Antriebslösungen

Antriebslösungen
Getriebeeinsatz und Lastabstimmung
  In vielen Anwendungen stimmen die Drehzahlen der
Anwendung und der des Motors nicht optimal zusammen.
Durch ein Getriebe wird die Drehzahl der Anwendung n2
auf die für einen Motor optimierte Drehzahl n1 gewandelt:
n1
!1
i =
=
n2
!2
  Aus dem Energieerhaltungssatz lässt sich ebenfalls die
Reduzierung der Massenträgheit durch ein Getriebe
berechnen:
1 ! J ! "2 = 1 ! J ! "2 # J = J 2
1
1
2
2
1
2
2
i2
1
18.04.2008
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Antriebslösungen
Getriebeeinsatz und Lastabstimmung (2)
  Für eine gute Regelbarkeit ist das Verhältnis der
Massenträgheit der Last JLast, mit der Getriebeübersetzung
i umgerechnet auf die Motorseite, und der Massenträgheit
des Getriebemotors JMotor entscheidend. Der
Lastabstimmungsfaktor kJ beeinflusst deutlich das
Regelungsverhalten.
kJ
J Last
= 2
i ! J Motor
  Ein Optimum wird für kJ = 1 erreicht, hieraus lässt sich ein
iopt errechnen:
i opt =
2
18.04.2008
J Last
J Motor
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Getriebeeinsatz und Lastabstimmung (3)
M dyn
=1+ 1
M dynref
kJ
  Für Antriebe mit hohem Beschleunigungsvermögen sollte
der Lastabstimmungsfaktor kJ möglichst im mittleren
Bereich liegen
k J = 0, 5...10
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Reibung
  Reibung tritt in jedem mechanischen System auf. Sie wirkt
immer der Bewegung des Körpers entgegen.
  Die Reibungskraft FR ist proportional zur Normalkraft FN, mit
der der Körper auf die Reibfläche gedrückt wird.
FR = µ ! F N
  Entsteht die Normalkraft durch eine Gewichtskraft, so gilt:
FR = µ ! g ! m
  Reibungskräfte lassen sich hinsichtlich ihrer Ursachen
unterscheiden:
–  Haftreibung
(µ0 = 0,15 bis 0,8)
–  Gleitreibung
(µ = 0,1 bis 0,6 )
–  Rollreibung
(µ´ = 0,002 bis 0,04)
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M P ,max = max( M z )
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Berechnung von Kenngrößen:
  Maximaldrehmoment MP,max:
M P ,max = max( M z )
hier : 341 Nm
  Effektivdrehmoment Meff:
m
M eff =
1
T
# M z2 ! "t z
hier : 228 Nm
z =1
  Mittlere Drehzahl nmittel:
m
n mittel = n L , z =
1
T
# n L, z
z =1
! "t z
hier : 22,1 min-1
  Maximaldrehzahl nmax:
n max = max( n L , z )
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hier : 24,3 min-1
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Getriebe
  Wandlung der Drehzahl und des Drehmomentes vom Motor
zur Anwendung
  Aufnahme von Radial- und Axialkräften an der
Abtriebswelle
  Abstützung des Reaktionsmomentes
  wichtigste Eigenschaften:
–  Abtriebsdrehmoment
–  Übersetzung
–  Anordnung der Wellen: parallel oder winklig
–  Art der Abtriebswelle: Voll- oder Hohlwelle
–  Verdrehspiel
–  Wirkungsgrad
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Zahnradgetriebe
  Eigenschaften
–  kleiner Bauraum
–  hoher Wirkungsgrad
–  hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit
  Zahnräder im Durchmesserbereich von einem Millimeter
(z.B. Medizintechnik) bis über 30 Metern (z.B. Bergbauindustrie)
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Stirnradgetriebe
  Vorteile der Evolventenverzahnung
–  unempfindlich gegen Achsabstandsabweichungen
–  gleichförmige Bewegungsübertragung
–  einfache Herstellung
–  abgesicherte Auslegungswerkzeuge aus Versuchen
  Nachteile der Evolventenverzahnung
–  konvexe Flanken laufen gegeneinander (begrenzte
Tragfähigkeit)
–  bei kleinen Zähnezahlen ergibt sich Unterschnitt
(Schwächung des Zahnfußes)
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Getriebeübersetzung
  Verteilung der verwendeten Abtriebsdrehzahlen im Bereich
von 100 bis 300 Nm
Maximum bei ca.
50 min-1
allgemeiner Trend: höhere Drehzahl und Dynamik
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Koaxialgetriebe
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Winkelgetriebe
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Planetengetriebe
  Eigenschaften
–  hohe Leistungsdichte durch Leistungsverzweigung
–  kleine Massenträgheitsmomente
–  geringes Verdrehspiel
–  kleine Gehäuseoberfläche (thermische Grenze)
innenverzahntes
Hohlrad fest mit
dem Gehäuse
verbunden:
 Normalumlaufrädergetriebe
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Kegelradgetriebe
  Eigenschaften
–  Drehmomentübertragung bei sich schneidenden oder
kreuzenden (Hypoidradsatz) Achsen
–  Übersetzung bis ca. i = 6
–  am meisten verwendet: bogenverzahnte Kegelräder mit
evolventer Zahnform
–  geringere Tragfähigkeit gegenüber Stirnradgetrieben (bei
gleichem Außendurchmesser)
av
Hypoidradsatz mit Achsversatz av
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Schneckengetriebe
  Eigenschaften
–  kreuzende Achsen
–  hohe Übersetzung (> 50) in einer Stufe möglich
–  wegen zusätzlichem Längsgleiten der Zahnflanken ist
das Schneckenrad aus Bronze (Verschleiß beachten)
–  schlechter Wirkungsgrad (übersetzungsabhängig)
Wirkungsgrad eines Stirnrad-Schneckengetriebes
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Kombination Getriebe und Motor
  Direkte Kombination von Getriebe und Motor
 Getriebemotor
Aufbau eines zweistufigen Stirnrad-Getriebemotors
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Bauformen
  Die Wahl der Bauform ist abhängig von der Einbausituation
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Getriebemotoren - Baukasten
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Aufgaben der Antriebselemente
  Verbinden der Antriebskomponenten untereinander.
  Verbinden der Antriebskomponenten mit der
Arbeitsmaschine.
  Übertragen von Drehmomenten und Drehbewegungen.
  Antriebsstrang unterbrechen.
  Rotierende Teile lagern.
  Wellenversatz ausgleichen.
  Rotatorische in translatorische Bewegungen umformen
(und umgekehrt).
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Antriebslösungen
Übersicht Antriebselemente
 
 
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 
 
 
 
 
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Schaltbare Kupplungen,
Nichtschaltbare Kupplungen,
Welle-Nabe-Verbindungen,
Lager,
Zugmittelgetriebe
wie Riemen-, Zahnriemen- und Kettenantriebe,
Lineare Übertragungselemente,
Nichtlineare Übertragungselemente,
Führungssysteme und
Elektromechanische Bremsen,
die in Kapitel 3.3.5 bei den Motoren beschrieben wurden
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Einfluss auf das Regelungsverhalten
  Zur Vermeidung von instabilem Regelungsverhalten und
Einhaltung der Genauigkeitsanforderungen:
–  Kein Verdrehspiel
–  Hohe Verdrehsteifigkeit
–  Mechanik sollte möglichst starr sein
–  Vermeiden, dass die mechanische Resonanzfrequenz im
Betrieb dauerhaft angeregt wird
  Weiteren Einfluss auf das Eigenschwingungsverhalten der
Maschine und die Systemdämpfung:
–  Räumliche Verteilung der Bauteile
–  und deren Größe.
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Schaltbare Kupplungen
  Aufgabe:
–  Elemente des Antriebsstrangs im Betrieb durch ein
Ansteuersignal zu unterbrechen oder zu verbinden.
  Wirkprinzip:
–  Drehmomentübertragung
–  Mechanisch
–  Hydraulisch
–  Elektromagnetisch
  Elektromagnetkupplungen
–  Drehmomentübertragung
–  durch Kraftschluss
–  oder Formschluss
–  verdrehspielfrei
–  meist nach dem Arbeitsstromprinzip
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Nichtschaltbare Kupplungen
  Aufgabe:
–  Dauerhafte Verbindung zweier Wellen.
–  Kompensation von Radial-, Axial- oder Winkelversatz.
  Arten:
–  Starre Kupplungen
–  Drehelastische Ausgleichskupplungen
–  Drehstarre Ausgleichskupplungen
–  Sicherheits- und Überlastkupplungen
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Versatz zwischen zwei Wellenenden
  Axialversatz
–  Längsversatz der
aufeinanderstoßenden Wellen.
–  Oft durch thermische Ausdehnung begründet.
–  Ergebnis der Maschinenkonstruktion.
  Radialversatz
–  Paralleler Ausrichtungsfehler
der Wellen zueinander
–  Nahezu immer vorhanden.
–  Gut ausgerichtete Aufbauten haben Werte < 0,20 mm
  Winkelversatz
–  Ungenaue Ausrichtung
–  Bei fast allen Applikationen vorhanden
–  Typische Werte sind 1° bis 2°.
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Nichtschaltbare Kupplungen
  Sicherheits- und Überlastkupplungen
–  Drehmomente sicher begrenzen.
–  Falsche Drehrichtung vermeiden.
–  Formschluss- oder Kraftschlussprinzip.
  Starre Kupplungen
–  Kostengünstige Lösung.
–  Sehr steifes Übertragungsverhalten
(0,1° Verdrehwinkel bei Bemessungsmoment).
–  Spielfrei.
–  Geeignet für Positionieraufgaben
und reversierende Antriebe.
–  Bei kleinem Bauraum große
Drehmomente übertragbar.
–  Lassen keinen Axial-, Radialund Winkelversatz zu.
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Antriebslösungen
Nichtschaltbare Kupplungen
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  Drehelastische Ausgleichskupplungen
–  Elastizität durch Federn aus Metall
oder durch Elastomer.
–  Reduzierung von Drehmomentstößen.
–  Dämpfung von Drehschwingungen.
–  Resonanzfrequenzen in unkritische
Betriebsbereiche verlagern.
–  Wellenversatz ausgleichen.
  Drehstarre Ausgleichskupplungen
–  Sind spielfrei und drehstarr.
–  Je nach Bauart lassen sich Axial-,
Radial- und / oder Winkelversatz ausgleichen.
–  Drehschwingungsverhalten wird
nicht verändert.
–  Für winkelgenaue Drehübertragung.
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Welle-Nabe-Verbindungen
  Aufgabe:
–  Um das Drehmoment von einer Antriebswelle auf einen
rotierenden Körper, z. B. ein Treibrad, zu übertragen,
muss eine Verbindung dieser zwei Elemente hergestellt
werden.
  Wirkprinzip:
Verbindung durch
–  Formschluss
–  Kraftschluss
–  Stoffschluss (selten im Maschinenbau)
  Auslegung:
–  Nach dem übertragendem Drehmoment
–  Und/oder nach der zu übertragenden Axialkraft.
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Welle-Nabe-Verbindungen Formschlüssige Übertragung
  Wirkprinzip:
–  Die Kraftübertragung erfolgt durch eine bestimmte
Formgebung oder zusätzliche Mitnehmerelemente.
  Arten:
–  Passfedern
–  Spannstifte
–  Polygonprofile
–  Zahnwellen
  Eigenschaften:
–  Unterscheidung hinsichtlich
der übertragbaren Kräfte und der Kosten.
–  Die Elemente sind nicht immer spielfrei.
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Antriebslösungen
Welle-Nabe-Verbindungen Kraftschlüssige Übertragung
  Wirkprinzip:
–  Die Kraftübertragung durch Reibungswiderstand, der
durch Presspassungen oder Spannelemente erfolgt.
  Arten:
–  Schraubverbindungen
–  Keile
–  Schrumpfscheiben
–  Klemmverbindungen
–  Mechanische Spannelemente
–  Hydraulische Spannelemente
  Eigenschaften:
–  Sehr hohe Kraftübertragung und Rundlaufgüte.
–  Für dynamische Anwendungen besser geeignet.
–  Spielfrei.
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Lager
  Aufgabe:
–  Unterstützen und fixieren rotierender Wellen in
Maschinen oder Antriebskomponenten.
  Arten:
–  Gleitlager und Wälzlager.
–  Radial- und Axiallager (Richtung der
Lagerkraft).
–  Festlager, nehmen Querkräfte und Längskräfte
in beiden
oder einer Richtung auf.
–  Loslager, Längsverschiebungen sind möglich.
  Vom Antrieb aufzubringendes Reibmoment:
M Reib = µ ! m ! g ! rL
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m
dL
M
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Lager
  Wälzlager:
–  Kostengünstig.
–  Nahezu wartungsfrei.
–  Geringe Reibung.
–  Spielarm.
–  Einfache Aufnahme von Lagerbelastungen.
–  Umfangreich genormt einfache Beschaffung.
–  Empfindlich gegen Stöße und Verschmutzung.
–  Rollenlager können gegenüber Kugellagern höhere
Radial- und Axialkräfte aufnehmen.
–  Bei Auslegung sind Lebensdauer, maximale Drehzahl,
die aufzunehmenden Kräfte zu berücksichtigen.
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Dr. Edwin Kiel / Lenze AG
Antriebslösungen
Lager
  Gleitlager:
–  Halten hohen Belastungen
und Drehzahlen stand.
–  Sind geräuschärmer und
stoßunempfindlicher als
Wälzlager.
–  Nahezu verschleißfreier
Dauerbetrieb nur bei hohem
Schmieraufwand mit ständiger Kontrolle.
–  Reibung ist besonders bei niedrigen und hohen
Drehzahlen wesentlich größer als bei Wälzlagern.
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Zugmittelgetriebe
  Aufgabe:
–  Anpassung von Drehzahl
und Drehmoment zwischen
zwei oder mehreren Wellen.
–  Zugmittelgetriebe sind Teil der Gesamtübersetzung
–  Häufiger Einsatz zur Überbrückung von
Wellenabständen bei engen Einbauverhältnissen.
–  Teilweise als Sollbruchstelle für Überlastszenarien.
–  Schneller und einfacher Austausch bei geringen Kosten.
  Wirkprinzip:
–  Die Leistung wird im Lasttrum übertragen.
–  Das rücklaufende lastfreie Trum wird Leertrum genannt.
–  Zugmitteln werden unterschieden zwischen
reibschlüssiger und formschlüssiger Übertragung.
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Zugmittelgetriebe (reibschlüssig)
Flachriemen
Keilriemen
Rundriemen (Seile)
  Vorspannung erforderlich, damit der Reibschluss
aufrechterhalten wird.
  Die Drehzahl erfährt einen lastabhängigen Schlupf.
  Vorteil:
–  Drehmomentbegrenzung durch Schlupf
  Nachteil:
–  Für Positionieraufgaben ungeeignet.
–  Höhere Riemenspannung und Umschlingungswinkel als
bei Zahnriemen erforderlich.
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Antriebslösungen
Zugmittelgetriebe (formschlüssig)
Zahnriemen
(Synchronriemen)
Kette
  Geringe Vorspannung erforderlich
–  Für optimales Laufverhalten mit hoher Lebensdauer.
–  Zur Vermeidung des Überspringens von Zähnen.
  Die Positioniergenauigkeit ist abhängig von der Dehnung
des Zahnriemens und vom Spiel zwischen Zahnriemen und
Zahnriemenscheibe.
  Vorteil:
–  Schlupffrei.
–  Lagerbelastung geringer.
–  Die Komponenten können leichter und kostengünstiger
ausgeführt werden.
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Lineare Übertragungselemente
  Aufgabe:
–  Rotatorische Drehbewegung der Antriebswelle in eine
translatorische Bewegung umformen.
  Arten:
–  Gewindespindeln
–  Zahnstangen
–  Linearriemen
–  Linearmotoren
  Anwendungsbereiche:
–  Innerhalb ihres Verfahrwegs eignen
sie sich besonders für zyklisch
wiederkehrende und hochdynamische
Aufgaben.
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Antriebslösungen
Lineare Übertragungselemente
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Gewindespindel
  hohe Präzision und begrenzter Verfahrweg, z.B.
Verstellachsen von Werkzeugmaschinen.
  Wirkprinzip:
–  Ein Spindelantrieb besteht aus einer Welle, die eine
spiralförmige Führung (Gewinde) auf ihrer Oberfläche
besitzt. Durch diese Führung wird ein Aufsatz, der
Spindelschlitten (Mutter), bewegt, an dem die Last
gekoppelt ist.
–  Die Spindelsteigung h [mm] ist der resultierende
translatorische Weg, den die Spindel bei einer
Umdrehung zurücklegt (z. B. 5, 10, 20 bis 50 mm).
–  Betrieb in horizontaler und in vertikaler Richtung.
h = 2 #" #
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s
!
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Antriebslösungen
Gewindespindel
  Trapezgewindetrieb:
–  Spindel und Mutter gleiten aufeinander.
–  Sehr niedrige Wirkungsgrade (0,3-0,5).
–  In der Regel selbsthemmend.
  Kugelgewindetrieb:
–  Hoher Wirkungsgrad.
–  Gerollt, geschliffen, Kugelrückführung.
–  Planetensystem, shock max 1g.
  Rollengewindetrieb:
–  Höhere Steifigkeit und Tragfähigkeit.
–  Somit auch eine längere Lebensdauer.
–  Mit Umlenkung für h< 3.
  Planetenrollengewindetrieb:
–  Für a ~ 2g , nmax = 4500 U/min.
–  Invertiertes System.
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Antriebslösungen
Zahnstange
  Wirkprinzip:
–  Zahnrad auf der Antriebswelle (Ritzel),
das eine Zahnstange antreibt.
–  Ideal für lange Verfahrwege (horizontal als vertikal),
Zahnstangensegmente werden mehrfach hintereinander
montiert.
–  Durchmesser des Ritzels bestimmt sich durch das
Verzahnungsmaß M (Modul) und die
d1 = M ! z
Anzahl der Zähne des Ritzels z.
  Portale werden meist mit Zahnstangen ausgerüstet
–  Antriebe von X und Y Achsen erfolgen meist über
Zahnstangen
–  Für Z-Achsen finden verschiedene Technologien
Anwendung, u.a. Zahnstangenanwendungen.
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Antriebslösungen
Linearriemen
  für Positionieraufgaben gut geeignet.
  Formschlüssige und schlupffreie
Kraftübertragung.
  Materialien Gummi (Neopren) oder Kunststoff
(Polyurethan). Für den Zugträger (überträgt
Kräfte, muss biegsam sein, sehr geringe
Längendehnung aufweisen), wird z. B.
Stahlcord, Glasfaser oder Aramidfaser
verwendet.
  Einsatz als Zugmittelgetriebe und in der Linear- oder
Transporttechnik.
  Umlaufende Zahnriemen und Omegariemen.
  Der Treibraddurchmesser wird anhand
der Teilung p und der Zähnezahl z bestimmt. d =
  Vorspannung erforderlich ( Radialbelastung).
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p!z
"
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Linearriemen umlaufender Zahnriemen
  Standardanordnung ist ein umlaufender Zahnriemen, auf
dem sich die Last befindet und der durch ein Treibrad
angetrieben wird.
  Ausführungsformen:
–  Umlaufend horizontal
–  Umlaufend vertikal
–  mit Gegengewicht
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Antriebslösungen
Linearriemen Omegariemen
  Die Omegaanordnung wird für Lineareinheiten mit großen
Wegstrecken verwendet, wo ein umlaufender Riemen
aufgrund der Riemenlänge ausscheidet.
  Wird bei vertikalen Achsen (z-Achse) oft anstelle einer
Zahnstange wegen der geringeren Kosten verwendet.
  Vorteilhaft ist die geringere Riemendehnung gegenüber
dem umlaufenden Riemen.
  Auch für Teleskopanwendungen eignet sich diese
Übertragungsart.
Antrieb
Rückenspannrolle
Schlitten
Klemmplatten
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Antriebslösungen
Linearriemen Omegariemen
  Bei Omegariemen gibt es die Variante mit feststehendem
Antrieb, bei der sich der Riemen samt Führung bewegt.
Diese Art ist für Omegariemen der Standard und wird
meistens in der vertikalen Richtung eingesetzt. Die
gesamte Anordnung hat gegenüber anderen
Linearkomponenten ein geringeres Gewicht und benötigt
somit weniger Energie.
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Antriebslösungen
Linearriemen Omegariemen
  Die Variante mit feststehendem Riemen, bei sich der Motor
mit der Last bewegt, wird seltener und meist nur in
horizontaler Richtung angewendet.
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Antriebslösungen
Nichtlineare Übertragungselemente
  Aufgabe:
–  Rotatorische Drehbewegung der Antriebswelle in eine
oszillierende translatorische Bewegung umformen
–  Umsetzen einer kontinuierlichen Drehbewegung in einen
zyklische Bewegungsablauf
–  Bewegung und Drehmoment werden nichtlinear
übertragen
  Arten z.B.:
–  Koppelgetriebe
–  mechanische Kurvenscheiben
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Antriebslösungen
Nichtlineare Übertragungselemente
  Eigenschaften:
–  Robuste Übertragungselemente.
–  Können verlustarme Bewegungen ausführen.
–  Meistens sehr resistent gegen Verschmutzungen.
–  Einige Elemente haben eine begrenzte Bewegung
Vorteil: Endpositionen werden nicht überfahren.
–  Einfachste und günstigste Mechanik, um schnelle
Hubbewegungen auszuführen.
–  Genauigkeit für Positionierung gering durch nicht
linearen Kraftverlauf.
–  Für positionsgenaue und dynamische Regelungen sind
ein sehr gutes Störgrößenverhalten und gegebenenfalls
eine Drehmomentvorsteuerung erforderlich.
–  Einsatz oft in der Verpackungsbranche.
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Antriebslösungen
Schubkurbelgetriebe
  Wirkprinzip:
–  Rotation des Antriebs wird in eine translatorische,
zwischen zwei Totpunkten oszillierende Bewegung
umgesetzt.
–  Fixpunkt ist die Kurbelwelle, an der das Antriebsmoment
aufgebracht wird.
–  Die Anwendung kann auch umgekehrt betrieben werden.
–  Es ist möglich, hohe Kräfte zu übertragen und
energetisch günstige Bewegungen zu realisieren
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Antriebslösungen
Schubkurbelgetriebe
  Durch die nichtlineare Mechanik ergibt sich für den Antrieb
trotz kontinuierlicher Drehzahl eine wechselnde
Drehmomentbelastung.
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Antriebslösungen
Viergelenkgetriebe
  Wirkprinzip:
–  Das Viergelenk beinhaltet zwei Fixpunkte.
–  Schwenkeinheiten nutzen häufig diese Mechanik. Ein
Beispiel sind Niederhalter in der Karosseriefertigung.
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Antriebslösungen
Exzentergetriebe
  Wirkprinzip:
–  Exzenter ist ein
Sonderfall der
mechanischen
Kurvenscheibe.
–  Mechanik, für z. B.
schnelle und kleine
Hubbewegungen.
–  Drehpunkt befindet
sich um die halbe
Hubdistanz vom
Mittelpunkt der
Steuerungsscheibe
verschoben.
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Führungssysteme
  Aufgabe:
–  Aufnahme der Reibbelastung der zu
bewegenden Massen für
Linearkomponenten.
–  Vorgabe der Bewegungsbahn.
–  Neben dem geraden Aufbau lässt sich
auch ein Bogen realisieren.
  Arten:
–  Linearführungen.
–  Rotationswellenführungen.
–  Rad-Schiene-Systeme oder Rollen
kommen als Führung und
Massenaufnahme ebenfalls in Frage.
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