Wie Sie ein Schwenkantriebssystem auswählen: Drehmoment, Last, Übersetzungsverhältnis und Spiel

Ein Schwenkantrieb (auch bezeichnet als Schwenkantrieb) ist eine integrierte Lager- und Getriebeeinheit, die eine Last dreht und dabei Axialkraft, Radialkraft sowie Kippmoment aufnimmt. Das Getriebe eines Schwenkantriebs erfüllt zwei Aufgaben gleichzeitig: Es überträgt das Drehmoment und nimmt die Lagerlasten auf.

Die Auswahl erfordert daher mehr als den Abgleich des Motordrehmoments mit einer Katalognummer.

Eine hohe Drehmomentangabe kann eine unzureichende Lagertragfähigkeit nicht ausgleichen. Eine grundlegende Einführung in die Konstruktion finden Sie unter was ein Schwenkantrieb ist.

Beginnen Sie mit dem Lastfall, nicht mit der Teilenummer

Ein häufiger Auslegungsfehler besteht darin, nur den höchsten Drehmomentwert jeder Katalogzeile zu vergleichen. Gehen Sie stattdessen von der Maschine aus.

Fassen Sie Normalbetrieb, Not-Stopp, Windereignisse und stationäres Halten als getrennte Lastfälle auf. Das höchste Drehmoment und das höchste Kippmoment können zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftreten.

Ausgangsdrehmoment berechnen

Bei einer tangentialen Kraft, die an einem senkrechten Hebelarm angreift, T = F × r. Eine Kraft von 2.000 N bei 0,5 m ergibt 1.000 N·m.

Die Beschleunigung erhöht T_acc = J × α, wobei J das Massenträgheitsmoment um die Rotationsachse (kg·m²) und α die Winkelbeschleunigung (rad/s²) ist. Bei J = 500 kg·m² und α = 0.2 rad/s², ergibt sich aus der Beschleunigung zusätzlich 100 N·m. Wirkt gleichzeitig ein Gegenmoment von 1.000 N·m, beträgt der vereinfachte Bedarf 1.100 N·m.

Bei einer realen Maschine ist das vollständige Drehmoment-Zeit-Profil zu bewerten. Vergleichen Sie den Dauerbetrieb mit der Nennbelastbarkeit des Herstellers und kurze Transienten mit der jeweils zulässigen Spitzenbelastbarkeit. Berücksichtigen Sie den vom Hersteller angegebenen Betriebs- oder Anwendungsfaktor soweit angegeben; ein allgemeingültiger Faktor ist für keinen Schwenkantrieb und keinen Lastzyklus gleichermaßen geeignet. Eine ausführlichere Erläuterung zu Anfahr- und Betriebsmomenten finden Sie unter Berechnungen des Drehmoments von Schwenklagern.

Lagerbelastungen separat prüfen

• Axialkraft (Fₐ) wirkt entlang der Drehachse. Ein senkrecht montiertes Lager, das eine Masse von 1.000 kg trägt, nimmt etwa 9,81 kN aus der Gewichtskraft auf, sofern es das gesamte Gewicht trägt.

• Radialkraft (Fᵣ) wirkt senkrecht zur Drehachse. Häufige Ursachen sind Wind- und seitliche Maschinenkräfte.

• Kippmoment (M) wirkt um eine zur Drehachse quer verlaufende Achse. Bei einer senkrechten Kraft und einem Hebelarm gilt: M = F × e.

• Abtriebsdrehmoment (T) wirkt um die Drehachse und treibt die Schwenkbewegung an oder wirkt ihr entgegen.

Drehmoment und Kippmoment haben zwar die Einheit N·m, belasten jedoch unterschiedliche Bereiche der Baugruppe. Ein Antrieb kann ausreichend Drehmoment übertragen und dennoch die zulässige Kombinationsbelastung des Lagers überschreiten.

Prüfen Sie gleichzeitig auftretende axiale Kraft, radiale Kraft und Kippmoment anhand der kombinierten Lastkurve des jeweiligen Modells oder der vom Hersteller freigegebenen Berechnung. Auf den Produktseiten von LILY Bearing wird dies als Grenzlastdiagramm dargestellt: das äquivalente Kippmoment über der äquivalenten Axiallast, ergänzt um eine Schraubenkennlinie und eine Laufbahnkennlinie. Statische Tragzahl, dynamische Tragfähigkeit und Ermüdungslebensdauer beziehen sich auf unterschiedliche Versagensmechanismen; ein hoher Katalogwert allein sagt daher nichts über eine zulässige Einsatzdauer aus.

Das Grenzlastdiagramm eines Herstellers ist modellspezifisch. Seine Achsen können äquivalente Lasten sowie Annahmen zu Radialkraft, Schraubenbelastung und Einbausteifigkeit zugrunde legen. Überführen Sie jeden realen Lastfall zunächst nach der angegebenen Methode, bevor Sie ihn mit dem zulässigen Arbeitsbereich vergleichen; tragen Sie axiale Kraft und Kippmoment nicht unmittelbar gegen eine Kennlinie auf, sofern dies in der Dokumentation nicht ausdrücklich vorgesehen ist.

Rechenbeispiel: Das Lager gibt den Ausschlag

Stellen Sie sich eine im Freien eingesetzte Positionierstruktur mit Vertikalachse vor. Sie benötigt 2.000 N·m Abtriebsdrehmoment für die Drehbewegung, und ihr Lager trägt eine 12 kN Axiallast. In einem seitlichen Lastfall wirkt eine einzelne 8 kN große Horizontalkraft . 1,5 m über der Lager-Referenzebene.

Diese eine Kraft erzeugt Fᵣ = 8 kN am Lager sowie ein Kippmoment von M = 8 kN × 1,5 m = 12 kN·m. Eine separate Radiallast ist nicht zusätzlich anzusetzen.

Die Betriebsanforderung von 2.000 N·m lässt sich nicht allein über eine maximale Drehmomentangabe absichern: Zunächst sind Nenndrehmoment, zulässige Spitzendauer und Einschaltdauer des Kandidaten zu prüfen. Unabhängig davon sei angenommen, dass seine herstellerfreigegebene Kombinationslastbewertung unter Berücksichtigung der gleichzeitig wirkenden axialen Kraft von 12 kN, der Radialkraft von 8 kN und des Kippmoments von 12 kN·m ergibt, dass dieser Lastfall die zulässige Grenze überschreitet. Der Kandidat ist dann auch bei ausreichender Drehmomentangabe ungeeignet. Ein höheres Motordrehmoment erhöht die Lagertragfähigkeit nicht. Dieses Beispiel dient der Erläuterung und stellt weder ein Prüfergebnis noch eine Auswahlempfehlung für ein Modell von LILY Bearing dar.

Übersetzungsverhältnis auf Motor und Drehzahl abstimmen

Für das Übersetzungsverhältnis i = n_in / n_out, ergibt ein Eingang von 60 U/min in eine 60:1 -Übersetzung 1 U/min am Ausgang. Der geschätzte stationäre Ausgangsdrehmomentwert lautet T_out = T_in × i × η, wobei η der Wirkungsgrad des Getriebes ist. Bei T_in = 20 N·m, i = 60, und ein beispielhaftes η = 0,45:

T_out = 20 × 60 × 0,45 = 540 N·m

Der Wirkungsgrad von 0,45 ist eine rechnerische Annahme für das gesamte Untersetzungsgetriebe und kein Messwert für einen Antrieb von LILY Bearing. Für die Motorauslegung sind Wirkungsgrad und zulässige Drehzahl am tatsächlichen Betriebspunkt heranzuziehen. Eine Selbsthemmung oder sichere Haltefunktion darf aus dem angenommenen Wirkungsgrad nicht abgeleitet werden; maßgeblich sind die vom Modell veröffentlichten Angaben zum Halteverhalten und zur Rücktreibbarkeit. Ist dies anwendungsbedingt erforderlich, ist eine Bremse oder Arretierung vorzusehen.

Läuft der Motor deutlich schneller als 60 U/min, beispielsweise mit 1.800 U/min, ist ein vorgeschaltetes Getriebe oder eine größere Gesamtübersetzung erforderlich, um eine niedrige Abtriebsdrehzahl zu erreichen. Prüfen Sie dazu die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors, seine thermischen Grenzwerte sowie die zulässige Eingangsdrehzahl des Antriebs. Die Erläuterung zu Übersetzungsverhältnissen im Maschinenbau der UC San Diego behandelt die zugrunde liegenden Zusammenhänge zwischen Drehzahl, Leistung und Drehmoment.

Umkehrspiel und Positionierfehler getrennt spezifizieren

Umkehrspiel ist das durch das Spiel im Zahneingriff verursachte Leerwegverhalten beim Umschalten der übertragenden Drehrichtung. Es ist nur eine Komponente des gesamten Positionierfehlers.

Bei einem Radius von 2 m 0,1° (6 Bogenminuten) entspricht einer Bogenlänge von s = r × θ = 2 × (0,1π/180) ≈ 3,49 mm. Dies ist eine geometrische Umrechnung und kein gemessener Maschinenfehler.

Um Antriebe fair zu vergleichen, sind das zulässige Abtriebs-Umkehrspiel, das Prüfdrehmoment und das Messverfahren anzugeben. Strukturverformung, Lagerspiel, Befestigungssteifigkeit und die Position des Encoders können ebenso entscheidend sein wie der Zahneingriff.

Einsatzfall, Haltefunktion, Schutzart und Lebensdauer prüfen

Bevor Sie die endgültige Teilenummer festlegen, sollten Sie folgende Fragen klären:

• Statische versus dynamische Belastung: Kann das Lager die ungünstigste statische Belastung aufnehmen, und ergibt sich aus dem Betriebseinsatz eine ausreichende Ermüdungslebensdauer?

• Betriebs- und Auslastungsfaktor: Wie häufig startet, stoppt oder reversiert die Einheit, und wie oft treten Stoßbelastungen auf? Berücksichtigen Sie die für das Modell vorgegebenen Einsatzgrenzen und Faktoren.

• Haltefunktion und Rücktrieb: Ist eine Bremse oder eine unabhängige Verriegelung erforderlich? Die Selbsthemmung hängt von Geometrie, Reibung, Schmierung und Verschleiß ab und kann bei Schneckengetrieben nicht pauschal vorausgesetzt werden.

• Schutzart: Welche Belastung durch Staub und Wasser sind für Antrieb, Motor, Dichtungen und Steckverbindungen zu erwarten? Eine IP-Schutzart gilt nur für die Baugruppe oder Komponente, an der sie geprüft wurde; sie lässt sich nicht allein aus einem abgedichteten Gehäuse ableiten.

• Schmierung und Umgebungsbedingungen: Sind Fett, Nachschmierintervall, Temperaturbereich und Korrosionsschutz geeignet?

Schneckengetriebe versus Stirnrad-Schwenkantriebe und die LILY Bearing Serie

Beide Verzahnungsarten werden in Schwenkantrieben eingesetzt. Es handelt sich dabei um allgemeine Konstruktionsmerkmale; die Details sind daher stets anhand der Daten des jeweiligen Modells zu prüfen.

LILY Bearing veröffentlicht die Schneckengetriebe-Baureihen WD-H und WD-L sowie die geradeverzahnten (Stirnrad-)Baureihen SP-H und SP-I. Die folgenden zwei Ausführungen einer verifizierten WD-H-Baugröße verdeutlichen, warum Nenndrehmoment und maximales Drehmoment getrennt betrachtet werden müssen.

Die veröffentlichten Werte für WD-H 0300 sind Katalogangaben und keine Freigabe für einen konkreten Lastfall. Das zugehörige Lagerlastdiagramm sowie die Anforderungen an Montage, Motor, Betrieb und Haltefunktion sind gesondert zu prüfen. Bereichsangaben zum Kippmoment auf Serienebene dürfen nicht als Ersatz für eine modellspezifische kombinierte Lastbewertung verwendet werden. Quelle: Technische Spezifikationen WD-H 0300 / 1 Antrieb.

Der Katalog der WD-H-Serie kennzeichnet diese Ausführungen mit „Self Locking Gears: No“. Wenn eine unbeabsichtigte Drehung ein Sicherheitsrisiko darstellt, ist daher eine passend ausgelegte Bremse oder eine unabhängige Verriegelungslösung zu prüfen, anstatt davon auszugehen, dass die Schneckenverzahnung die Last sicher hält.

Auswahl-Checkliste für Slew Drives für eine Angebotsanfrage

Senden Sie die ausgefüllte Eingabetabelle oben zusammen mit der Montagezeichnung, einem Kraftdiagramm mit den Angriffspunkten der jeweiligen Lasten, der Motorkonfiguration sowie den Umgebungsbedingungen. Für technische Unterstützung bei der Auslegung, kontaktieren Sie uns.

Häufig gestellte Fragen

Kann ein Slew Drive im Dauerbetrieb rotieren?

Ja, sofern das ausgewählte Modell für die jeweilige Drehzahl, Beanspruchung, Temperatur und Schmierung ausgelegt ist. Achten Sie in den technischen Daten des Modells auf eine Auslegung für den Dauerbetrieb; eine Einstufung für intermittierende Positionieraufgaben lässt diesen nicht automatisch zu.

Ist ein Slew Drive dasselbe wie ein Drehlager?

Nein. Ein Drehlager dient der Aufnahme von Drehbewegungen; ein Slew Drive kombiniert das Lager mit einem Antriebsgetriebe, sodass das Drehmoment über den Eingang eingebracht werden kann. Die Begriffe Slew Drive und Slewing Drive bezeichnen dieselbe Bauart.

Kann ein Encoder das Spiel beseitigen?

Nein. Ein Encoder misst die Position. Eine Regelung im geschlossenen Kreis kann einen Teil der reproduzierbaren Bewegungsverluste kompensieren, das mechanische Spiel selbst bleibt jedoch bestehen.