Es gibt zahlreiche Unterschiede zwischen herkömmlichen Doppelantrieben mit Zahnstange und Ritzel, Konstruktionen auf Split-Ritzel-Basis und Rollen-Ritzel-Systemen.

Von der Luft- und Raumfahrt über den Werkzeugmaschinenbau bis hin zum Glasschneiden und der Medizintechnik sind Fertigungsprozesse auf eine zuverlässige Bewegungssteuerung angewiesen. Für die für diese Anwendungen erforderliche Geschwindigkeit und Präzision sorgen verschiedene servogesteuerte Linearantriebssysteme.
Ein gängiger Aufbau kombiniert Servosteuerungen mit einer herkömmlichen Evolventenzahnstange und einem Ritzel. Letzteres kann einen Abstand zwischen der Zahnstange und den Zähnen des Zahnrads erfordern, um Blockaden und übermäßigen Verschleiß zu vermeiden. Andernfalls können Umweltveränderungen (z. B. eine Temperaturverschiebung von 10 °C) das System blockieren, wenn sich die Zähne des Zahnrads ausdehnen. Andererseits führt das Spiel zu Spiel, was einem Fehler gleichkommt.

Spielprobleme bei Doppel- und geteilten Ritzeln
Bei Präzisionsanwendungen besteht eine typische Lösung von Spielproblemen darin, ein zweites Ritzel hinzuzufügen, das in die andere Richtung zieht – gegen das erste System, um als Steuerung zu fungieren.

Eine Variante dieser Idee ist die Verwendung eines geteilten Ritzels. Hierbei ist im Wesentlichen ein Ritzel in der seitlichen Mitte eingeschnitten, wobei zwischen den beiden Hälften eine Feder positioniert ist. Während 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 Zahnstangenzahn. Auf diese Weise eliminiert ein Split-Ritzel-Aufbau Spiel und Fehler.

Da hier nur die Hälfte des Ritzels Arbeit verrichtet – während die andere Hälfte als Steuerung fungiert – ist die Drehmomentkapazität begrenzt. Da außerdem die Antriebsdynamik die Kraft der Feder überwinden muss, kommt es zu Bewegungsverlusten, die den Gesamtwirkungsgrad verringern. Während der Bewegung unter Beschleunigung kann die Feder auch leicht nachgeben, was die Bewegungsgenauigkeit beeinträchtigt. Wenn das Ritzel schließlich angehalten wird, um einen Vorgang auszuführen, beispielsweise zum Bohren, kann sich das Federsystem im Ritzel leicht biegen, anstatt starr zu bleiben.

Eine weitere Spiellösung besteht aus einem Doppelritzelsystem. Bei dieser Anordnung bewegen sich zwei separate Ritzel entlang derselben Zahnstange. Die Ritzel funktionieren im Master/Slave-Prinzip, wobei das führende (Master-)Ritzel die Positionierung übernimmt und das zweite (Slave-)Ritzel dem Spiel entgegenwirkt. Typischerweise werden Ritzel elektronisch gesteuert, sodass die Genauigkeit erhalten bleibt und die Steuerungseinstellungen angepasst werden können, um den Systemverschleiß auszugleichen.

Was ist der Haken? Doppelritzelsysteme können kostspielig sein, da Konstrukteure in der Regel einen zweiten Motor, ein zweites Ritzel und ein zweites Getriebe kaufen müssen. Auch der konstruktive Platzbedarf muss vergrößert werden: Ein zweiter Motor erfordert mehr Länge, um den Antrieb auszuführen. Wenn ein Benutzer beispielsweise benötigt, dass sich das Bewegungssteuerungssystem einen Meter hin und her bewegt, ist eine Zahnstangenlänge von 1,2 oder 1,3 m erforderlich, um das zweite Ritzel aufzunehmen, das 200 bis 300 mm hinter dem ersten läuft. Schließlich sind die Kosten für den Antrieb von zwei Motoren über einen typischen Konstruktionslebenszyklus von fünf bis zehn Jahren beträchtlich.

Der spielfreie Betrieb von Rollen-Ritzel-Antrieben eignet sich für Langhubanwendungen wie diese Oberfräse.
Eine weitere Option: Rollenritzel
Die Rollenritzeltechnologie umfasst ein Ritzel, das aus lagergestützten Rollen besteht, die in eine Zahnstange mit einem maßgeschneiderten Zahnprofil eingreifen. Zwei oder mehr Rollen sind stets mit entgegengesetzten Zahnstangenzähnen verbunden, um eine höhere Genauigkeit als geteilte Ritzel- und Ritzelantriebssysteme zu erzielen: Kurz gesagt, jede Rolle nähert sich jeder Zahnfläche auf einem tangentialen Weg und rollt dann reibungsarm über die Zahnfläche Betrieb mit einem Wirkungsgrad von mehr als 99 % bei der Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen.

Das Rollenritzel besteht aus lagergestützten Rollen, die in ein individuelles Zahnprofil eingreifen.
Das Design verfügt auch über keine Feder, die zusammenbrechen und die Genauigkeit beeinträchtigen könnte, und bei der Überwindung einer Federkraft geht keine Effizienz verloren. Darüber hinaus erfordert die Rollenbewegung kein Spiel, wodurch Spiel und Fehler vermieden werden. Im Gegensatz dazu muss sich bei einem herkömmlichen Zahnstangen-Ritzel-System ein Ritzelzahn von einer Seite eines Zahnstangenzahns lösen und sofort auf die nächste Seite des Zahns weiterwandern.

Ein Rollenritzel flankiert verschiedene Zähne gleichzeitig, überspannt eine Seite eines Zahns und sorgt für Spielraum mit einer anderen. Es ist kein zweites Ritzel erforderlich, um dem ersten entgegenzuwirken. Ein Ritzel überträgt präzise die erforderliche Drehmomentkapazität.

Konstruktionen auf Rollenritzelbasis verlängern zudem die Lebensdauer und reduzieren den Wartungsaufwand. Bei langsameren Anwendungen kann das System ohne Schmierung laufen. Herkömmliche Zahnstangen verschleißen mit der Zeit und erfordern eine Kompensation der Positionsgenauigkeit und des Drehmoments, aber Rollenritzel behalten die Genauigkeit bei. Die Ritzel beider Bauarten müssen regelmäßig ausgetauscht werden, aber zumindest im Vergleich zu Doppelritzeln sind die Gesamtkosten für den Austausch eines Rollenritzels geringer.

Anwendungsbeispiele
Denken Sie an die Herstellung großer Flugzeugrumpfplatten. Diese Anwendung kann bei Maschinen im Gantry-Stil einen langen Verfahrweg und eine hohe Präzision erfordern. Rollen-Ritzel-Antriebe sorgen für eine präzise lineare Positionierung über diese langen Distanzen.

Im Gegensatz dazu kann die Positionsgenauigkeit herkömmlicher Zahnstangen und Ritzel aufgrund von Spielanforderungen unzureichend sein. Ein minimaler Abstand gewährleistet die Genauigkeit über kurze Verfahrwege, die Konstruktion kann jedoch über große Entfernungen teuer in der Herstellung und Installation sein. Ein Doppelritzelsystem (mit zwei gegeneinander vorgespannten Ritzeln) kann ebenfalls implementiert werden, ist jedoch kostspielig und berücksichtigt in der Regel auch nicht das variierende Spiel, das über große Entfernungen auftritt.

Eine weitere häufige Verwendung eines Doppelritzelsystems ist die Positionierung eines Schneidkopfes in einer Glasfaserfräsmaschine. Während der Doppelritzelantrieb bei dieser Anwendung zunächst gut funktioniert, kann die Kombination aus Glasfaserstaub und ständiger Gleitreibung durch das Gegenritzel zu vorzeitigem Verschleiß führen. Durch den Einsatz eines Rollen-Ritzel-Systems, das das Rollen statt Gleiten nutzt, kann die Lebenserwartung um 300 % oder mehr erhöht werden.

Mit einer rotatorischen Variante des Rollen-Ritzel-Systems ist auch eine mehrachsige Positionierung möglich. Dabei sind mehrere Ritzel (die sich alle unabhängig voneinander bewegen) an einem Zahnrad montiert. Die Konstruktion benötigt weniger Platz als die in diesen Anwendungen manchmal verwendeten Doppelritzelantriebe.