Es gibt zahlreiche Unterschiede zwischen herkömmlichen Zahnstangen- und Ritzel-Doppelantrieben, Konstruktionen auf Basis geteilter Ritzel und Rollenritzelsystemen.

Von der Luft- und Raumfahrt über den Werkzeugmaschinenbau und Glasschneiden bis hin zur Medizintechnik und vielen weiteren Bereichen sind Fertigungsprozesse auf eine zuverlässige Bewegungssteuerung angewiesen. Verschiedene servogesteuerte Linearantriebssysteme liefern die für diese Anwendungen erforderliche Geschwindigkeit und Präzision.
Eine gängige Konfiguration kombiniert Servosteuerungen mit einer herkömmlichen Zahnstangen-Ritzel-Verzahnung. Letztere kann Spiel zwischen Zahnstange und Zahnradzähnen erfordern, um Klemmen und übermäßigen Verschleiß zu vermeiden. Andernfalls können Umgebungsänderungen (z. B. eine Temperaturänderung von 10°) das System blockieren, da sich die Zahnräder ausdehnen. Spiel hingegen führt zu Spiel, was einem Fehler gleichkommt.

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

Eine Variante dieser Idee ist die Verwendung eines geteilten Ritzels. Dabei wird ein Ritzel in der Mitte durchgeschnitten, wobei eine Feder zwischen den beiden Hälften 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 geteiltes Ritzel Spiel und Fehler.

Da nur die Hälfte des Ritzels Arbeit verrichtet, während die andere Hälfte die Steuerung übernimmt, ist die Drehmomentkapazität begrenzt. Da die Antriebsdynamik die Federkraft überwinden muss, kommt es zudem zu Bewegungsverlusten, die die Gesamteffizienz mindern. Bei beschleunigter Bewegung kann die Feder zudem leicht nachgeben, was die Bewegungsgenauigkeit beeinträchtigt. Wird das Ritzel schließlich für einen Vorgang, beispielsweise Bohren, angehalten, kann sich das Federsystem im Ritzel leicht biegen, anstatt starr zu bleiben.

Eine weitere Möglichkeit zur Spielkorrektur besteht in einem Doppelritzelsystem. Dabei bewegen sich zwei separate Ritzel entlang derselben Zahnstange. Die Ritzel agieren nach dem Master-Slave-Prinzip: Das führende Ritzel (Master) positioniert, das zweite Ritzel (Slave) gleicht das Spiel aus. Ritzel werden üblicherweise elektronisch gesteuert, um die Genauigkeit zu gewährleisten und den Systemverschleiß durch Anpassung der Steuerungseinstellungen auszugleichen.

Wo liegt der Haken? Doppelritzelsysteme können kostspielig sein, da Konstrukteure in der Regel einen zweiten Motor, ein Ritzel und ein Getriebe anschaffen müssen. Auch der Platzbedarf erhöht sich: Ein zweiter Motor erfordert mehr Länge für den Antrieb. Soll das Motion-Control-System beispielsweise einen Meter hin- und herfahren, ist eine Zahnstangenlänge von 1,2 bis 1,3 Metern erforderlich, um das zweite Ritzel unterzubringen, das 200 bis 300 Millimeter hinter dem ersten läuft. Schließlich sind die Kosten für den Antrieb zweier Motoren über einen typischen Lebenszyklus von fünf bis zehn Jahren erheblich.

Der spielfreie Betrieb von Rollen-Ritzel-Antrieben eignet sich für Anwendungen mit großem Hub, wie beispielsweise bei dieser Oberfräse.
Eine weitere Option: Rollenritzel
Die Rollenritzeltechnologie umfasst ein Ritzel aus lagergestützten Rollen, die in eine Zahnstange mit individuellem Zahnprofil eingreifen. Zwei oder mehr Rollen sind stets gegenüberliegend mit den Zähnen der Zahnstange verbunden und erzielen so eine höhere Genauigkeit als bei geteilten Ritzel- und Ritzelantrieben: Kurz gesagt: Jede Rolle nähert sich tangential jeder Zahnfläche und rollt dann an der Fläche entlang. Dies gewährleistet einen reibungsarmen Betrieb mit einer Effizienz von über 99 % bei der Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung.

Das Rollenritzel besteht aus gelagerten Rollen, die in ein individuelles Zahnprofil eingreifen.
Die Konstruktion verfügt über keine Feder, die zusammenbrechen und die Genauigkeit beeinträchtigen könnte, und es geht keine Effizienz durch die Überwindung einer Federkraft verloren. Darüber hinaus benötigt die Rollenbewegung kein Spiel, wodurch Spiel und Fehler vermieden werden. Im Gegensatz dazu muss bei einem herkömmlichen Zahnstangen-Ritzel-System ein Ritzelzahn von einer Seite eines Zahnstangenzahns abstoßen und sofort auf die nächste Seite des Zahns übergehen.

Ein Rollenritzel flankiert gleichzeitig verschiedene Zähne, indem es eine Seite eines Zahns überspannt und Spiel zu einer anderen Seite schafft. Es ist kein zweites Ritzel erforderlich, um dem ersten entgegenzuwirken; ein Ritzel überträgt präzise das erforderliche Drehmoment.

Rollenritzel-basierte Konstruktionen 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 einen Ausgleich für Positionsgenauigkeit und Drehmoment, während Rollenritzel die Genauigkeit gewährleisten. Die Ritzel beider Konstruktionen müssen regelmäßig ausgetauscht werden, doch zumindest im Vergleich zu Doppelritzeln sind die Gesamtkosten für den Austausch eines Rollenritzels geringer.

Anwendungsbeispiele
Denken Sie an die Produktion großer Flugzeugrumpfteile. Diese Anwendung erfordert oft lange Verfahrwege und hohe Präzision bei Portalmaschinen. Rollenritzelantriebe ermöglichen eine präzise lineare Positionierung über diese langen Distanzen.

Im Gegensatz dazu kann die Positionsgenauigkeit herkömmlicher Zahnstangen und Ritzel aufgrund der Spielanforderungen unzureichend sein. Minimales Spiel gewährleistet zwar die Genauigkeit über kurze Verfahrwege, die Herstellung und Installation dieser Konstruktion kann jedoch über lange Distanzen teuer sein. Ein Doppelritzelsystem (mit zwei gegeneinander vorgespannten Ritzeln) ist zwar ebenfalls realisierbar, ist jedoch kostspielig und berücksichtigt in der Regel auch nicht die über lange Distanzen auftretenden Spielunterschiede.

Ein weiteres häufiges Anwendungsgebiet eines Doppelritzelsystems ist die Positionierung eines Schneidkopfes in einer Glasfaser-Fräsmaschine. Obwohl der Doppelritzelantrieb hier zunächst gut funktioniert, kann die Kombination aus Glasfaserstaub und ständiger Gleitreibung des gegenüberliegenden Ritzels zu vorzeitigem Verschleiß führen. Durch den Einsatz eines Rollenritzelsystems, das Rollen statt Gleiten nutzt, lässt sich die Lebensdauer um 300 % oder mehr erhöhen.

Eine rotierende Variante des Rollen-Ritzel-Systems kann auch zur mehrachsigen Positionierung eingesetzt werden. Dabei sind mehrere Ritzel (alle unabhängig voneinander beweglich) auf einem Zahnrad montiert. Diese Konstruktion benötigt weniger Platz als die in diesen Anwendungen teilweise eingesetzten Doppelritzelantriebe.