kompakte Bauweisen und erhöht die bewegten Massen.
• Begrenzte Torsionssteifigkeit (Wind-up-Effekt):
  Zusätzliche Verbindungselemente wie Wellen und Kupplungen bringen elastische Nachgiebigkeiten in den Kraftfluss ein. Diese reduzieren die effektive Torsionssteifigkeit des Gesamtsystems und wirken sich negativ auf Dynamik, Regelverhalten und Positioniergenauigkeit aus.
• Hoher Montage- und Einstellaufwand:
  Die exakte Phasenlage beider Ritzel zur Zahnstange erfordert enge Toleranzen sowie eine präzise Ausrichtung der gesamten Kinematik. Dies führt zu erhöhtem Montageaufwand und verlängert so die Zeit der Inbetriebnahme der Anlage.
• Erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit:
  Die große Anzahl an Komponenten, insbesondere Lagerstellen, Dichtungen und zusätzliche Verzahnungen, erhöht die Komplexitätdes Systems und damit auch die statistische Wahrscheinlichkeit von Verschleiß und Ausfällen.

Die Abbildung zeigt ein anspruchsvolles Dual-Drive-System. Durch zwei mechanisch gekoppelte Getriebe und Ritzel wird eine spielfreie Verspannung an der Zahnstange erreicht. Diese Lösung bietet höchste Präzision, ist jedoch konstruktiv aufwendig und kostenintensiv.

Elektronische Twin-Drive-Vorspannung (2 Antriebe – 2 Motoren – 2 Getriebestränge)
Bei elektronischen Twin-Drive-Systemen greifen zwei unabhängig geregelte Antriebseinheiten auf dieselbe Zahnstange zu. Das erforderliche Verspannungsmoment wird durch eine gezielte Überlagerung gegensinniger Drehmomente (Torque Bias) im Regelungssystem erzeugt.

Aus konstruktiver und systemtechnischer Sicht ergeben sich dabei folgende Herausforderungen:

• Hoher Systemaufwand (Over-Engineering):
  Die Konstruktion erfordert die vollständige Verdopplung aller zentralen Antriebskomponenten, einschließlich Motoren, Getriebe, Leistungselektronik und Sensorik. Dies führt zu deutlich erhöhten Investitionskosten sowie gesteigertem Integrationsaufwand.
• Anspruchsvolle Synchronisation und Parametrierung:
  Die stabile Funktion des Systems ist maßgeblich von einer präzisen Abstimmung der beiden Antriebsregler abhängig. Insbesondere müssen Wechselwirkungen und mögliche Resonanzeffekte zwischen den gekoppelten Antrieben gezielt unterdrückt werden. Dies erfordert fundiertes Regelungs-Know-how und erhöht den Konstruktionsaufwand sowie erschwert die Inbetriebnahme erheblich.
• Erhöhte Anforderungen an Diagnose und Service:
  Die exakte Phasenlage beider Ritzel zur Zahnstange erfordert enge Toleranzen sowie eine präzise Ausrichtung der gesamten Kinematik. Dies führt zu erhöhtem Montageaufwand und verlängert so die Zeit der Inbetriebnahme der Anlage.

Die Abbildung zeigt die Hauptkomponenten eines Twin‑Drive‑Systems. Diese Lösung ist konstruktiv anspruchsvoll und kostenintensiv, da sämtliche Antriebskomponenten doppelt ausgeführt werden müssen.

ATLANTA Verspannungsritzel – Konstruktiv einfache Lösung zur spielfreien Kraftübertragung

Aufbauend auf dem bewährten Prinzip geteilter Zahnräder, wie es unter anderem in der Feinmechanik und Uhrmacherei Anwendung findet, wurde dieses Konzept von ATLANTA für den industriellen Einsatz in der Antriebstechnik konsequent weiterentwickelt und umgesetzt. Im Fokus steht dabei die funktionale Integration der Verspannungsmechanik direkt in das Ritzel, wodurch eine kompakte und zugleich leistungsfähige Lösung zur Eliminierung des Umkehrspiels entsteht.

Konstruktive Vorteile des integrierten Ansatzes:

• Integrierte Mechanik:

Das Verspannungsritzel besteht aus zwei unabhängig ausgeführten Zahnkränzen, die für den präzisen Tandemeingriff mit der Zahnstange ausgelegt sind. Die Verspannung erfolgt innerhalb der Baugruppe ohne zusätzliche externe Komponenten.

• Präzise Justierung:

Eine integrierte Einstelleinheit ermöglicht die feinfühlige und reproduzierbare Einstellung des Winkelversatzes zwischen den beiden Zahnkränzen. Dadurch kann das Umkehrspiel gezielt und kontrolliert eliminiert werden.

• Zweiflanken-Eingriff:

Durch den gleichzeitigen Eingriff beider Zahnkränze auf gegenüberliegenden Flanken der Zahnstange wird eine dauerhaft spielfreie Kraftübertragung erreicht. Dies gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit ohne zusätzliche Kompensationsstrategien im Regelkreis.

• Hohe Torsionssteifigkeit:

Der Verzicht auf elastische Übertragungselemente im Kraftfluss führt zu einer deutlich erhöhten Systemsteifigkeit. Dies verbessert das dynamische Verhalten, erhöht die Regelqualität und ermöglicht höhere Systemfrequenzen.

• Vereinfachte Systemarchitektur:

Die Realisierung mit nur einer Antriebseinheit reduziert den konstruktiven Aufwand, spart Bauraum und minimiert die bewegten Massen im Vergleich zu Dual- oder Twin-Drive-Lösungen.

• Reduzierter Aufwand der Inbetriebnahme:

Da die Vorspannung rein mechanisch erzeugt wird, entfällt die Notwendigkeit komplexer Regelungsstrategien oder zusätzlicher Softwareparametrierung. Dies vereinfacht die Inbetriebnahme und erhöht die Prozesssicherheit.

Vergleich der Lösungen

Die Auswahl der geeigneten Systeme zur Beseitigung des Umkehrspiels sollte auf einer systematischen Analyse basieren, die insbesondere die Belastungsanforderungen, vorhandenen Bauraumrestriktionen sowie die Komplexität der Integration berücksichtigt.

Technischer Vergleich
Die nachfolgende Tabelle fasst die zentralen Eigenschaften und Unterschiede der drei betrachteten Lösungsansätze zusammen. Sie bietet Konstrukteuren einen klaren, objektiven Überblick, um fundierte Entscheidungen für das Design spielfreier Achssysteme treffen zu können.

Maximalwert 100 = Beste Leistung (einfacher Aufbau, höchste Lastkapazität, höchste Steifigkeit)

Vergleich der Hardwarekosten unterschiedlicher Antriebskonzepte
Zur Quantifizierung des Einflusses unterschiedlicher technologischer Entscheidungen auf die Stückliste (BoM) wurden die Hardwarekosten auf eine einheitliche Basis normiert. Als Referenz dient die Standard-Lösung mit einem Index von 100. Diese Standard-Lösung besteht aus einem massiven Ritzel ohne Spielausgleichssysteme und stellt die einfachste Ausführung der Stückliste dar.

Die Abbildung zeigt den Einsatz eines Verspannungsritzels von ATLANTA in einem Zahnstangenantrieb einer Portalfräsmaschine. Das vorgespannte Ritzel greift spielfrei in die Zahnstange ein und gewährleistet eine präzise, kraftschlüssige Bewegung der Maschinenachse.

Fazit

Das ATLANTA Verspannungsritzel bietet eine optimale Kombination aus Leistungsfähigkeit, Steifigkeit und Wirtschaftlichkeit. Durch die Integration der Verspannungsmechanik in eine kompakte Baugruppe kann eine Standardachse mit einem moderaten Kostenaufwand von nur etwa 10,4 % in eine hochpräzise, spielfreie Achse transformiert werden.

Im Vergleich dazu erfordern mechanische Dual-Drive- und elektronische Twin-Drive-Lösungen einen erheblich höheren Aufwand, was zu Kostenerhöhungen von 68 % bis 100 % führt. Damit stellt das ATLANTA-Verspannungsritzel eine effiziente Lösung dar, die Konstrukteuren sowohl präzise Positionierung als auch reduzierte Integrations- und Inbetriebnahmezeiten bietet.

Steigern Sie Ihre Konstruktions- und Lösungsqualität.

Erfahren Sie, wie das ATLANTA Verspannungsritzel Ihre Achssysteme präziser, steifer und wirtschaftlicher macht. Kontaktieren Sie uns, um individuelle Lösungen für Ihre Anwendungen zu besprechen und Ihre Konstruktionen effizienter umzusetzen.

Rufen Sie uns an unter: +49 7142 70010 oder schreiben Sie uns: vertrieb@atlantagmbh.de.