Lineartechnik vergleichen: Kugelgewindetrieb, Zahnstange und Riemen gegenüberstellen

Das Wichtigste auf einen Blick

• Kugelgewindetriebe sind erste Wahl bei Wegen bis etwa 3000 mm, hoher Steifigkeit und Wiederholgenauigkeiten von ±5 bis ±20 µm.
• Zahnstangenantriebe tragen Verfahrwege über 3000 mm, erreichen 1,0 bis 3,0 m/s und kosten ab etwa 5000 Euro netto.
• Zahnriemenachsen sind die günstigste und schnellste Bauart, liegen bei der Steifigkeit aber deutlich hinten.
• Die Genauigkeitsklassen für Kugelgewindetriebe regelt DIN ISO 3408-3 mit den Stufen 1, 2, 3, 4, 5, 7 und 10.
• Bei 2000 mm Verfahrweg und ±50 µm führen die Rechenwerte zu Kugelgewindetrieb oder Zahnstange, nicht zum Riemen.

Drei Antriebsprinzipien, drei Fehlerquellen

Wer eine Linearachse auslegt, entscheidet zuerst über den Verfahrweg und danach über Dynamik und Genauigkeit. Kugelgewindetrieb, Zahnstange und Zahnriemen decken unterschiedliche Bereiche dieses Feldes ab. Sie sind keine austauschbaren Varianten derselben Lösung.

Der Kugelgewindetrieb wandelt die Drehbewegung eines Servomotors über Wälzkörper in eine Linearbewegung um. Zwischen Spindel und Muttergehäuse laufen Kugeln. Steigung und Vorspannung bestimmen Vorschub pro Umdrehung und axiale Steifigkeit.

Der Zahnstangenantrieb überträgt das Drehmoment über ein Ritzel auf eine Zahnstange. Meist sitzt ein Planetengetriebe zwischen Motor und Ritzel, weil die Verzahnung hohe Kräfte bei kleiner Drehzahl führt. Die Übersetzung bestimmt Moment und Auflösung.

Der Zahnriemenantrieb zieht den Schlitten über einen gezahnten Riemen zwischen zwei Scheiben. Diese Bauart braucht wenige präzise Bauteile und kommt mit einer einfachen Konstruktion aus. Der Riemen ist das nachgiebigste Glied der Kette.

Daraus ergeben sich drei verschiedene Fehlerquellen. Beim Kugelgewindetrieb sind es Spindellänge, Vorspannung und kritische Drehzahl. Beim Zahnstangenantrieb dominieren Getriebespiel und Verzahnungssteifigkeit. Beim Riemen begrenzt die Riemendehnung die erreichbare Genauigkeit.

Alle drei Bauarten lassen sich mit Profilschienenführungen, Rollenführungen oder Gleitführungen kombinieren. Das Führungssystem trägt einen Teil der Gesamtgenauigkeit. Die Antriebsart bleibt aber das Bauteil, das Verfahrweg und Dynamik begrenzt.

Auch die Einbaulage wirkt auf die Auswahl. Hängende Achsen belasten Kugelgewindetriebe anders als liegende Achsen. Bei senkrechtem Einbau müssen Motorhaltebremse oder eine Selbsthemmung des Getriebes die Last sichern.

Sinnvoll ist deshalb diese Reihenfolge: Aufgabe beschreiben, Antriebsart wählen, Führung festlegen, Angebote einholen. Lastmasse, Verfahrweg, Taktzeit und zulässige Abweichung gehören in die Aufgabenbeschreibung. Kataloge kommen erst danach ins Spiel.

Die Kennwerte im Direktvergleich

Die folgende Tabelle fasst Richtwerte zusammen, wie sie in Auslegungen des Sondermaschinenbaus üblich sind. Die Werte sind Orientierungen und keine Zusagen. Im Zweifel gilt das Datenblatt des gewählten Produkts.

Kriterium	Kugelgewindetrieb	Zahnstangenantrieb	Zahnriemenantrieb
Verfahrweg	100 bis 3000 mm, gestützt bis 6000 mm	1000 bis 20000 mm und mehr	300 bis 3000 mm, gestützt bis 6000 mm
Geschwindigkeit	0,3 bis 1,0 m/s, bis 1,5 m/s	1,0 bis 3,0 m/s, bis 5,0 m/s	1,0 bis 5,0 m/s
Wiederholgenauigkeit	±5 bis ±20 µm	±20 bis ±100 µm	±50 bis ±200 µm
Steifigkeit	hoch, über Vorspannung einstellbar	hoch, durch Getriebe begrenzt	niedrig, riemenelastisch
Preis netto je Achse	1500 bis 8000 Euro	5000 bis 25000 Euro	800 bis 5000 Euro

Die Spannen sind bewusst weit gefasst. Eine Riemenachse für 800 Euro netto und eine für 5000 Euro netto unterscheiden sich in Führung, Riemenvorspannung, Messsystem und Steifigkeit erheblich. Der Preis allein sagt über die Eignung wenig aus.

Entscheidend ist die Kombination der Kennwerte. Ein Antrieb mit hoher Endgeschwindigkeit und geringer Steifigkeit eignet sich für Positionieraufgaben ohne Prozesskraft. Wo während der Bewegung gearbeitet wird, entscheidet die Steifigkeit über die Oberflächenqualität.

Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Streuung bei wiederholter Anfahrt derselben Position. Sie ist nicht mit der Positioniergenauigkeit über den gesamten Verfahrweg gleichzusetzen. Diese Unterscheidung erklärt viele Abweichungen zwischen Katalogwert und realer Anlage.

Alle Werte gelten für saubere, trockene Umgebungen und für Achsen mittlerer Baugröße. Staub, Kühlmittel und Temperaturschwankungen verschieben die erreichbaren Werte nach unten. Die Umgebung gehört deshalb in jede Auslegung.

Verfahrweg: wo die Millimetergrenzen liegen

Der Verfahrweg ist das erste Ausschlusskriterium. Kugelgewindetriebe sind wirtschaftlich bis etwa 3000 mm. Darüber steigen Spindeldurchmesser und Lageraufwand überproportional, weil Durchbiegung und kritische Drehzahl die Auslegung bestimmen.

Mit einer zusätzlichen Stützlagerung oder einer gegensinnig gelagerten Spindel lassen sich Kugelgewindetriebe auch auf 6000 mm bringen. Solche Lösungen sind Sonderbauformen. Sie kosten mehr und sind in der Instandhaltung aufwendiger.

Zahnstangenantriebe kennen praktisch keine Weggrenze. Die Zahnstange wird modular aneinandergereiht, für große Verfahrwege gibt es geschliffene oder gehärtete Ausführungen. Portale mit 20 m Verfahrweg und mehr sind mit dieser Technik Stand der Technik.

Zahnriemenachsen liegen typisch zwischen 300 mm und 3000 mm. Bei längeren Wegen muss der Riemen im Leertrum abgestützt werden, sonst schwingt er und die Positionierung wird unsicher. Eigenfrequenz und Dehnung wachsen mit der Länge.

Bei sehr kurzen Hüben unter 100 mm ist der Kugelgewindetrieb oft überdimensioniert. Hier reichen kompakte Lineareinheiten mit kleiner Steigung. Der Aufwand für Lagerung, Schmierung und Abdeckung wäre sonst größer als der Nutzen.

Ein Punkt wird häufig übersehen: Der Verfahrweg in der Zeichnung ist nicht der Verfahrweg der Achse. Endlagenpuffer, Schalter und Kabelketten brauchen Platz. Die nutzbare Länge liegt deshalb oft 50 bis 150 mm unter dem Hub der Achse.

Auch die Umgebung wirkt auf die Weggrenze. In Nassbereichen oder in der Lebensmittelproduktion fallen geschmierte Kugelgewindetriebe und Zahnstangen aus. Dort führen Riemenachsen mit Gleitführung oder Edelstahlführungen zu robusteren Lösungen.

Geschwindigkeit und Beschleunigung

Bei der Geschwindigkeit trennt sich die Zahnstange vom Kugelgewindetrieb. Kugelgewindetriebe laufen typisch mit 0,3 bis 1,0 m/s. Mit großer Steigung und passender Lagerung sind bis etwa 1,5 m/s erreichbar.

Zahnstangenantriebe erreichen 1,0 bis 3,0 m/s im Normalbetrieb. Mit Servomotor und abgestimmtem Getriebe sind bis etwa 5,0 m/s möglich. Begrenzend wirkt meist nicht die Verzahnung, sondern die Motorauslegung.

Zahnriemenachsen liegen bei 1,0 bis 5,0 m/s und sind damit die schnellste der drei Bauarten. In Handlingsystemen werden höhere Werte gefahren. Die Positioniergenauigkeit leidet, wenn kein Linearmaßstab mitläuft.

Geschwindigkeit ohne Beschleunigung nützt wenig. Beschleunigungen von 5 m/s² sind bei Zahnstange und Riemen üblich. Kugelgewindetriebe erreichen bei kurzen Hüben ähnliche Werte, verlieren bei langen Spindeln aber wegen der Massenträgheit.

Für die Taktzeit zählt die Summe aus Beschleunigungs-, Konstantfahr- und Verzögerungszeit. Wer nur Endgeschwindigkeiten vergleicht, plant zu optimistisch. Bei kurzen Hüben dominiert die Beschleunigung, bei langen Wegen die Endgeschwindigkeit.

Riemenantriebe verzeihen hohe Beschleunigungen besser als Kugelgewindetriebe, weil keine rotierende Spindel mitbeschleunigt wird. Bei langen Kugelgewindetrieben geht ein erheblicher Teil des Motormoments in die Spindelmasse.

Für die Auslegung reicht eine einfache Rechnung. Teilen Sie den Verfahrweg in Beschleunigungs-, Fahr- und Verzögerungsanteil. Der Beschleunigungsweg ergibt sich aus dem Quadrat der Geschwindigkeit geteilt durch die doppelte Beschleunigung.

Steifigkeit und Wiederholgenauigkeit: was DIN ISO 3408 festlegt

Steifigkeit entscheidet dort, wo während der Bewegung eine Kraft wirkt. Beim Fräsen, Schleifen oder Dosieren darf die Achse nicht nachgeben. Ein Kugelgewindetrieb erreicht mit vorgespannten Muttern die höchsten Werte.

Zahnstangenantriebe sind in der Verzahnung steif. Das vorgeschaltete Planetengetriebe bringt jedoch Verdrehspiel und eine endliche Verdrehsteifigkeit ein. Diese Nachgiebigkeit wirkt sich über den Ritzelradius direkt als Wegdifferenz aus.

Riemenantriebe sind die nachgiebigste Bauart. Die Riemendehnung wächst mit der Zugkraft und mit der freien Riemenlänge. Zahnriemen mit Stahl- oder Aramidzugstrang sind steifer, verlieren bei Umlenkung aber an Dauerfestigkeit.

Die Wiederholgenauigkeit liegt beim Kugelgewindetrieb typisch bei ±5 bis ±20 µm. Zahnstangenantriebe mit vorgeschaltetem Getriebe liegen ohne zusätzliches Messsystem bei ±20 bis ±100 µm. Riemenachsen erreichen üblich ±50 bis ±200 µm.

Genauigkeit lässt sich mit einem Linearmaßstab verbessern. Der Maßstab misst die Position am Schlitten, nicht an der Motorwelle. Damit verschwinden Spindelfehler, Getriebespiel und Riemendehnung aus der Regelstrecke. Die Mechanik muss aber rückführbar bleiben.

Für Kugelgewindetriebe ist die Bewertung normiert. DIN ISO 3408-1 legt Begriffe und Nomenklatur fest, Teil 2 die Nennmaße. Teil 3 regelt Annahmebedingungen und Genauigkeitsklassen, in die ein Gewindetrieb eingeordnet wird.

DIN ISO 3408-3 nennt die Genauigkeitsklassen 1, 2, 3, 4, 5, 7 und 10. Klasse 1 ist die genaueste Stufe. Die Klasse beschreibt die zulässige Abweichung des Verfahrwegs über die Nutzlänge, nicht die Wiederholgenauigkeit.

Wer die Norm kennt, fragt im Angebot nach der Klasse und nach dem Messprotokoll. Ohne diese Angabe bleibt die Genauigkeit eine Behauptung. Das gilt besonders bei Sonderlängen, weil sich Fehler über den Verfahrweg summieren.

Die Regeln zur Entstehung und Geltung von DIN-Normen sind öffentlich beschrieben. Zuständig für mechanische Antriebselemente ist der Normenausschuss Maschinenbau, in dem Hersteller und Anwender gemeinsam arbeiten.

Genauigkeitsklassen sagen nichts über die Lebensdauer. Vorspannung, Schmierung und Schutz gegen Späne bestimmen, ob die Klasse über Jahre gehalten wird. Prüfen Sie deshalb auch die Abdichtung und die Nachschmiermöglichkeit.

Baureihen von Bosch Rexroth, THK, Ewellix und igus

Der Markt für Lineartechnik ist breit. Vier Anbieter tauchen in Ausschreibungen des Sondermaschinenbaus immer wieder auf. Sie setzen unterschiedliche Schwerpunkte.

Bosch Rexroth liefert Kugelgewindetriebe, Profilschienenführungen und montagefertige Linearachsen aus einer Hand. Das Produktprogramm für Linearachsen und Kugelgewindetriebe enthält auch Antriebsregler und Auslegungswerkzeuge. Für Projektleiter ist das interessant, weil Mechanik und Regelung aufeinander abgestimmt sind.

THK gilt als Pionier der Lineartechnik und hat die Profilschienenführung in ihrer heutigen Form wesentlich geprägt. Die Produktübersicht zu Linearführungen und Kugelgewindetrieben umfasst die Reihen HSR und SHS für Führungen sowie Kugelgewindetriebe und kompakte Aktuatoren der Reihe KR.

Ewellix ist aus der Lineartechnik von SKF hervorgegangen und gehört heute zu Schaeffler. Das Programm reicht von Kugelgewindetrieben über Linearmodule bis zu elektromechanischen Zylindern. Die Produktdaten zu Linearachsen und Kugelgewindetrieben richten sich an Maschinenbauer, die komplette Einheiten einkaufen wollen.

igus aus Köln verfolgt einen anderen Ansatz. Die drylin-Reihe arbeitet mit Polymer-Gleitführungen, die ohne zusätzliche Schmierung laufen. Zahnriemenachsen und Lineartische dieser Familie sind auf mittlere Genauigkeit und hohe Taktzahlen ausgelegt und liegen preislich unter den Wälzführungssystemen.

Für die Auswahl heißt das: Wer Normteile mit vollständigen Datenblättern und gesicherter Ersatzteilversorgung braucht, greift zu den klassischen Lineartechnikherstellern. Wer Kosten und Lieferzeit priorisiert, findet bei den Polymer- und Aluminiumsystemen passende Achsen.

Ein Hinweis zur Angebotsanfrage: Nennen Sie Verfahrweg, Nutzlast, Beschleunigung, geforderte Wiederholgenauigkeit und Umgebung. Ohne diese fünf Angaben liefern alle Anbieter Kataloglösungen. Mit diesen Angaben erhalten Sie vergleichbare Angebote.

Preisspannen netto und Betriebskosten

Die Preise unterscheiden sich weniger nach der Antriebsart als nach Führung, Messsystem und Stückzahl. Als Orientierung netto, ohne Mehrwertsteuer, für eine einbaufertige Achse mittlerer Baugröße gelten die folgenden Spannen.

Riemenachsen kosten je nach Länge und Führung etwa 800 bis 5000 Euro netto. Kurze Einheiten mit Aluminiumprofil und Gleitführung liegen am unteren Rand, Ausführungen mit Profilschienenführung, Linearmaßstab und geschlossener Abdeckung am oberen.

Kugelgewindeachsen liegen bei etwa 1500 bis 8000 Euro netto. Ein einzelner Kugelgewindetrieb ohne Führung kostet je nach Durchmesser und Klasse etwa 200 bis 2000 Euro netto. Länge, Vorspannung und Genauigkeitsklasse bestimmen den Preis.

Zahnstangenachsen sind die teuerste Bauart. Für eine komplette Achse mit Getriebe, Ritzel, Führung und Abdeckung sind etwa 5000 bis 25000 Euro netto zu rechnen. Die Zahnstange selbst kostet je Meter etwa 100 bis 400 Euro netto.

Die Spannen gelten für Einzelstücke. Bei Serien mit zehn oder mehr gleichartigen Achsen sinken die Preise deutlich, weil Fertigung und Montage planbarer werden. Bei Sonderlängen und geschliffenen Zahnstangen bleibt der Einfluss der Stückzahl kleiner.

Betriebskosten verschieben das Bild. Geschmierte Kugelgewindetriebe und Zahnstangen brauchen Schmierstoff, Dichtungen und Wartungsintervalle. In Reinräumen und in der Lebensmittelproduktion verursacht der Schmierstoff zusätzlichen Aufwand.

Riemenachsen sind wartungsarm, aber der Riemen ist ein Verschleißteil. Ein Riementausch nach einigen tausend Betriebsstunden ist einzuplanen. Kugelgewindetriebe und Zahnstangen halten bei richtiger Auslegung länger, kosten in der Anschaffung aber mehr.

Rechnen Sie die Kosten über die geplante Nutzungsdauer, nicht nur über den Einkaufspreis. Eine um 2000 Euro teurere Achse, die zwei Stillstände weniger verursacht, ist meist die günstigere Wahl. Die Stillstandskosten kennen nur Sie, nicht der Lieferant.

Rechenbeispiel: Portalachse mit 2000 mm Verfahrweg

Das folgende Rechenbeispiel ist eine überschlägige Auslegung und keine verbindliche Auslegung. Es zeigt, wie sich die drei Antriebe bei gleicher Aufgabe unterscheiden.

Angenommen wird eine Portalachse mit 2000 mm Verfahrweg, 50 kg bewegter Masse, 1,0 m/s Endgeschwindigkeit und 5 m/s² Beschleunigung. Gefordert sind ±0,05 mm Wiederholgenauigkeit, also ±50 µm.

Der Beschleunigungsweg ergibt sich aus dem Quadrat der Geschwindigkeit geteilt durch die doppelte Beschleunigung. Bei 1,0 m/s und 5 m/s² sind das 100 mm. Beschleunigung und Verzögerung dauern je 0,2 s, der Restweg von 1800 mm braucht 1,8 s.

Ein Hub dauert damit 2,2 s. Die Beschleunigungskraft beträgt bei 50 kg und 5 m/s² rund 250 N. Mit 100 N Reibung und Vorspannkraft ergibt sich eine Auslegungskraft von etwa 350 N.

Beim Kugelgewindetrieb mit 20 mm Steigung dreht der Motor für 1,0 m/s mit 3000 Umdrehungen pro Minute. Diese Drehzahl liegt bei 2000 mm freier Spindellänge über der kritischen Drehzahl. Überschlägig nach der Euler-Formel sind bei beidseitiger Einspannung nur etwa 1700 Umdrehungen pro Minute zulässig.

Die Lösung ist eine Spindel mit 40 mm Durchmesser oder eine größere Steigung. Das Motormoment bleibt mit etwa 1,3 Nm überschaubar, aber Durchmesser, Massenträgheit und Preis der Spindel steigen deutlich.

Beim Zahnstangenantrieb mit Ritzelteilkreis 60 mm und Getriebeübersetzung 10 liefert der Motor rund 1,2 Nm. Die Achse ist für 2000 mm Verfahrweg unkritisch, kostet aber etwa 12000 Euro netto.

Beim Riemenantrieb ohne Übersetzung müsste der Motor bei gleicher Scheibe etwa 10 Nm aufbringen. Das erfordert einen deutlich größeren Motor. Die geforderten ±50 µm liegen zudem an der Grenze der Bauart.

Das Ergebnis für diese Aufgabe: Kugelgewindetrieb oder Zahnstange. Der Kugelgewindetrieb liegt bei etwa 3000 bis 6000 Euro netto, die Zahnstangenachse darüber. Der Riemen scheidet aus, wenn die Genauigkeit über Jahre gehalten werden muss.

Auswahl in fünf Schritten

1. Verfahrweg festlegen: Notieren Sie den nutzbaren Hub und rechnen Sie Endlagenpuffer, Schalter und Kabelkette hinzu. Wege über 3000 mm schließen den Kugelgewindetrieb in der Standardausführung meist aus.
2. Taktzeit rechnen: Bestimmen Sie Beschleunigungs-, Fahr- und Verzögerungszeit. Ein Vergleich der Endgeschwindigkeit allein führt zu Fehlentscheidungen.
3. Genauigkeit aufteilen: Trennen Sie Wiederholgenauigkeit und Positioniergenauigkeit. Prüfen Sie, ob ein Linearmaßstab die Anforderung erst möglich macht.
4. Prozesskräfte prüfen: Klären Sie, ob während der Bewegung eine Kraft wirkt. Prozesskräfte verlangen Steifigkeit und damit Kugelgewindetrieb oder Zahnstange.
5. Umgebung bewerten: Prüfen Sie Schmierung, Reinraum und Reinigungsmittel. Danach fällt die Entscheidung zwischen Wälzführung, Zahnstange und Polymer-Gleitführung.

Häufige Fragen

Ab welchem Verfahrweg lohnt sich ein Zahnstangenantrieb?

Ab etwa 3000 mm wird der Kugelgewindetrieb unwirtschaftlich, weil Spindeldurchmesser und Lagerung aufwendig werden. Zahnstangenantriebe sind dort im Vorteil. Zahnriemenachsen bleiben bis etwa 3000 mm eine Alternative, abgestützt bis 6000 mm. Darüber bleibt praktisch nur die Zahnstange.

Wie genau ist eine Zahnriemenachse?

Üblich sind ±50 bis ±200 µm Wiederholgenauigkeit. Mit Linearmaßstab und straffer Riemenvorspannung sind bessere Werte erreichbar. Entscheidend ist die Riemendehnung unter Last, nicht der Katalogwert im Leerlauf.

Was regelt DIN ISO 3408 genau?

Die Normenreihe behandelt Kugelgewindetriebe. Teil 1 definiert Begriffe und Nomenklatur, Teil 2 die Nennmaße, Teil 3 die Annahmebedingungen mit den Genauigkeitsklassen 1, 2, 3, 4, 5, 7 und 10. Für Zahnstangen und Riemen gilt sie nicht.

Wann ist ein Linearmotor die bessere Wahl?

Ein Linearmotor bietet hohe Dynamik und Steifigkeit ohne Spindel. Er ist sinnvoll bei kurzen bis mittleren Wegen mit hoher Taktzahl und in Anlagen, die keine Schmierstoffe vertragen. Preis und Aufwand für Kühlung und Regelung liegen höher.

Woran erkennt man ein unvollständiges Angebot?

Fehlen Angaben zu Genauigkeitsklasse, Führung, Vorspannung und Umgebung, ist das Angebot nicht vergleichbar. Auch das Messprotokoll für Kugelgewindetriebe sollte genannt sein. Fordern Sie die fehlenden Punkte schriftlich nach.