Viele Innovationen in der Antriebstechnik werden heute massgeblich von Elektrik, Elektronik, Sensorik, Datenübertragung, Datenspeicherung und Programmierung bestimmt. Ein grosser Anteil der Funktionalität und damit des Kundennutzens wird auf der Soft-, Hardware- und Kommunikationsseite realisiert. Ziel dieses Beitrages ist es aufzuzeigen, wie eine intelligente energetische Vernetzung von modular aufgebauten Antriebssystemen auch auf der «mechanischen Strangseite» zu mehr Funktionsinhalten und Mehrwert sowohl für den Maschinenhersteller als auch für den Maschinenbetreiber führt.
Einzelantriebe lösen Zentralantriebe ab
Effizienz, Nachhaltigkeit, Modularisierung und Vernetzung sind heutzutage zentrale Ziele nahezu aller technischen Produktneuentwicklungen. Diese hohe Priorisierung hat viele Gründe: Folgen des Klimawandels, Verknappung von Rohstoffen, Image und Psychologie, gesetzliche Anforderungen und Normierung und zuletzt wirtschaftliche Vorteile für das eigene Unternehmen. Der Trend in der Antriebstechnik war in den letzten 25 Jahren geprägt von der Substitution aufwendiger mechanischer Antriebssträngen, wie Königswellen, drehzahlveränderbarer CVT-Getrieben oder manuellen Schaltgetrieben, hin zu elektronischen Drehzahlkoordinierungen mit dezentraler Antriebs- und Steuerungstechnik.
Mehrere Faktoren waren für diesen Trend ausschlaggebend: Modular aufgebaute Maschinen erlauben grössere Flexibilität, kürzere Inbetriebnahmezeiten und sind an die räumlichen Gegebenheiten des Maschinenbetreibers besser anpassbar. Der Verzicht auf eine starre mechanische Kopplung der Maschinenteile bedeutete auch, dass bisherige Zentralantriebe durch Einzelantriebe abgelöst wurden. Die Aufgaben der mechanischen Koordination von Drehzahlen wurden durch Antriebe mit einer übergeordneten Steuerung ersetzt. Dies ist jedoch erst der Anfang zu einer wirklich modularen Maschine. Denn eine Standardisierung bzw. Vereinheitlichung von Antriebskomponenten (Netzgerät, Umrichter, Kabel, Stecker, Getriebe, Motor) stand bis heute nicht im Vordergrund.
Man muss bei der Auslegung Leistungsreserven berücksichtigen
Schaut man sich also den Schaltschrank (Elektrik) bzw. die verschiedenen Antriebsstränge (Mechanik) und die Motoren einer Produktionsmaschine, eines Roboters oder eines komplexen Handhabungsmechanismus genauer an, so vermisst man doch meistens eine «Einheitlichkeit». Das liegt daran, dass jeder Getriebestrang einer der Anwendung spezifischen Lastmoment-/Drehzahlkennlinie (Konstantleistungskurve, linear oder hyperbolisch ansteigende Leistungskennlinie) unter Dauerlastbedingungen (statisch, schwellend, wechselnd) unterliegt und auf maximale Betriebszustände ausgelegt werden muss. Zudem müssen Leistungsreserven berücksichtigt werden, um die Lastmaschine und den gesamten Antriebsstrang auch in Notsituationen sicher abbremsen zu können.
Entscheidet sich der Maschinenentwickler für eine monolithische «Ein-Motor-Ein-Getriebestrang-Ein-Umrichter»-Bauweise, so kommt es innerhalb des gesamten Antriebssystems zu einer Variantenvielfalt. Es empfiehlt sich daher im Vorhinein eine Wertanalyse für das gesamte Antriebssystem der Maschine durchzuführen mit dem Ziel, die günstigste Anordnung zu ermitteln.
Trend geht vom Schnecken- zum Planetengetriebe
Der Entwicklungsingenieur, dem die Aufgabe gestellt wird, einen Antriebsstrang für eine neue Lastmaschine auszulegen, kann angesichts der möglichen Optionen und der Vielfalt am Markt verfügbarer Komponenten unsicher werden, ein eindeutiges Optimum zu finden, denn es konkurrieren unterschiedliche Antriebsarten und Antriebsprinzipien. Alle diese Systeme haben ihre spezifischen Einsatzgebiete und Mengenanteile in den Antriebssträngen von Maschinen. Von Zeit zu Zeit finden Verschiebungen statt. Die Gründe liegen zum einen in der Wirtschaftlichkeit von neuen, sich etablierenden und produktiveren Übertragungsprinzipien und zum anderen sind sie im Eigenschaftsprofil der Anwendung begründet. Hierzu zählen auch das dynamische Verhalten bei der Übertragung von Drehmoment und Drehzahl sowie das Verhalten in Grenzsituationen. Während der vergangenen Jahre war eine solche Verschiebung festzustellen, auf die auch hier näher eingegangen wird. Im letzten Jahrhundert galt beispielsweise das Schneckengetriebe für den Ein-Quadranten-Betrieb oder der Keilriemenantrieb in Verbindung mit einem drehzahlveränderbaren CVT-Getriebe als das Mass aller Dinge, soweit es um eine gleichmässige Leistungsübertragung über den nutzbaren Drehmoment/Drehzahlbereich der Lastmaschine ging. Heute gelten Planetengetriebe, Planetenkoppelgetriebe und Hochleistungs-Zahnriemenantriebe als Referenz für die anderen Getriebearten.
Wertung der verschiedenen Getriebetypen ist nicht trivial
Planeten- oder Umlaufrädergetriebe werden wegen ihrer Eigenschaften wie geringem Gewicht und hoher Raumleistung sowie zahlreicher Einsatzarten als Stand- und Überlagerungsgetriebe in allen Bereichen der Antriebstechnik angewendet. Den Vorteilen von Planetengetrieben steht der meist geringere Bauaufwand der Stirnrad- und Kegelradgetriebe gegenüber. Der Ersatz klassischer Werkstoffe durch Faserverbundwerkstoffe erbringt wegen materialimmanenter Eigenschaften zukunftsweisende Vorteile in der mechanischen Antriebstechnik: hohe Festigkeit und Biegsamkeit, sehr niedriges Gewicht, positives Verhalten bei wichtigen Anwendungskriterien wie Energieaufnahme, Schwingungsfestigkeit und -dämpfung, Korrosions- oder Alterungsbeständigkeit.
Faserverbundwerkstoffe bieten zukunftsweisende Vorteile
Faserverbundwerkstoffe beruhen auf dem Prinzip der Einbettung unterschiedlicher Fasertypen in eine Kunststoffmatrix. Diese hat die Aufgabe, die Fasern zu stützen und die wirkenden Kräfte gleichmässig zu verteilen. Um dieses zu gewähren, ist eine kraftschlüssige Verbindung zwischen beiden Komponenten notwendig. Je besser die Haftung, umso höher die Festigkeit. Die Kunststoffmatrix bestimmt somit im Verbundwerkstoff wesentliche Eigenschaften wie Chemikalienbeständigkeit, Alterungsverhalten, elektrisches Verhalten sowie den Schwund beim Härten/Vulkanisieren. Gebräuchliche Kunststoffe für die Matrix sind Epoxid-, Polyurethan- und Polyesterharze. Die in der Matrix eingebetteten Fasern bestimmen die mechanischen Eigenschaften der Bauteile wie Zugfestigkeit, Biegsamkeit und Schlagzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Arbeitsaufnahme. Das Eigenschaftsverhalten kann man durch die Wahl der Fasererzeugnisse und des Fasergehalts beeinflussen. Als Verstärkungselemente gibt es Endlosfasern aus Kohlenstoff oder Aramid in Form von Bändern oder Seilen.
Hochleistungszahnriemen reduzieren den Energiebedarf
Der Einsatz von Hochleistungszahnriemen in Getriebesträngen hat erhebliche Vorteile im Hinblick auf den Energiebedarf. So verringert eine Reduzierung der rotierenden Massen primär den Energieaufwand in den Beschleunigungsphasen (Hochlauf, Abbremsen, Schnellhalt, Not-Aus) und führt dadurch zu kleineren Antriebsmotoren und Bremsaggregaten. Die erzielten Gewichtsvorteile bei den rotierenden Massen bieten zusätzlich ein erhebliches Potenzial zur Reduktion der Querschnitte der am Antriebsstrang beteiligten Wellen und Transmissionsbauteilen. Das wirkt sich wiederum positiv auf die Gesamtkonstruktion der Maschinen aus. Berücksichtigt man diese Aspekte bereits im Entwurfsstadium, lassen sich zusätzliche, sekundäre Gewichtseinsparungen am Rohbau erzielen. Ausserdem wird der Aufwand für das Maschinenfundament reduziert.
Modulares Planetenkoppelgetriebe mit Hochleistungszahnriemen
Bild 1 zeigt den mechanischen Antriebsstrang eines von der Firma Kabel.Consult.Ing zum Patent angemeldeten Antriebssystems mit einem Planetengetriebe, dessen Sonnenrad von einem Drehstrom-Servomotor und dessen Hohlrad von einem zweiten, baugleichen Drehstrom-Servomotor angetrieben wird, wobei der Abtrieb über die Lagerung der Planetenräder erfolgt. Gekennzeichnet ist der mechanische Teil des Antriebssystem dadurch, dass das Hohlrad des Planetengetriebes über einen Hochleistungszahnriemen – mit Kevlar/Kohlefaser-Zugelementen – angetrieben wird, wobei der Hochleistungszahnriemen aussen am Hohlrad fest anliegt und eine spielfreie Lasttrum/Lostrum-Verbindung bewerkstelligt. Das Ganze lässt sich jetzt – nach dem gleichen Prinzip – mit weiteren, baugleichen Antriebseinheiten modular koppeln.
Höherer Wirkungsgrad reduziert Betriebskosten
Gegenüber einem konventionellen «Ein-Motor-Ein-Getriebestrang-Ein-Umrichter»-Aufbau hat dieses neue Antriebskonzept, bestehend aus je mindestens zwei Servoverstärkern (Doppelmodul) und Drehstrom-Servomotoren plus – über Hochleistungszahnriemen zusammengesetzte – Planetenkoppelgetriebe, den Vorteil eines wesentlich höheren Gesamt-Wirkungsgrades mit der Folge, kleinere Motorenleistungen mit geringen Betriebskosten installieren zu können. Die Vorteile des Gesamtantriebssystems sind die gleichen eines jeden Modularisierungszieles (Bild 2).
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