Das neuartige Antriebssystem hat mindestens je zwei Servoverstärker und Drehstrom-Servomotoren plus Planeten-Koppelgetriebe. Das führt zu einem höheren Gesamt-Wirkungsgrad.
Markt-, Technik-, und Technologietrends richtig einzuschätzen, ist für Komponentenhersteller im Maschinenbau wichtig. Denn daraus werden Strategien für funktionellere Produkte abgeleitet. Eine intelligente Vernetzung modularer Antriebssysteme gibt einen ersten Mehrwert für Hersteller und Betreiber.
Effizienz, Nachhaltigkeit, Modularisierung und Vernetzung. Das sind heute die zentralen Ziele nahezu aller technischen Produktneuentwicklungen. Das hat viele Gründe: Folgen des Klimawandels, Verknappung von Rohstoffen, Image und Psychologie, gesetzliche Anforderungen und Normierung sowie wirtschaftliche Vorteile für das eigene Unternehmen.
Der Trend in der Antriebstechnik war in den letzten 25 Jahren geprägt von der Substitution aufwendiger mechanischer Antriebsstränge wie Königswellen, drehzahlveränderbarer CVT-Getriebe oder manueller Schaltgetriebe, bis hin zu elektronischen Drehzahlkoordinierungen mit dezentraler Antriebs- und Steuerungstechnik. Denn modular aufgebaute Maschinen erlauben größere Flexibilität, kürzere Inbetriebnahmezeiten und sind an die räumlichen Gegebenheiten des Maschinenbetreibers besser anzupassen. 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 beziehunsweise Vereinheitlichung von Antriebskomponenten wie Netzgerät, Umrichter, Kabel, Stecker, Getriebe oder Motor stand bis heute nicht im Vordergrund.
Wo bleibt die Einheitlichkeit?
Schaut man sich also den Schaltschrank beziehungsweise die verschiedenen Antriebsstränge und die Motoren einer Produktionsmaschine, eines Roboters oder eines komplexen Handhabungsmechanismus‘ genauer an, so vermisst man doch meistens eine gewisse Einheitlichkeit. Das liegt daran, dass jeder Getriebestrang einer der Anwendung spezifischen Lastmoment-/Drehzahlkennlinien unter Dauerlastbedingungen 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 nach gesamtwirtschaftlichen Gesichtspunkten zu ermitteln.
Downsizing und Gewichtsreduktion
Der Entwicklungsingenieur, der einen Antriebsstrang für eine neue Lastmaschine entwickeln soll, kann angesichts der vielen verschiedenen Komponenten am Markt unsicher werden. Gibt es das Optimum?
All die unterschiedlichen Antriebsarten und -prinzipien 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 Übertra-
gungsprinzipien und zum anderen am Eigenschaftsprofil der Anwendung. Hierzu zählen auch das dynamische Verhalten bei der Übertragung von Drehmoment und Drehzahl sowie das Verhalten in Grenzsituationen.
Galt im vorigen Jahrhundert etwa das Schneckengetriebe für den 1Q-Betrieb oder der Keilriemenantrieb mit einem drehzahlveränderbaren CVT-Getriebe bei der gleichmäßigen Leistungsübertragung über den nutzbaren Drehmoment/Drehzahl-Bereich der Lastmaschine als das Maß aller Dinge, so gelten heutzutage Planetengetriebe, Planeten-Koppelgetriebe und Hochleistungs-Zahnriemenantriebe auf Basis von Faserverbundtechnik als Referenz.
Planeten- oder Umlaufrädergetriebe werden heutzutage wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften wie geringes Gewicht und hohe Raumleistung sowie der vielen Einsatzmöglichkeiten als Standgetriebe und Überlagerungsgetriebe in allen Bereichen der Antriebstechnik angewendet. Man findet sie vielfach in automatischen Fahrzeug-Schaltgetrieben, aber auch im stationären Bereich, zum Beispiel zum Antreiben von Werkzeugmaschinenachsen oder modernen Aufzügen. Den Vorteilen von Planetengetrieben steht der meist geringere Bauaufwand von Stirnrad- und Kegelradgetrieben gegenüber.
Ersatz klassischer- durch Faserverbundwerkstoffe
Klassische Werkstoffe in der mechanischen Antriebstechnik werden zunehmend durch Faserverbundwerkstoffe ersetzt. Sie sind sehr fest, biegsam, leicht und haben gute Eigenschaften bei der Energieaufnahme, Schwingungsfestigkeit und -dämpfung, Korrosions- oder Alterungsbeständigkeit. 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.
Die Vorteile eines Gesamt-Antriebs sind für Maschinenentwickler und -Betreiber gleich groß. Durch eine kürzere Entwicklungszeit, baugleichen Serien, einfache Reparaturen und Montagen lässt sich auf beiden Seiten viel Geld einsparen.
Dafür 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 und 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. Die Eigenschaften können durch die Wahl der Fasererzeugnisse und des Fasergehalts beeinflusst werden. Als Verstärkungselemente sind Endlosfasern aus Kohlenstoff oder Aramid in Form von Bändern oder Seilen zu nennen. Für das Gesamtsystem sind Kennwerte wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmedehnung abhängig vom Mengenverhältnis zwischen Kunststoffmatrix und Fasern.
Der Einsatz von Hochleistungs-Zahnriemen in Getriebesträngen hat erhebliche Vorteile im Hinblick auf den Energiebedarf. So verringert eine Reduzierung der rotierenden Massen primär den Energieaufwand in den Beschleunigungsphasen wie Hochlauf, Abbremsen, Schnellhalt oder Not-Aus und führt 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 Transmissionsbauteile. Das wirkt sich wiederum positiv auf die Gesamtkonstruktion der Maschinen aus. Werden diese Aspekte bereits im Entwurfsstadium berücksichtigt, lassen sich zusätzliche, sekundäre Gewichtseinsparungen am Rohbau erzielen. Außerdem wird der Aufwand für das Maschinenfundament reduziert.
Für das kompakte Gesamt-Antriebssystem wurde das Unternehmen Kabel.Consult.Ing kürzlich mit dem Rheinischen Innovationspreis 2015 der Unternehmerschaft Düsseldorf und Umgebung ausgezeichnet.
Planeten-Koppelgetriebe mit Hochleistungs-Zahnriemen
Durch eine intelligente, energetische Vernetzung von modular aufgebauten Antriebssystemen kommt es auf der mechanischen Strangseite zu mehr Funktionsinhalten und Mehrwert sowohl für den Maschinenhersteller als auch für den Maschinenbetreiber. Das Unternehmen Kabel.Consult.Ing hat in diesem Zusammenhang ein neuartiges Antriebssystem entwickelt. Dieses hat ein 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. Das Hohlrad des Planetengetriebes wird über einen Hochleistungs-Zahnriemen mit Kevlar-Kohlefaser-Zugelementen angetrieben. Dabei liegt der Hochleistungs-Zahnriemen außen am Hohlrad mit Hilfe einer spielfreien Lasttrum/Lostrum-Verbindung fest an. Das Ganze kann nach dem gleichen Prinzip mit weiteren baugleichen Antriebseinheiten modular gekoppelt werden.
Gegenüber einem konventionellen Ein-Motor-Ein-Getriebestrang-Ein-Umrichter-Aufbau hat das neue Antriebskonzept, bestehend aus mindestens zwei Servoverstärkern und Drehstrom-Servomotoren plus – über Hochleistungszahnriemen zusammengesetzte – Planeten-Koppelgetriebe den Vorteil eines wesentlich höheren Gesamt-Wirkungsgrades mit der Folge, kleinere Motorenleistungen mit geringen Betriebskosten installieren zu können.
Vorteil Gesamt-Antriebssystem
Die Vorteile des Gesamt-Antriebssystems sind die gleichen wie bei jedem Modularisierungsziel. Für den Maschinenentwickler bedeutet das niedrigere Entwicklungskosten, kostengünstige Herstellung durch Stückkostendegression, baugleiche Serien und einheitliche Montageprozesse.
Für den Maschinenbetreiber heißt das: Schnelle und kostengünstige Reparaturarbeiten durch den Austausch eines fehlerhaften Moduls. Durch Kompatibilität und Einsatz von Gleichteilen wird die Ersatzteilbevorratung auf ein Minimum reduziert. Durch die durchgängige Modularisierung lässt sich die Verständlichkeit und Akzeptanz für den Hersteller in Vertrieb, Montage, Inbetriebnahme und Ersatzteilservice sowie für den Anwender in Einkauf, Bedienung und Instandhaltung erhöhen. hei