Antriebstechnik Fünf Tipps, die Antriebssysteme besser machen

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Wir haben Experten für Antriebstechnik nach F&E-Tipps gefragt: Erfahren Sie, welchen Einfluss die Spielfreiheit in Getrieben auf die Leistung des Antriebs hat, welcher häufige Fehler in der Konstruktionsphase Zeit- und Kostendruck verursacht, mit welchem einfachen Mittel sich die Sicherheit in der Robotik erhöhen lässt, wie man die Einlaufphase bei Prüfständen verkürzt und mehr. 

Spielfreiheit in Getrieben: Positioniergenauigkeit, Präzision und Regelbarkeit des Antriebs verbessern

Steigende Anforderungen an Präzision, Dynamik und Wiederholgenauigkeit stellen Konstrukteure zunehmend vor die Herausforderung, das Spiel in Getrieben gezielt zu minimieren. Besonders in der Robotik, Automatisierung, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrt entscheidet das Flankenspiel häufig über die Leistungsfähigkeit des gesamten Antriebssystems.

Bereits in der Konzeptphase lohnt es sich deshalb, das Thema Spielfreiheit als eigenständigen Entwicklungsparameter zu betrachten. Denn ein reduziertes Spiel verbessert nicht nur die Positioniergenauigkeit, sondern erhöht auch die Regelbarkeit des Systems und sorgt für eine präzisere Kraftübertragung. Gleichzeitig können Schwingungen reduziert und die Dynamik des Gesamtsystems verbessert werden.

Dabei gilt: Spielfreiheit ist nicht allein eine Frage der Fertigungsgenauigkeit. Einen wesentlichen Einfluss haben die Auswahl der Verzahnungstechnologie, die konstruktive Auslegung sowie die Abstimmung aller Komponenten im Getriebe. Deshalb empfiehlt sich eine ganzheitliche Betrachtung bereits zu Beginn der Entwicklung.

Ein Beispiel hierfür ist die Beveloidverzahnung. Diese konische Stirnradverzahnung eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Anforderungen an minimales Flankenspiel und hohe Steifigkeit. Durch die entgegengesetzten Kegelwinkel von Rad und Ritzel kann der Zahnkontakt gezielt beeinflusst werden. Das sorgt für eine hohe Tragfähigkeit und eine präzise Spieleinstellung – ohne auf die Vorteile klassischer Stirnradverzahnungen verzichten zu müssen.

Moderne Simulationsmethoden unterstützen dabei, unterschiedliche Varianten bereits vor dem Prototypenbau zu bewerten und hinsichtlich Belastbarkeit, Wirkungsgrad und Lebensdauer zu optimieren. Gleichzeitig gewinnt die Integration intelligenter Sensorik an Bedeutung. Zustandsdaten wie Temperatur, Drehmoment oder Schwingungen ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung des Getriebes und schaffen die Grundlage für zustandsorientierte Wartung.

Fazit: Wer Spielfreiheit von Beginn an berücksichtigt und Entwicklung, Verzahnungstechnologie sowie Fertigung als Gesamtsystem betrachtet, schafft die Basis für präzise, langlebige und wirtschaftliche Antriebslösungen – insbesondere bei anspruchsvollen kundenspezifischen Anwendungen.

Motoren: Mehr Drehmoment aus weniger Bauraum

Der Axialflussmotor W80 AX-Gen eröffnet OEMs neue Möglichkeiten zur Umsetzung kompakter Maschinenkonzepte: Da der Hersteller WEG den Bauraum des neuen Motors im Vergleich zu anderen Modellen um rund ein Drittel reduziert hat, ermöglicht die neue Motorenbaureihe eine deutliche Verkleinerung von Maschinen und Anlagen. Gleichzeitig lassen sich durch das Downsizing der Antriebstechnik die Logistikkosten senken und CO₂-Emissionen entlang der gesamten Produktionskette verringern. Die Motoren sind in den fünf Baugrößen von IEC 160 bis 250, mit Leistungen zwischen 5,5 und 200 Kilowatt und Drehzahlen von 1.500 min^-1 bis 3.700 bzw. 7.500 min^-1 (je nach Baugröße) erhältlich. 

Da beim Axialflussmotor der elektromagnetische Fluss parallel zur Drehachse des Motors verläuft, ist eine deutlich kompaktere Bauweise möglich. So misst der W80 AX-Gen in der größten Baugröße nur circa 300 Millimeter in der Länge (inklusive Abtriebswelle), die maximale Breite beträgt rund 540 Millimeter. In dieser Ausführung liefert der Motor ein Drehmoment von bis zu 637 Newtonmeter. Selbst die kleinste Motorenvariante mit einer Gesamtlänge von gut 170 Millimeter bietet noch ein Drehmoment von 33 Newtonmeter.  

Gleichzeitig ist der Materialeinsatz geringer als bei vergleichbaren Radialmotoren. Zur Nachhaltigkeit trägt auch der Wirkungsgrad der Baureihe bei: Er beträgt je nach Baugröße und Leistung bis zu 97 Prozent; die Axialflussmotoren entsprechen damit der Effizienzklasse IE5. Alle Modelle der Familie sind für einen konstanten Drehmomentbereich von 1.000:1 und einen konstanten Leistungsbereich bis zum 1,3-fachen der Nenndrehzahl ausgelegt. 

Sicherheit und Sicherheitskomponenten zu Beginn der Konstruktionsphase priorisieren

Ein häufiger Fehler in der Konstruktionsphase besteht darin, unzureichende Sicherheitsmaßnahmen zu implementieren oder diese erst zu spät in die Konstruktionsphase einzubeziehen. „Oft kommen Konstrukteure zu mir, weil sie nach einer schnellen und einfach umzusetzenden Lösung suchen“, berichtet Maarten Haulet, Vertriebs- und Anwendungsingenieur bei Nexen Europe. „Dies geschieht nach einem Gespräch mit ihrem Kunden, bei dem sie gefragt wurden, ob in ihrem Entwurf ausreichende Sicherheitsmaßnahmen berücksichtigt wurden. Dies kann leicht übersehen oder unterschätzt werden, und nun stehen sie unter Zeit- und Kostendruck, eine Lösung zu finden.“

In den späteren Phasen der Konstruktion ist die Implementierung von Sicherheitskomponenten komplizierter, da der Spielraum für Änderungen am Entwurf deutlich eingeschränkt ist. Da bereits viele Komponenten validiert sind, ist der Bedarf an einer zertifizierten Sicherheitslösung entscheidend.

Die Lösung für dieses Problem ist, Sicherheit und Sicherheitskomponenten zu Beginn der Konstruktionsphase zu priorisieren. „Änderungen in letzter Minute sind immer heikel und können zu Verzögerungen führen, da eine Neukonstruktion erforderlich ist und neue Komponenten sowie neue Lieferanten gefunden werden müssen“, sagt Haulet. „Nicht alle Konstrukteure sind mit umfassenden Risikoanalysen vertraut, was zu einer verspäteten Inbetriebnahme der Maschinen führen kann. Komponenten, die nicht über das erforderliche Sicherheitsniveau verfügen, müssen für diese spezifischen Situationen bewertet und eingestuft werden. Diese Einstufungen werden von spezialisierten Unternehmen vorgenommen und verursachen zusätzliche, unvorhergesehene Kosten.“

Die für funktionale Sicherheit zertifizierten Servomotorbremsen, Wellenbremsen und Schienenbremsen von Nexen bieten Maschinenbauern eine verifizierte Lösung für Konstruktionen, die sicherheitszertifizierte Komponenten erfordern. Mit der Iso-13849-1-Zertifizierung für funktionale Sicherheit von Intertek können Nexsafe-Bremsen an Maschinen zum Halten, für Not-Aus oder zum Positionieren verwendet werden. „Sicherheit sollte für jedes Unternehmen oberste Priorität haben und bei der Konstruktion neuer Maschinen berücksichtigt werden“, sagt Haulet. „Viele Unternehmen versichern ihren Kunden, dass ihre Produkte ‚sicher‘ sind, verfügen jedoch über keine Einstufung für die höheren Sicherheitsstufen, was schwerwiegende Folgen für den Endnutzer haben könnte.“

Aktuatoren als Schlüssel zur sicheren, autonomen Robotik

Autonome, mobile Roboter eröffnen vielfältige Einsatzmöglichkeiten, stellen Konstrukteure jedoch vor neue sicherheitstechnische Herausforderungen, insbesondere in unstrukturierten Umgebungen. Anders als in klassischen Industrieanwendungen fehlen hier klar definierte Abläufe und Regeln. Umso wichtiger ist es, sicherheitsrelevante Funktionen direkt in die Antriebstechnik zu integrieren.

Aktuatoren spielen dabei eine zentrale Rolle: Sie bestimmen, wie Kräfte entstehen und auf die Umgebung wirken. Ihre Auslegung entscheidet maßgeblich darüber, ob ein Roboter kontrolliert und sicher agiert oder potenzielle Risiken für Menschen und Infrastruktur entstehen. Konstrukteurinnen und Konstrukteure sollten daher gezielt auf Aktuatoren mit integrierten Sicherheitsfunktionen setzen. Dazu zählen beispielsweise sichere Drehmomentabschaltung, präzise Geschwindigkeitsbegrenzung, definierte Bremsmechanismen sowie überwachte Positions- und Kraftregelung.

Gerade bei mobilen Systemen – etwa Humanoiden oder beintragenden Robotern – sind kompakte, leichte und hochintegrierte Lösungen erforderlich. Klassische Redundanzen lassen sich hier oft aus Platz-, Gewichts- oder Kostengründen nicht realisieren. Stattdessen empfiehlt es sich, Sicherheit direkt auf Komponentenebene zu verankern. Moderne Antriebslösungen, wie sie unter anderem von Maxon angeboten werden, zeigen, wie sich Funktionalität und integrierte Sicherheitsmechanismen effizient kombinieren lassen.

Für eine robuste Gesamtlösung ist jedoch die enge Verzahnung von Aktuatorik, Sensorik und Steuerung entscheidend. Aktuatoren dürfen nicht isoliert betrachtet werden, sondern müssen in ein ganzheitliches Sicherheitskonzept eingebunden sein. Insbesondere in unvorhersehbaren Umgebungen ist eine abgestimmte Systemarchitektur erforderlich, um Risiken frühzeitig zu erkennen und geeignete Reaktionen auszulösen.

Trotz aller Maßnahmen bleibt ein Restrisiko bestehen, etwa durch externe Einflüsse oder unerwartete Systemzustände. In der Konstruktion sollten Anwender daher nicht nur auf maximale technische Sicherheit achten, sondern auch auf kontrolliertes Fehlverhalten und definierte sichere Zustände im Fehlerfall.

Fazit: Wer autonome Robotersysteme entwickelt, sollte Aktuatoren als sicherheitskritische Schlüsselkomponente behandeln. Durch gezielte Auswahl, Integration und Absicherung der Antriebstechnik lassen sich Risiken deutlich reduzieren und gleichzeitig leistungsfähige, praxistaugliche Systeme realisieren.

Autor: Mario Mauerer, Business-Development-Manager Robotics bei Maxon Motor GmbH

Periodische Anregung: Die Herausforderung für Sicherheitskupplungen im Prüfstand

In Prüfständen treffen hohe Drehschwingungsanregungen häufig auf hochsteife Antriebskomponenten. Insbesondere Kolbenpumpen oder hochdynamische Prüfzyklen erzeugen periodische Lastwechsel, die sich deutlich vom klassischen Maschinenbetrieb unterscheiden. Standard-Sicherheitskupplungen stoßen dabei zunehmend an ihre Grenzen.

Die Ursache sind Resonanzeffekte und periodische Lasten im Antriebsstrang. Sie erhöhen nicht nur die dynamische Beanspruchung, sondern verändern auch die Kontaktbedingungen innerhalb der Kupplung. Bei formschlüssigen Sicherheitskupplungen mit Kugel-Rastmechanismus führen hochfrequente Lastwechsel zu Mikrobewegungen an den Kontaktflächen. Daraus entstehen Einlauf- und Setzvorgänge, welche die Kontaktgeometrie und wirksame Vorspannung des Tellerfederpakets verändern. Die Folge ist: Das Ausrückmoment driftet.

Diese Effekte treten häufig bereits bei neuen Kupplungen auf und stabilisieren sich erst nach einer längeren Einlaufphase. Für Prüfstände ist das kritisch, da reproduzierbare Ausrückmomente und ein definiertes Systemverhalten Voraussetzung für belastbare Messergebnisse sind.

Elastische Kupplungen sind zur Schwingungsdämpfung meist keine Alternative. Zwar reduzieren Elastomere die Schwingungsamplituden, gleichzeitig sinken jedoch die Torsionssteifigkeit und Modellierbarkeit des Gesamtsystems. Für hochpräzise Mess- und Synchronisationsaufgaben ist dies in der Regel inakzeptabel.

Eine wirksame Alternative ist die gezielte Optimierung der Werkstoffauswahl innerhalb der Sicherheitskupplung. Durchgehärtete Werkstoffe in stark beanspruchten Kontaktbereichen, etwa an Anbauflansch und Schaltring, reduzieren Einlauf- und Setzeffekte deutlich. Da durchgehärteter Werkzeugstahl über den gesamten Querschnitt eine hohe Härte aufweist, bleiben Kontaktmechanik und Ausrückmoment auch unter dynamischer Schwingungsbelastung stabil und reproduzierbar. Gleichzeitig sinkt der Verschleiß erheblich, wodurch sich die Lebensdauer – abhängig von der Anwendung – um den Faktor zwei bis zehn erhöhen lässt. Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen kann eine FEM-Analyse helfen, kritische Spannungen und Verformungen frühzeitig zu identifizieren. Dies wird beispielsweise von R+W Antriebselemente GmbH angeboten. 

Für Konstrukteure bedeutet dies: Neben dem maximalen Drehmoment sollte insbesondere das Schwingungsverhalten des Antriebsstrangs in die Auslegung einfließen. Eine anwendungsgerechte Werkstoffauswahl trägt zur Funktionssicherheit, zu reproduzierbarem Ausrückverhalten und zur Lebensdauer der Sicherheitskupplung bei.