Zwischen traditionellen Zahnstangen-Doppelantrieben, Konstruktionen mit geteiltem Ritzel und Rollenritzelsystemen bestehen zahlreiche Unterschiede.

Von der Luft- und Raumfahrt über Werkzeugmaschinen und Glasschneiden bis hin zur Medizintechnik und vielen weiteren Bereichen – Fertigungsprozesse sind auf zuverlässige Bewegungssteuerung angewiesen. Verschiedene servogesteuerte Linearantriebssysteme liefern die für diese Anwendungen erforderliche Geschwindigkeit und Präzision.
Eine gängige Konfiguration kombiniert Servosteuerungen mit einem herkömmlichen Evolventen-Zahnstangengetriebe. Letzteres benötigt Spiel zwischen Zahnstange und Zahnradzähnen, um Blockierungen und übermäßigen Verschleiß zu vermeiden. Andernfalls kann eine Temperaturänderung von beispielsweise 10 °C das System blockieren, da sich die Zahnräder ausdehnen. Andererseits führt Spiel zu Zahnflankenspiel, was einem Fehler entspricht.

Spielprobleme bei Zwillings- und geteilten Ritzeln
Bei Präzisionsanwendungen besteht eine typische Lösung für Spielprobleme darin, ein zweites Ritzel hinzuzufügen, das in die andere Richtung zieht – entgegen dem ersten System – und als Steuerung dient.

Eine Möglichkeit, dieses Prinzip umzusetzen, ist die Verwendung eines geteilten Ritzels. Dabei wird ein Ritzel in der Mitte seitlich durchgeschnitten, und eine Feder befindet sich zwischen den beiden Hälften. Wenn sich das geteilte Ritzel entlang einer Zahnstange bewegt, drückt die erste Hälfte des Ritzels auf eine Seite eines Zahnstangenzahns und die andere Hälfte auf den nächsten Zahn. Auf diese Weise eliminiert eine solche Ritzelkonstruktion Spiel und Fehler.

Da hier nur die eine Hälfte des Ritzels Arbeit verrichtet, während die andere Hälfte die Steuerung übernimmt, ist das Drehmoment begrenzt. Zudem entstehen durch die Überwindung der Federkraft durch die Antriebsdynamik Bewegungsverluste, die den Gesamtwirkungsgrad verringern. Bei Beschleunigung kann die Feder außerdem leicht nachgeben, was die Bewegungsgenauigkeit beeinträchtigt. Schließlich kann sich das Federsystem im Ritzel, wenn es für einen Arbeitsgang wie beispielsweise Bohren angehalten wird, leicht verformen, anstatt starr zu bleiben.

Eine weitere Möglichkeit zur Spielkorrektur besteht in einem Doppelritzelsystem. Dabei bewegen sich zwei separate Ritzel auf derselben Zahnstange. Die Ritzel arbeiten im Master-Slave-Prinzip: Das führende (Master-)Ritzel übernimmt die Positionierung, während das zweite (Slave-)Ritzel das Zahnflankenspiel ausgleicht. Üblicherweise werden die Ritzel elektronisch gesteuert, um die Genauigkeit zu gewährleisten und den Verschleiß durch Anpassung der Steuerungseinstellungen zu kompensieren.

Wo liegt der Haken? Doppelritzelsysteme können kostspielig sein, da Konstrukteure in der Regel einen zweiten Motor, ein zweites Ritzel und ein zweites Getriebe anschaffen müssen. Auch der Platzbedarf erhöht sich: Ein zweiter Motor erfordert mehr Länge für den Antrieb. Soll das Bewegungssteuerungssystem beispielsweise einen Meter hin und her schwingen, ist eine Zahnstangenlänge von 1,2 oder 1,3 m erforderlich, um das zweite Ritzel aufzunehmen, das 200 bis 300 mm hinter dem ersten sitzt. Schließlich sind die Kosten für den Betrieb zweier Motoren über einen typischen Produktlebenszyklus von fünf bis zehn Jahren erheblich.

Der spielfreie Betrieb von Rollenritzelantrieben eignet sich für Anwendungen mit großem Hub, wie beispielsweise bei dieser Fräsmaschine.
Eine weitere Option: Rollenritzel
Die Rollenritzeltechnologie umfasst ein Ritzel mit kugelgelagerten Rollen, die in eine Zahnstange mit einem individuell angepassten Zahnprofil eingreifen. Zwei oder mehr Rollen greifen stets gegenüberliegend in die Zähne der Zahnstange ein und ermöglichen so eine höhere Genauigkeit als geteilte Ritzel und Ritzelantriebe: Jede Rolle nähert sich der jeweiligen Zahnfläche tangential und rollt dann reibungsarm ab. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung liegt bei über 99 %.

Das Rollenritzel besteht aus lagergestützten Rollen, die in ein individuell angepasstes Zahnprofil eingreifen.
Die Konstruktion kommt ohne Feder aus, die zusammendrücken und die Genauigkeit beeinträchtigen könnte, und es geht auch kein Wirkungsgrad durch das Überwinden einer Federkraft verloren. Darüber hinaus benötigt die Rollenbewegung kein Spiel, wodurch Spiel und Fehler vermieden werden. Im Gegensatz dazu muss bei einem herkömmlichen Zahnstangenantrieb ein Ritzelzahn von einer Seite eines Zahnstangenzahns abdrücken und sich sofort auf die andere Seite bewegen.

Ein Rollenritzel umschließt gleichzeitig verschiedene Zähne, indem es eine Seite eines Zahns umfasst und mit einem anderen Zahn Spiel erzeugt. Es wird kein zweites Ritzel benötigt, um das erste auszugleichen; ein einziges Ritzel überträgt präzise das erforderliche Drehmoment.

Konstruktionen mit Rollenritzeln verlängern die Lebensdauer und reduzieren den Wartungsaufwand. Bei langsameren Anwendungen kann das System ohne Schmierung betrieben werden. Herkömmliche Zahnstangen verschleißen mit der Zeit und erfordern eine Kompensation der Positionsgenauigkeit und des Drehmoments, Rollenritzel hingegen gewährleisten die Genauigkeit. Die Ritzel beider Bauarten müssen regelmäßig ausgetauscht werden, doch im Vergleich zu Doppelritzeln sind die Gesamtkosten für den Austausch eines Rollenritzels geringer.

Anwendungsbeispiele
Betrachten wir die Fertigung großer Flugzeugrumpfsegmente. Diese Anwendung erfordert oft lange Verfahrwege und hohe Präzision bei Portalmaschinen. Rollen-Ritzel-Antriebe gewährleisten eine genaue lineare Positionierung über diese langen Strecken.

Im Gegensatz dazu kann die Positioniergenauigkeit herkömmlicher Zahnstangenantriebe aufgrund der erforderlichen Spielräume unzureichend sein. Minimale Spielräume gewährleisten zwar die Genauigkeit über kurze Verfahrwege, die Konstruktion kann jedoch bei langen Strecken in der Herstellung und Installation teuer sein. Ein Doppelritzelsystem (mit zwei gegeneinander vorgespannten Ritzeln) ist ebenfalls möglich, jedoch kostspielig und berücksichtigt typischerweise nicht die variierenden Spielräume, die über lange Strecken auftreten.

Ein weiterer häufiger Einsatzbereich von Doppelritzelsystemen ist die Positionierung eines Fräskopfes in einer Glasfaserfräsmaschine. Obwohl der Doppelritzelantrieb in dieser Anwendung zunächst gut funktionieren mag, kann die Kombination aus Glasfaserstaub und der durch das gegenüberliegende Ritzel erzeugten ständigen Gleitreibung zu vorzeitigem Verschleiß führen. Durch den Einsatz eines Rollenritzelsystems, das mit Rollen statt Gleiten arbeitet, lässt sich die Lebensdauer um 300 % oder mehr verlängern.

Eine Drehversion des Rollenritzelsystems kann auch zur Mehrachsenpositionierung eingesetzt werden. Hierbei sind mehrere Ritzel (die sich alle unabhängig voneinander bewegen) an einem Zahnrad montiert. Diese Konstruktion benötigt weniger Platz als die in solchen Anwendungen mitunter verwendeten Doppelritzelantriebe.