Thomson-PC-Baureihe, Bild: Thomson

Die elektrischen Aktuatoren der Thomson-PC-Baureihe bieten hohe Leistungsfähigkeit, während sie Zeit und Kosten sparen. Bild: Thomson

Es gäbe zwar viele vorteilhafte Faktoren zu nennen, die diesen Wandel weg von pneumatischer Aktorik hin zu elektrischen Linearaktuatoren antreiben, jedoch die Notwendigkeit, die folgenden Ziele umzusetzen, ist dabei das tatsächlich Ausschlaggebende:

  • Verbesserte Maschinenfunktionalität und -leistung dank der höheren Präzision elektromechanischer Aktuatoren.
  • Elektromechanische Aktuatoren beanspruchen etwa ein Viertel des Platzes, um dieselbe Verstellkraft zu erzeugen.
  • Optimierte Energieeffizienz, da elektromechanische Aktuatoren mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad arbeiten und keine Kompressoren benötigen, die rund um die Uhr Druckluft liefern müssen.
  • Geringere Wartungs- und Gesamtkosten, da elektromechanische Aktuatoren weniger Teile benötigen und ohne Kompressoren auskommen, die möglicherweise zu Undichtigkeiten tendieren.

Ist die Entscheidung gefallen, pneumatische durch elektromechanische Aktuatoren zu ersetzen, besteht der nächste Schritt darin, unter den vielen Marken und Modellen den passenden Aktuator auszuwählen. Während sich grundlegende Verstellkraft-Daten möglicherweise ähnlich darstellen, zeigen sich in den Bereichen Laufleistung, einfache Wartung und Widerstandfähigkeit gegen Umgebungseinflüsse gravierende Unterschiede.

Die Komponenten bestimmen über die Laufleistung

Grundsätzlich bedeutet ein größerer Durchmesser der Kugelspindel eine potenziell höhere Verstellkraft. Um diese jedoch tatsächlich nutzen zu können, müssen das Axiallager sowie sämtliche Befestigungspunkte, einschließlich Schubrohr, verbautem Kugelmuttersystem sowie Lager- und Abstreifergehäuse, aufeinander abgestimmt sein. Andernfalls würde die erhöhte Verstellkraft zulasten der Lebensdauer gehen. Ein Bauteil, das zu schwach für die einwirkende Last ist, verschleißt erheblich schneller oder kann sogar vorzeitig ausfallen.

Berücksichtigt man zudem die Tatsache, dass größere Spindeldurchmesser sowohl mit den Kosten als auch mit dem Platzbedarf korrelieren, lassen sich durch die Abstimmung des Kugelgewindetriebs und der übrigen Komponenten beide Faktoren reduzieren. Dazu hat eine Abstimmung des Kugelgewindetriebs auf die übrigen Komponenten den größten Einfluss auf die Lebensdauer des Aktuators. Dies wiederum hat zusammen mit der Bauweise des Kugelmuttergehäuses die größte Auswirkung auf die Präzision und Belastbarkeit. Eine der Hauptfunktionen des Muttergehäuses ist die Minimierung des Spiels in radialer und lateraler Richtung. Einfluss hierauf haben der Durchmesser des Muttergehäuses, die wirksame Berührungsfläche sowie die Nutzung von Führungsstegen.

Hierbei gilt: Ein größeres Muttergehäuse (Bild: Nr. 1) hält größeren von außen wirkenden Radialbelastungen stand, indem es die Berührungsfläche bei seitlicher Belastung vergrößert. Die Möglichkeit, elektrische Aktuatoren seitlich zu belasten, würde die Leistung, Präzision und Kompaktheit dieser Einheiten auf ein Niveau bringen, das mittels pneumatischer oder hydraulischer Aktorik nicht realisierbar ist. Genauso bedeutet eine vergrößerte Berührungsfläche bei reiner Axialbelastung ein geringeres Spiel, sodass Querlasten auf dem Schubrohr aufgefangen werden (Bild: Nr. 2).

Berührungsflächen, Bild: Thomson
Die Berührungsflächen unter axialer und seitlicher Belastung. Bild: Thomson

Während eine vergrößerte Berührungsfläche die radiale und laterale Belastbarkeit maximiert, führt sie nicht notwendigerweise zu einer erhöhten Stabilität. Diesem Aspekt wird häufig durch herausstehende Führungsstege Rechnung getragen, die in eingefrästen Nuten laufen (Bild: Nr. 3). Diese Führungsstege vermindern zudem Vibrationen, die sowohl zur Geräuschentwicklung als auch zum Verschleiß beitragen. Die meisten Konstruktionen verwenden einen oder zwei solcher Stege, die das Spiel zwar in begrenztem Maße senken, aber nach einiger Zeit verschleißbedingt Klickgeräusche hervorrufen. Werden stattdessen vier Stege verwendet, bedeutet dies nicht nur einen geräusch- und verschleißärmeren Betrieb, sie wirken auch besser gegen ein Verdrehen des Schubrohrs. Die zusätzlichen Stege ermöglichen zudem ungehemmten Rücklauf, was die Verschleißentwicklung und damit das Spiel im System weiter reduziert.

Werden diese Führungsstege darüber hinaus nach außen gewölbt, erzeugt dies eine radiale Vorspannung, die ebenfalls das Spiel im Schubrohr minimiert und das Muttergehäuse mit der Mutter zentriert. Ein Ausdistanzieren des Muttergehäuses zum Strangpressprofil, um verschleißbedingten Ungenauigkeiten über die Lebensdauer des Gerätes entgegenzuwirken, ist damit überflüssig. Nicht zuletzt sinkt mit geeignet aufeinander ausgerichteten Komponenten die Häufigkeit, mit der ein System kalibriert werden muss, um ein konstantes Leerlaufmoment zu erreichen.

Während enge Toleranzen für die Verschleiß- und Geräuschminderung einerseits unverzichtbar sind, kann sich jedoch bei fehlendem Luftspalt unerwünschter Druck aufbauen, wenn der Aktuator mit hoher Geschwindigkeit arbeitet. Dies kann zu Überhitzung führen und damit Probleme der Schmierung und der allgemeinen Langlebigkeit hervorrufen. Thomson löst dieses Problem, indem zwei gegenüberliegende Führungsstege etwas flacher konstruiert wurden als die übrigen beiden. Auf diese Weise entsteht ein gerade ausreichend großer Luftspalt, der einen Druckaufbau vermeidet.