Getriebe Siemens, Bild: Siemens

Das neue Antriebskonzept Multipledrive verbindet die Vorteile eines drehzahlvariablen Antriebes mit der Modularität eines mehrstufigen Antriebes, die eine Dauerverfügbarkeit der Anlage ermöglicht. Bild: Siemens

Es läuft nicht immer rund, sondern manchmal auch hin und her – beabsichtigt und sehr präzise. Nicht alle Antriebe arbeiten im Dauerbetrieb, einige arbeiten zyklisch. Dabei kommt es darauf an, Massen von A nach B zu bewegen, dynamisch zu beschleunigen, zu verzögern und zu positionieren. In dieser Domäne ist das Pforzheimer Unternehmen Stöber Antriebstechnik zu Hause. Antriebsstränge mit Planetengetrieben, System-Zahnstangentrieben und Servomotoren prägen sein Portfolio. „Unsere Kunden erwarten sichere Systeme, die sie bei der Konstruktion entlasten, die montagefertig sind und die über das passende Zubehör verfügen“, umreißt Johannes Kübler, Leiter Vertrieb Produktmanagement Mechanik bei Stöber, seinen Markt. Was das konkret bedeutet, zeigt das Beispiel Zahnstangentriebe. Diese werden von einigen Unternehmen noch in Eigenregie komplett konstruiert und gefertigt.

Getriebe von Nord Drivesystems

Die Beschichtung nsd tupH von Nord verleiht Antrieben aus Aluminium eine glatte, korrosionsresistente Oberfläche. Bild: Nord

Betrachtet man die reinen Materialkosten, sind diese Lösungen sehr kostengünstig. Bezieht man alle Wartungs- und Reparaturkosten in die Rechnung ein, so die Erfahrung von Johannes Kübler, entpuppen sich Eigenkonstruktionen oft als Kostenfalle. Wer diese Erfahrung einmal gemacht hat, weiß ein umfassendes System-Angebot und Beratungskompetenz zu schätzen. Stöber hat daher sein Produktprogramm für hochwertige Präzisions-Zahnstangentriebe mit dem neuen Zahnstangen-Ritzelsystem ZV komplettiert.

Zum Programm gehören unter anderem Ritzel und Zahnstangen in gerader- oder schrägverzahnter Ausführung mit spielfreien und formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen. Zubehör wie Einstellplatten, Filzräder zur Schmierung und Spannsätze zur Ritzelbefestigung sind ebenfalls verfügbar.

Ein kritischer Blick auf den Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von Nutzleistung zur zugeführten Leistung, nicht aber den Energieeinsatz. Der unterscheidet sich bei zyklischen Bewegungen erheblich von den kontinuierlichen Bewegungen: Bei Letzteren muss die Massenträgheit nur einmal, zu Beginn der Bewegung, überwunden werden. Bei zyklischen Prozessen, wie zum Beispiel einem Hubkolben wird ständig beschleunigt und gebremst. „Um die Energieeffizienz zu verbessern, beziehen wir die Massen des Antriebsstrangs mit in die Überlegungen ein“, so Johannes Kübler.

Betrachtet man einen Antriebsstrang mit Motor und Getriebe so sieht man, dass bei großen Leistungseinheiten dieser Effekt eher klein ausfällt. Bei kleinen Einheiten im mittleren und unteren Leistungsbereich, wie sie zunehmend in dezentralen Lösungen eingesetzt werden, macht sich dieser Effekt deutlich bemerkbar. Je geringer die Masse von Getriebe und Motor desto geringer ist die Massenträgheit des Systems. Das wiederum bedeutet weniger Drehmoment und damit weniger Energie, um die Massen zu beschleunigen.

Getriebe von Lenze

Mechatronische Integration à la Lenze: g500-Getriebereihe in Kombination mit dem Lenze Smart Motor. Bild: Lenze

„Speziell bei dynamischen Bewegungen und Wechselbelastungen ist die Betrachtung der Massenträgheit wichtiger als die des reinen Wirkungsgrades“, erklärt Johannes Kübler. Was nicht beschleunigt werden muss, spart Energie. Deshalb bevorzugt Stöber Getriebemotoren statt zwei getrennter Baugruppen. Das spart die Kupplung und verringert damit Massenträgheit.
Um dies zu erreichen, nahmen die Entwickler bei Stöber jedes Bauteil unter die Lupe, bis hin zu den Motorwicklungen. „Mit dem neu entwickelten Servomotor EZ ist es uns gelungen, die Masse des Motors – speziell die des Läufers – zu minimieren“, so Johannes Kübler. „Das ermöglicht die neue Einzelzahn-Wickeltechnik.“

Das Resultat sind deutlich kleinere Wickelköpfe und eine höhere Leistungsdichte. Die neuen, auf Dynamik getrimmten EZ Motoren sind bis zu 80 Prozent kürzer als leistungsgleiche Modelle vom Industriestandard. Der kompakte Aufbau benötigt weniger Kupfer, ist damit leichter und energieeffizienter.

Neue Werkstoffe und weniger Material

Steffen Kraus, Siemens, Bild: Siemens
"Gewicht sparen heißt heutzutage Material sparen, vor allem Stahl, Elektroblech und Kupfer", so Steffen Kraus, Produktmanager Flender-Getriebe bei Siemens. Bild: Siemens

Sparsamer Umgang mit Material ist auch bei Siemens ein Thema, selbst bei Anwendungen, bei denen man dies auf den ersten Blick nicht vermuten würde: bei Boliden wie den MultipleDrive Antrieben, die mit bis zu 16,5 Megawatt Leistungsaufnahme ein Drehmoment von acht Millionen Newtonmetern erzeugen.

Bei konservativer Betrachtung ist dies überraschend. Vor einigen Jahren galt ja noch die Regel: je kleiner und leichter bei gleicher Leistung desto teurer. Niemand wäre auf die Idee gekommen bei einem derartigen Gerät, das zum Beispiel in Vertikalmühlen für die Zementherstellung Anwendung findet, das Gewicht zu optimieren.

Die Gründe hierfür liegen heute an anderer Stelle. „Gewicht sparen heißt heutzutage Material sparen, vor allem Stahl, Elektro-blech und Kupfer“, erläutert Steffen Kraus, bei Siemens zuständig für das Produktmanagement der Flender-Getriebe. Es geht also mehr um die explodierenden Materialpreise. Der Kunde profitiert damit von der Gewichtsreduktion. Neben einem Material einsparenden Design ist diese Entwicklung auch neuen, hochfesten Materialien für Verzahnung und Wellen geschuldet. Gleichzeitig wird durch das modulare und redundant ausgelegte Antriebssystem MultipleDrive die Verfügbarkeit der Anlage signifikant erhöht.

Energieeffizienz ganzheitlich betrachtet

Der Wirkungsgrad eines modernen Industriegetriebes liegt bei weit über 90 Prozent. Aber natürlich gibt es noch Potenziale jenseits der reinen Produktbetrachtung. Steffen Kraus erläutert: „Unsere Getriebe haben bereits einen Wirkungsgrad von 96 bis 98,5 Prozent, abhängig von der Stufenzahl. Will man den Wirkungsgrad noch weiter steigern, führt der Ansatz nicht über das einzelne Produkt, sondern das komplette Antriebssystem in Verbindung mit der Applikation. Im Rahmen des integrierten Antriebssystems, Integrated Drive Systems, sind Einsparungen bis 40 Prozent möglich. Ein Beispiel sind Hubantriebe, die man rückspeisefähig machen kann.“ Dieses Statement zeigt bereits, wohin der Trend geht: Zu einer ganzheitlichen Betrachtung nicht nur des gesamten Antriebsstrangs, sondern auch der Anwendung. „Wir haben bei Siemens alle Produkte in unserer Wertschöpfungskette. Von der Aufnahme der Kundenanforderung über die Entwicklung bis hin zu Maintenance können wir dem Kunden den kompletten Antriebsstrang anbieten und über den gesamten Lebenszyklus begleiten. Dazu kommen unsere Branchenkenntnisse.“ Siemens spricht in diesem Zusammenhang von Integrated Drive Systems.

Getriebe von Stöber

ZV Zahnstange-Ritzelsystem für Automation und Robotik von Stöber. Bild: Stöber

In der Betrachtung des gesamten Antriebsstrangs sieht auch der brasilianische Antriebsspezialist WEG die einzige Möglichkeit, maximale Energieeinsparungen zu erzielen. Dabei kommt dem Unternehmen zugute, dass es sowohl Elektromotoren und Getriebe als auch Automatisierungskomponenten aus eigener Entwicklung und Fertigung liefert. Hierzu Jürgen Ponweiser, Marketing Manager DACH bei WEG: „Die Entwicklung geht hin zu einer ganzheitlichen Betrachtung des Themas Energieeffizienz in der Antriebstechnik. Entscheidend ist der Gesamtwirkungsgrad einer Anwendung, um maximale Energieeinsparungen zu erzielen.“
Dieser Paradigmenwechsel spiegelt sich auch in den Diskussionen der Normungsgremien und in neuen gesetzlichen Vorgaben wie der aktuellen EU-Motorenverordnung wider, die erstmalig Frequenzumrichter mit berücksichtigt. Für WEG bedeutet das, dass heute wesentlich mehr gefragt ist, als nur ein effizientes Getriebe als Einzelkomponente zu liefern. Diese veränderten Anforderungen erfordern einen hohen Aufwand bei der Entwicklung elektrischer Komponenten.

Jürgen Ponweiser: „Auf Kundenseite besteht ein hoher Beratungsbedarf, wenn es um die Umsetzung der Motorenverordnung oder die Suche nach einer optimalen Antriebslösung für die jeweilige Anwendung geht, zum Beispiel drehzahlgeregelte Antriebe. Hierfür ist auf Herstellerseite wiederum eine Menge Wissen und Know-how aus unterschiedlichen Bereichen der Antriebstechnik erforderlich. Beides sind Entwicklungen, die eine gewisse Unternehmensgröße und eine Breite an technologischem Wissen erfordern, die meist nur global tätige Lösungsanbieter wie WEG bieten können.“

Getriebe von WEG

Energieeffiziente Watt-Getriebemotoren – weltweit für alle unterschiedlichen Spannungen einsetzbar. Bild: Watt-Drive