Lineartechnik vergleichen: Kugelgewindetrieb, Zahnstange und Riemen gegenüberstellen

Das Wichtigste auf einen Blick

Kennwerte im Direktvergleich

Die Werte sind Richtwerte für Achsen mittlerer Baugröße. Preise gelten netto je Achse ohne Motor, Steuerung und Messsystem; verbindlich ist das datierte Angebot des Herstellers. Wiederholgenauigkeit meint die Streuung bei wiederholter Anfahrt, nicht die Positioniergenauigkeit über den gesamten Verfahrweg.

Verfahrweg ist das erste Ausschlusskriterium

Kugelgewindetriebe sind bis etwa 3000 mm wirtschaftlich. Darüber steigen Spindeldurchmesser und Lageraufwand, weil Durchbiegung und kritische Drehzahl die Auslegung bestimmen. Gestützte Sonderbauformen bis 6000 mm kosten mehr und sind in der Instandhaltung aufwendiger.

Zahnstangenantriebe kennen praktisch keine Weggrenze: Die Zahnstange wird modular aneinandergereiht, Portale mit 20 m Verfahrweg sind Stand der Technik. Zahnriemenachsen liegen zwischen 300 und 3000 mm; bei längeren Wegen muss das Leertrum abgestützt werden, sonst schwingt der Riemen.

Unter 100 mm Hub ist der Kugelgewindetrieb meist überdimensioniert. Der Verfahrweg der Zeichnung ist zudem nicht der nutzbare Hub, weil Endlagenpuffer, Schalter und Kabelketten 50 bis 150 mm beanspruchen.

Geschwindigkeit, Beschleunigung, kritische Drehzahl

Kugelgewindetriebe laufen typisch mit 0,3 bis 1,0 m/s, Zahnstangenantriebe mit 1,0 bis 3,0 m/s, Zahnriemenachsen mit 1,0 bis 5,0 m/s. Ohne Linearmaßstab verlieren Riemenachsen an Positioniergenauigkeit.

Für die Taktzeit zählt die Summe aus Beschleunigungs-, Konstantfahr- und Verzögerungszeit. Beispielrechnung bei v = 1,0 m/s und a = 5 m/s²: Der Beschleunigungsweg s = v² / (2a) beträgt 0,1 m. Bei 1000 mm Hub bleiben 800 mm Konstantfahrt, die Fahrzeit liegt bei rund 1,2 s.

Bei langen Spindeln begrenzt die kritische Drehzahl den Vorschub. Sie folgt aus der Euler-Knickgleichung und hängt von Einspannart, freiem Lagerabstand, Spindelquerschnitt und Werkstoff ab. Doppelter Lagerabstand kostet rechnerisch drei Viertel der zulässigen Drehzahl, deshalb sind Stützlager üblich.

Steifigkeit, Norm und Einkauf

Steifigkeit entscheidet, wo während der Bewegung eine Kraft wirkt, etwa beim Fräsen oder Dosieren. Der Kugelgewindetrieb erreicht mit vorgespannten Muttern die höchsten Werte.

Beim Zahnstangenantrieb ist die Verzahnung steif. Das vorgeschaltete Planetengetriebe bringt jedoch Verdrehspiel ein, das über den Ritzelradius als Wegdifferenz wirkt. Riemen sind das nachgiebigste Glied; ein Linearmaßstab misst die Position am Schlitten statt an der Motorwelle und nimmt Spindel- und Getriebefehler aus der Regelstrecke.

DIN ISO 3408-3 nennt für Kugelgewindetriebe die Genauigkeitsklassen 1, 2, 3, 4, 5, 7 und 10, Klasse 1 ist die genaueste Stufe. Die Klasse beschreibt die zulässige Abweichung über die Nutzlänge, nicht die Wiederholgenauigkeit. Wie DIN-Normen entstehen und gelten, beschreibt DIN selbst.

Achsen sind Teil der Maschine und werden in der Gefährdungsbeurteilung betrachtet. Hinweise dazu gibt die BAuA zu Maschinen und Betriebssicherheit.

Baureihen und Anbieter

Bosch Rexroth liefert Kugelgewindetriebe, Profilschienenführungen und montagefertige Linearachsen samt Antriebsreglern; das Produktprogramm für Linearachsen und Kugelgewindetriebe ist online einsehbar.

THK hat die Profilschienenführung wesentlich geprägt. Die Produktübersicht zu Linearführungen und Kugelgewindetrieben führt die Führungsreihen HSR und SHS sowie kompakte Aktuatoren der Reihe KR.

Ewellix, hervorgegangen aus der Lineartechnik von SKF und heute Teil von Schaeffler, liefert Kugelgewindetriebe, Linearmodule und elektromechanische Zylinder. igus setzt mit drylin auf Polymer-Gleitführungen ohne Nachschmierung.

Häufige Fragen

Bis zu welchem Verfahrweg ist ein Kugelgewindetrieb sinnvoll?

Bis etwa 3000 mm. Gestützte Sonderbauformen bis 6000 mm sind möglich, aber teurer.

Ab wann lohnt sich ein Zahnstangenantrieb?

Ab etwa 3000 mm Verfahrweg und bei Geschwindigkeiten über 1,5 m/s. Er kostet netto ab rund 5000 Euro je Achse.

Wie genau und wie schnell ist eine Zahnriemenachse?

Sie läuft 1,0 bis 5,0 m/s und wiederholt auf ±50 bis ±200 µm. Ein Linearmaßstab verbessert die Genauigkeit, die geringe Steifigkeit bleibt.

Was kostet welche Bauart netto?

Richtwerte je Achse ohne Motor, Steuerung und Messsystem: Zahnriemen 800 bis 5000 Euro, Kugelgewindetrieb 1500 bis 8000 Euro, Zahnstange 5000 bis 25000 Euro.