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Kugelgewindetriebe jenseits des Maschinenbaus eingesetzt

Kugelgewindetriebe
Kugelgewindetriebe von NSK in Anwendungen jenseits des Standards

Von nachhaltiger Energieerzeugung aus Wellenkraft über ein mobiles System zur Herzunterstützung bis hin zum Dämpfungselement im Bereich des Erdbebenschutzes – auch jenseits der typischen Anwendungen im Maschinenbau ist das Einsatzspektrum von NSK-Kugelgewindetrieben bemerkenswert breit.

» Erik Schramm, Application Engineer, NSK Deutschland GmbH, Ratingen

Als weltgrößter Hersteller von geschliffenen Kugelgewindetrieben arbeitet NSK mit vielen Maschinenbauern zusammen. Das Programm reicht von kleinen, hochpräzisen Linearantrieben bis zu Schwerlast-Kugelgewindetrieben für Heavy-Duty-Anwendungen. Führende Hersteller von Werkzeugmaschinen, Servopressen und Kunststoff-Spritzgießmaschinen, um nur Beispiele zu nennen, nutzen die Kugelgewindetriebe in großen Stückzahlen.

Davon abgesehen gibt es zahlreiche Anwendungen jenseits der klassischen Einsatzbereiche von Kugelgewindetrieben, in denen NSK gemeinsam mit Kunden ebenso eine maßgeschneiderte und überzeugende Lösung projektiert hat.

Energieerzeugung aus Wellenkraft

Das schwedische Startup-Unternehmen Ocean Harvesting arbeitet an einem neuartigen Energiegewinnungssystem mit der Bezeichnung Infinity WEC (Wave Energy Converter), das die Auf- und Ab-Bewegung der Wasseroberfläche in Strom umwandelt. Das System besteht aus einem Bojenkörper, Hydraulikzylindern und Kugelgewindetrieben. Der Auftrieb der Boje durch den Wellengang führt zum Anheben des Hydraulikzylinders und den damit verbundenen Muttern der Kugelgewindetriebe. Das versetzt die Spindeln in eine Rotationsbewegung. Sie wirkt direkt auf einen Generator, der Strom erzeugt. Während der Aufwärtsbewegung des Bojenkörpers wird ein Teil der Auftriebskraft im Hydraulikzylinder gespeichert und während der Abwärtsbewegung für die Rückstellung der Mutter des Kugelgewindetriebs genutzt. Essenziell für eine effektive Energiegewinnung ist die optimale Ausrichtung des Bojenkörpers in jeder einzelnen Welle. Für extreme Wetterbedingungen mit hohem Wellengang hat Ocean Harvesting eine besondere Technologie entwickelt. Sie stellt sicher, dass die Boje bei sehr hohem Wellengang nicht den Wellenbewegungen folgt, sondern sich in diesem Fall nur mit begrenztem Hub bewegt, das heißt unter Wasser bleibt. Der Vorteil: Auch bei extremen Wetterlagen kann das System Energie erzeugen und muss nicht zum eigenen Schutz heruntergefahren werden.

Aktuell plant Ocean Harvesting Versuche mit Prototypen im Maßstab 1:10. Die Entscheidung für einen Kugelgewindetrieb fiel unter anderem nach Vergleichstests mit Winden- und Zahnstangenantrieben. Für NSK entschieden sich die Ingenieure aufgrund der sehr langen Lebensdauer der Schwerlast-Kugelgewindetriebe. Mikael Sidenmark, CEO der Ocean Harvesting Technologies AB, erläutert: “Die Kugelgewindetriebe sollen 100 Mio. Lastzyklen in zwanzig Jahren ausführen – das ist sehr anspruchsvoll.“ Ein weiterer Grund ist laut Mikael Sidenmark die gute Unterstützung gewesen, die NSK dem Startup bieten konnte.

Systemlösungen im Erdbebenschutz mit Kugelgewindetrieben

Mehrere Anbieter von Systemlösungen für den Erdbebenschutz nutzen Schwerlast-Kugelgewindetriebe von NSK als zentrales Dämpfungselement. Dabei wird der Kugelgewindetrieb mit einem rotierenden Gegengewicht an der Mutter zu einer Baueinheit verbunden und zwischen zwei tragenden Elementen des Gebäudes installiert. Wenn bei einem Erdbeben kurzfristig eine hohe dynamische Last auftritt und dabei eines der beiden tragenden Elemente in Bewegung versetzt, führt das zu einer Linearbewegung des Kugelgewindetriebs. Diese lineare Bewegung wird in eine rotative Bewegung des Dämpfungsgewichtes umgesetzt. Bei der Drehrichtungsänderung überlagern sich die Schwingungen mit entgegengesetzter Amplitude. Das Ergebnis: Die Schockbelastung wird wirkungsvoll gedämpft, wobei sowohl dynamische Druckkräfte als auch Zugkräfte aufgenommen werden können. Die Lastaufnahmefähigkeit des Kugelgewindegetriebes lässt sich anwenderfreundlich an die individuellen Anforderungen anpassen. Üblicherweise werden Einheiten verwendet, die einen kleinen Axialhub in eine hohe Umdrehungszahl der Mutter umwandeln und damit eine hohe Dämpfungswirkung erreichen. Entscheidendes Auswahlkriterium ist hier die hohe Aufnahmefähigkeit von Lasten. Der Charme dieser Lösung besteht unter anderem darin, dass ein nur zwei Tonnen schweres System eine Dämpfungswirkung erzielt, für die man bei einem Masse-Feder-System bis zu 3.000 t zusätzliches Gewicht und entsprechenden Bauraum benötigen würde.

Mobiles Herzunterstützungssystem mit Miniatur-Kugelgewindetrieb

Patienten, die auf ein Spenderherz warten, müssen während dieser Zeit unter Umständen an ein mobiles Herzunterstützungssystem (Ventricular Assist Device; VAD) angeschlossen werden. Berlin Heart gehört hier zu den führenden Herstellern. Bei den mobilen EXCOR-VADs des Berliner Medizintechnikherstellers wird der Blutkreislauf des Patienten über Kanülen mit Druckluftmembranpumpen verbunden, die sich außerhalb des Körpers befinden. Ein Miniatur-Kugelgewindetrieb von NSK führt 60 bis 130 mal pro Minute einen Hub von bis zu 55,5 mm aus und drückt damit eine definierte Menge Luft gegen die Membran, auf deren anderer Seite sich die Kanülen und mit ihnen der Blutkreislauf des Patienten befinden. Hier erfüllen die Kugelgewindetriebe somit eine höchst sensible, lebensrettende Aufgabe.

Bei der Auswahl des Antriebssystems war die Lebensdauer das entscheidende Kriterium. Beim Vergleichstest verschiedener Linearantriebe haben die NSK-Antriebe mit rund 120 Mio. Zyklen den mit Abstand besten Wert erreicht.

Mehr Komfort durch Schwingungsdämpfung bei Schienenfahrzeugen

NSK hat eine aktive Schwingungsdämpfung für Hochgeschwindigkeitszüge entwickelt, die einen Kugelgewindetrieb als elektromechanischen Aktuator nutzt. Das System unterdrückt die Lateralschwingungen, die beispielsweise beim Einfahren in Tunnel entstehen können. Damit erhöht sich der Fahrkomfort für die Passagiere, zugleich wird die Voraussetzung dafür geschaffen, dass der Zug mit höherer Geschwindigkeit fährt. Zu den Auswahlkriterien gehörten hier ein hoher Wirkungsgrad und ein sehr schnelles Ansprechen beim Unterdrücken von lateralen Schwingungen und Schaukelbewegungen.

Aufgrund der sehr kompakten Abmessungen lässt sich der Aktuator gut in den begrenzten Bauraum zwischen Drehgestell und Wagenkasten integrieren. Zudem ist das System – das NSK einschließlich der Steuereinheit liefert – bestens gegen Wasser und Verschmutzungen geschützt, denen es im Fahrgestell des Hochgeschwindigkeitszuges ausgesetzt ist.

Einsatz in Kfz-Bremssystemen

Im Januar 2020 hat im Werk Agaki die Großserienproduktion von Kugelgewindetrieben für elektrohydraulische Bremskraftverstärker begonnen. Diese Systeme schaffen die Voraussetzung für eine automatische Notbremsung, wenn die Fahrzeugsensorik ein Hindernis erkennt. Außerdem ermöglichen sie unter anderem ein regeneratives Bremsen. Wesentliche Komponenten sind ein hochwertiger, langlebiger Kugelgewindetrieb und eine Lagereinheit (beide von NSK) in einem kompakten Gehäuse. Die Einheiten werden bereits in aktuellen Automodellen verbaut; weitere Serienanläufe mit NSK-Kugelgewindetrieben in regenerativen Bremssystemen sind geplant.

Fazit

Für NSK-Kugelgewindetriebe gibt es eine große Bandbreite an spannenden Anwendungen. Vielleicht ist das für KonstrukteurInnen eine Anregung, Kugelgewindetriebe auch bei eher ungewöhnlichen Einsatzfällen außerhalb des Maschinen- und Anlagenbaus zu verwenden. (sc)

Weitere Details zu den Kugelgewindetrieben von NSK unter: hier.pro/PlvXB

Kontakt:
NSK Deutschland GmbH
Harkortstrasse 15
40880 Ratingen
Tel: +49 (0) 2102 4810
Fax: +49 (0) 2102 4812290
Mail: info-de@nsk.com
www.nskeurope.de

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