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Die Auswahl des richtigen Linearaktuators

Hochwertige Linearaktuatoren sind kleine Kraftpakete: Trotz ihrer kompakten Maße sind sie in der Lage, hohe Eingangsdrehzahlen aufzunehmen und gleichzeitig hohe Ausgangskräfte zu liefern. Bei der Wahl des passenden Linearaktuators ist es von Vorteil, systematisch vorzugehen und genau zu bestimmen, welches Modell die erforderliche Leistung erbringen und auch über Leistungsspitzen hinweg zuverlässig halten kann.

 

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FAULHABER Tutorial: Die Auswahl des richtigen Linearaktuators

So finden Sie den passenden Linearaktuator für Ihre Anwendung

Der FAULHABER Drive Calculator erleichtert Ihnen die Auswahl des passenden Linearaktuators: Dieses kostenlose Online-Tool zur Antriebsauswahl hilft Ihnen dabei, passgenaue Lösungen für den konkreten Anwendungsfall zu finden. Damit Sie den Drive Calculator effizient für die Antriebsauslegung bei Linearaktuatoren nutzen können, benötigen Sie allerdings einige kritische Daten. 

In diesem Tutorial führen wir Sie durch fünf grundlegende Schritte der Auswahl eines Linearaktuators und zeigen Ihnen, wie Sie die für die Antriebsauslegung erforderlichen Parameter ermitteln.

Um Ihnen die Anwendung dieser fünf Schritte auf Ihre eigenen Projekte zu erleichtern, zeigen wir Ihnen die Auswahl eines Linearaktuators für eine spezifische Anwendung anhand eines konkreten Beispielfalls.

1. Mechanische Voraussetzungen

Je nachdem, was für eine Anwendung Sie planen, kann es von vornherein bestimmte mechanische Voraussetzungen geben, die Ihre Auswahl auf Linearaktuatoren mit bestimmten Eigenschaften eingrenzt. Häufig ist beispielsweise ein bestimmter Spindeltyp unerlässlich oder der Platz, der für den Antrieb zur Verfügung steht, begrenzt. Um sicherzustellen, dass Sie ausschließlich Modelle in Ihre engere Auswahl aufnehmen, die diese Grundvoraussetzungen erfüllen, lohnt es sich, die Auswahl eines Linearaktuators mit der Erstellung eines Anforderungsprofils für die geplante Anwendung zu beginnen.

Wir empfehlen Ihnen, neben Faktoren wie Spindeltyp, Hublänge und Durchmesser des Linearaktuators auch die geforderten Kräfte und Geschwindigkeiten sowie den geplanten Zyklus zu notieren. So können Sie im Nachfolgenden leichter ermitteln, welche Produkte zu Ihrer Anwendung passen. Abbildung 1 zeigt eine Blanko-Version eines solchen Anforderungsprofils.

Anwendungsdaten:

Tabelle mit Anwendungsdaten für die Auswahl eines Linearaktuators
Abbildung 1: Erforderliche Anwendungsdaten für die Auswahl eines Linearaktuators.
Grafik mit zwei Sprechblasen, die vordere enthält den Begriff "FAQ", die hintere ist leer

Wo finde ich die Lastparameter eines Schrittmotors?

Die Lastparameter eines Schrittmotors können Sie üblicherweise den vom Hersteller veröffentlichten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien entnehmen. Da Sie diese Lastparameter benötigen, um die Anforderungen der geplanten Anwendung mit der Leistungsfähigkeit und den eventuellen Limits der verschiedenen Schrittmotoren zu vergleichen, sollten Sie stets die Herstellerinformationen zu Ihren favorisierten Modellen einholen, bevor Sie mit der Schrittmotor-Auswahl beginnen.

Anhand des Spindeltyps und des maximalen Durchmessers lässt sich zumeist schon eine erste Vorauswahl unter den verfügbaren Linearaktuatoren treffen. In unserem Beispiel sind eine Kugelumlaufspindel und ein maximaler Durchmesser von 22 mm kritisch für die Passung zwischen Antrieb und Anwendung. Damit käme z.B. der Linearaktuator 22L SB xx:1 6x2 150 aus dem FAULHABER-Sortiment infrage, weil er den Grundparametern entspricht.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit liegt unserem Anwendungsbeispiel allerdings nur eine geringe Zahl ausgewählter Standard-Anwendungsparameter zugrunde. Je nachdem, welche Art von Anwendung Sie planen und in welcher Umgebung diese zum Einsatz kommen soll, kann eine Vielzahl weiterer Faktoren – etwa die Systemgenauigkeit, der Temperaturbereich oder die verwendeten Materialien – von zentraler Bedeutung für die Auswahl des passenden Linearaktuators sein. Die hier abgebildete Datentabelle als auch die nachfolgenden vier Berechnungsschritte dienen daher lediglich als Leitfaden für eine erste Abschätzung möglicher Lösungen.

Im weiteren Verlauf des Tutorials wollen wir Ihnen anhand einer Beispielanwendung zeigen, wie Sie im konkreten Einzelfall überprüfen, ob Ihr favorisiertes Modell den Anforderungen der geplanten Anwendung entspricht. Für dieses Fallbeispiel setzen wir eine Anwendung mit den folgenden Grunddaten an:

Anwendungsdaten

Tabelle mit Anwendungsdaten-Beispielen für die Auswahl eines Linearaktuators
Abbildung 2: Anwendungsdaten eines Beispiel-Linearaktuators.
Grafik mit zwei Sprechblasen, die vordere enthält den Begriff "FAQ", die hintere ist leer

Was passiert, wenn der Motor hinter dem Linearaktuator nicht leistungsstark genug ist?

Bei der Auswahl des passenden Linearaktuators spielt auch der Motor, mit dem er kombiniert werden soll, eine große Rolle. Ist der Motor nicht leistungsstark genug für die geplante Anwendung, erhitzt er sich im laufenden Betrieb konstant auf eine zu hohe Temperatur. Das hat zur Folge, dass zusätzliche Wärme auf den Linearaktuator übertragen wird – und das verringert die Wirksamkeit des Schmierstoffs und kann infolgedessen die Lebensdauer der gesamten Gerätekombination verkürzen. Aus diesem Grund ist es ratsam, darauf zu achten, dass der Motor im Dauerbetrieb eine Temperatur von 60 °C bis 70 °C nicht überschreitet, und so eine vorzeitige Verschlechterung der Eigenschaften des Schmierstoffs zu verhindern.

2. Berechnung der Eingangsdaten: Drehzahl und Drehmoment

Für jede der verfügbaren Lösungen müssen die Eingangsdrehzahl und das Eingangsdrehmoment nach den folgenden Formeln berechnet werden:

Formel für die Eingangsdrehzahl und das Eingangsdrehmoment eines Linearaktuators

In unserem Beispiel haben das Drehmoment und die Drehzahl am Eingang von 22L SB 1:1 6x2 150 während des Zyklus folgende Werte:

Tabelle mit Drehmoment- und Geschwindigkeitswerten für die Auswahl eines Linearaktuators

 

Die Auswahl des Motors kann dann anhand der entsprechenden technischen Informationen für jede Motorenfamilie erfolgen.

3. Ermittlung der Lineargeschwindigkeit

Nachdem Sie die Linearaktuatoren identifiziert haben, die den grundlegenden mechanischen Parametern der geplanten Anwendung entsprechen, gilt es nun, herauszufinden, welche dieser Modelle die erforderlichen Kräfte und Geschwindigkeiten erreichen können. So wird der störungsfreie Betrieb Ihrer Anwendung sichergestellt.

Schritt 1: Vergleichen Sie die kritische Geschwindigkeit mit der geforderten maximalen Geschwindigkeit.

Überprüfen Sie im Datenblatt des Linearaktuators die tatsächliche kritische Spindelgeschwindigkeit (Vcr_std) entsprechend dem Spindel-Lagerungssystem (fest - frei oder fest - einfach). Falls die Hublänge vom Standard abweicht, können Sie die tatsächliche Spindelgeschwindigkeit Vcr auch anhand der folgenden Formel ermitteln:

Formel für die kritische Geschwindigkeit eines Linearaktuators

In unserem Beispiel wird die gelagerte Ausführung 22L SB xx:1 6x2 150 (fest - einfach) betrachtet:

Berechnung der kritischen Geschwindigkeit für die Auswahl eines Linearaktuators

Um sicherzustellen, dass bei Betrieb dieses Linearaktuators in der geplanten Anwendung kein Resonanzproblem auftritt, sollten Sie außerdem prüfen, ob die kritische Geschwindigkeit über der maximalen Zyklusgeschwindigkeit liegt: Vcr_l > Vmax

In unserem Fallbeispiel ist diese Anforderung erfüllt, da die kritische Geschwindigkeit bei vcr_l = 690 mm/s und damit deutlich über der maximalen Zyklusgeschwindigkeit des Linearaktuators (vmax = 50 mm/s) liegt.

Schritt 2: Vergleichen Sie die Spitzenabtriebsgeschwindigkeit mit der geforderten Maximalgeschwindigkeit.

Kontrollieren Sie für jedes verfügbare Untersetzungsverhältnis, ob die geforderte maximale Geschwindigkeit (Vp max) unter dem angegebenen Grenzwert liegt (Vp max ≥ Vmax). Die maximale Abtriebsgeschwindigkeit sowie den maximalen Dauerkraftbereich für jede Antriebsstufe finden Sie im Datenblatt des jeweiligen Linearaktuators.

In unserem Beispiel betrachten wir in diesem Schritt das Datenblatt des Linearaktuators FAULHABER 22L SB xx:1 6x2 150 und stellen fest, dass alle Verhältnisse > 6,6:1 auszuschließen sind.

Schritt 3: Vergleichen Sie die Dauerabtriebsgeschwindigkeit mit der geforderten mittleren Geschwindigkeit.

Die mittlere Abtriebsgeschwindigkeit (Vm) können Sie anhand folgender Formel berechnen:

Formel für die mittlere Abtriebsgeschwindigkeit eines Linearaktuators

In unserem Anwendungsbeispiel werden dabei die Zyklus-Eingangsdaten berücksichtigt. So ergibt sich die folgende mittlere Abtriebsgeschwindigkeit:

Berechnung der mittleren Abtriebsgeschwindigkeit für die Auswahl eines Linearaktuators

Kontrollieren Sie für jedes verfügbare Untersetzungsverhältnis, ob die geforderte mittlere Geschwindigkeit unter dem angegebenen Grenzwert liegt (vc max > vm). Auch für diesen Schritt können Sie die maximale Abtriebsgeschwindigkeit sowie den maximalen Dauerkraftbereich für jede Antriebsstufe dem Datenblatt des jeweiligen Linearaktuators entnehmen.

4. Berechnung der Axialkraft

Steht fest, dass der gewählte Linearaktuator die erforderlichen Geschwindigkeiten erreichen und halten kann, prüfen wir in einem nächsten Schritt, welche Kräfte in der konkreten Konfiguration auf den Antrieb einwirken. Wie bereits im Fall der Lineargeschwindigkeit gehen wir auch hier in drei Schritten vor, um zu ermitteln, ob der Linearaktuator in der Lage ist, die unterschiedlichen Kräfte, die im laufenden Betrieb auf ihn einwirken, problemlos aufzunehmen.

Schritt 1: Vergleichen Sie die Knickkraft mit der geforderten Maximalkraft.

Ziehen Sie das Datenblatt des Linearaktuators zurate, um die tatsächliche Knickkraft der Spindel (Fb_std)entsprechend dem Spindellagerungssystem (fest - frei oder fest - einfach) zu ermitteln. Falls die Hublänge von der Norm abweicht, können Sie den tatsächlichen Wert der Knickkraft (Fb) anhand folgender Formel berechnen:

In unserem Fallbeispiel finden wir im Datenblatt des FAULHABER-Linearaktuators 22L SB xx:1 6x2 150 (fest - einfach) die folgenden Angaben: Fb_l = Fb_std = 2562 N

Nun vergewissern wir uns, dass die Knickkraft über der maximalen Zykluskraft liegt (Fb_l > Fmax), denn nur so ist gewährleistet, dass bei Inbetriebnahme des Linearaktuators in dieser Anwendung keine Knickprobleme auftreten. In unserem Beispiel ist diese Anforderung erfüllt, da die Knickkraft der Spindel unseres Linearaktuators Fb_l = 2562 N beträgt und damit deutlich über der maximalen Zykluskraft Fmax = 100 N liegt.

Schritt 2: Vergleichen Sie die Spitzenaxialkraft mit der geforderten Maximalkraft.

Kontrollieren Sie für jedes verfügbare Untersetzungsverhältnis, ob die geforderte maximale Axialkraft unter dem angegebenen Grenzwert liegt (Fp max ≥ Fmax). Auch für diese Berechnung können Sie die maximale Abtriebsgeschwindigkeit sowie den maximalen Dauerkraftbereich für jede Antriebsstufe dem Datenblatt des gewählten Linearaktuators entnehmen. In unserem Beispiel ist die Anforderung für alle Verhältnisse erfüllt.

Schritt 3: Vergleichen Sie die kontinuierliche Axialkraft mit der geforderten mittleren Kraft.

Die mittlere Ausgangskraft können Sie anhand folgender Formel berechnen:

Formel für die mittlere Ausgangskraft eines Linearaktuators

In unserem Anwendungsbeispiel werden auch hier die Zyklus-Eingangsdaten für das gewählte Modell, den FAULHABER-Linearaktuator 22L SB xx:1 6x2 150, berücksichtigt. Daraus ergibt sich folgende Berechnung:

Berechnung der mittleren Abtriebskraft für die Auswahl eines Linearaktuators

Nun prüfen wir für jedes verfügbare Untersetzungsverhältnis, ob die geforderte mittlere Kraft unter dem angegebenen Grenzwert liegt (Fm max ≥ Fm). Auch für diesen Schritt können sie die maximale Abtriebsgeschwindigkeit sowie den maximalen Dauerkraftbereich für jede Antriebsstufe dem Datenblatt des gewählten Linearaktuators entnehmen. In unserem Beispiel ist die Anforderung für alle Verhältnisse erfüllt.

Kann ein Linearaktuator mit einer höheren mittleren Axialkraft betrieben werden?

Grundsätzlich ist es möglich, einen Linearaktuator mit einer höheren mittleren Axialkraft zu betreiben als im Datenblatt des jeweiligen Produkts angegeben. Da dieses Leistungsoptimum einen gewissen Puffer umfasst, führt eine moderate Steigerung der auf die Achse wirkenden Kräfte gewöhnlich nicht zu Schäden oder Störungen. Um die Lebensdauer des Antriebs zu maximieren und reibungslose Betriebsabläufe zu gewährleisten, ist es jedoch ratsam, den empfohlenen Wert zu berücksichtigen und ggf. gezielt einen robusteren Linearaktuator zu wählen. So stellen Sie sicher, dass Leistungsspitzen nicht zu deutlichen Überschreitungen der mittleren Axialkraft führen.

Grafik mit zwei Sprechblasen, die vordere enthält den Begriff "FAQ", die hintere ist leer

5. Berechnung der Leistung eines Linearaktuators

Im fünften und letzten Schritt zur Auswahl des passenden Linearaktuators für eine Anwendung prüfen wir nun, ob das gewählte Modell die erforderliche Ausgangsleistung liefern kann. Zu diesem Zweck ermitteln wir die Ausgangsleistung (Pmax) und gleichen sie mit der geforderten maximalen mechanischen Leistung ab.

Für jeden Zyklusschritt können wir die mechanische Leistung dabei anhand folgender Formel berechnen:

Formel für die mechanische Leistung eines Linearaktuators

Für jede Stufe des Linearaktuators muss der Maximalwert unter dem vorgegebenen Grenzwert liegen (Pout_max ≥ Pm).

In unserem Beispiel beträgt die maximale Leistung:

Berechnung der maximalen Leistung für die Auswahl eines Linearaktuators

Daher müssen Konfigurationen mit vier Stufen ausgeschlossen werden.

Sie haben Fragen zur Auswahl eines Linearaktuators?

Sie bereiten sich gerade auf die Auswahl eines Linearaktuators vor und benötigen dafür ein Datenblatt, das Sie auf unserer Website nicht finden können? Oder haben Sie bereits einen Linearaktuator ausgewählt, sind sich aber nicht sicher, welcher der Motoren aus unserem Sortiment der ideale Kombinationspartner für die geplante Anwendung sein könnte?

Die Vertriebsingenieure von FAULHABER beraten Sie gern. Wir helfen Ihnen dabei, eine passgenaue Lösung für alle Anwendungen zu entwickeln, bei denen es besondere Anforderungen wie spezielle Umgebungsbedingungen oder mechanische Einschränkungen zu berücksichtigen gilt.

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