Getriebe Getrieben auf den Zahn gefühlt – da geht noch was

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Zahnradgetriebe sind gute, alte Bekannte in der Antriebstechnik. Doch schaut man genauer hin, zeigt sich: Auch sie geben der Antriebstechnik immer wieder neue Impulse. Daran wird sich auch in Zukunft nichts ändern.

Wo die Entwicklung heutiger Industriegetriebe ihren Ausgang nahm, lässt sich nur schwer bestimmen. Triebstöcke in Windmühlen und Webstühlen können als Vorläufer heute eingesetzter Getriebe gelten. Mit der Einführung des Riemenantriebs zur Jahrhundertwende des 20. Jahrhunderts nahm die Entwicklung langsam Fahrt auf. Ein weiterer Meilenstein war dann einige Jahrzehnte später die Einführung von Zahnradgetrieben mit vergüteten Zahnrädern.

Technologischer Meilenstein der Getriebeentwicklung: Planetengetriebe

„Signifikant erhöhte sich die Leistungsdichte von Getrieben mit der Einführung einsatzgehärteter und geschliffener Verzahnung“, erklärt Dr. Ralf Martin Dinter, Vice President R&D, Mechanical Drives Business Unit der Siemens AG, Bocholt. Parallel zur permanenten Optimierung der Getriebe selbst, begannen Anbieter wie Siemens – damals noch Flender – mit dem Aufbau von Plattformen. „Flender entwickelte eine Plattform für Stirnrad- und Kegelstirnrad- sowie Planetengetriebe, danach kundenspezifische und Branchen-Lösungen auf Basis bewährter Baukastengetriebe“, berichtet Dinter.

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Planetengetriebe sind im Maschinenbau seit Jahrzehnten weit verbreitet. Für Thomas Bayer, Leiter Generierungsprozess der Wittenstein AG, Igersheim, gehört die Einführung des ersten spielarmen Planetengetriebes auf der Hannover Messe 1983 zu den technologischen Meilensteinen der Getriebeentwicklung. „Ihren Siegeszug feierte diese Getriebegattung dann endgültig Ende der 1980er-Jahre“, erkärt Bayer die Bedeutung für die gesamte industrielle Antriebstechnik. „Die Servotechnik wurde ja erst durch spielarme Planetengetriebe in Kombination mit neu entwickelten, permanenterregten Servomotoren möglich“. Neben den Planetengetrieben nennt Thomas Bayer zwei weitere Getriebearten, die im industriellen Umfeld von Bedeutung sind: Zykloidgetriebe in der Robotertechnik sowie Wellgetriebe, die sich in Nischenmärkten und -anwendungen zwischen den beiden anderen Getriebegattungen erfolgreich behaupten.

Dr.-Ing. Jörg Hermes leitet bei SEW-Eurodrive die Entwicklung Standardgetriebe, heute ein führender Hersteller von Getriebemotoren. „Das war deutlich vor meiner Zeit“, so Hermes, „aber die Entwicklung des SEW-Getriebemotorenbaukastens war ein Meilenstein im Getriebebau. Er erlaubt effizient eine zentrale Fertigung und ein weltweit engmaschiges Montagekonzept, um den Kunden in kürzester Zeit vor Ort zu bedienen. Der Baukasten ist bis heute für eine ganze Branche richtungsweisend.“

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Was Getriebe heute können müssen

„Eines der besonders spannenden Themen ist derzeit die Energieeffizienz von industriellen Antrieben“, erklärt Dr. Ralf Dinter von Siemens auf die Frage nach den Anforderungen, die Getriebe heute erfüllen müssen. In diesem Zusammenhang können viele Getriebe von vornherein punkten. „Unsere Planetengetriebe erreichen in der Regel einen Wirkungsgrad von 96 bis 98,5 %, abhängig von der Stufenzahl“, erklärt Dinter. Große Effizienzsteigerungen seien hier nicht drin, sie könnten dann nur über einen ganzheitlichen Ansatz erreicht werden, so Dinter: „Signifikant steigern lässt sich die Energieeffizienz über die Optimierung des gesamten Antriebssystems sowie der Applikation.“

Der Systemgedanke, der dahinter steckt, ist heute allgemein anerkannt. Aber: Eine Systemlösung ist auch nur so stark wie ihre schwächste Komponente. Auch SEW nimmt die Diskussion über die Energieeffizienz deutlich wahr. SEW-Entwicklungsleiter Hermes: „Der Systemwirkungsgrad ist schlussendlich das, was zählt. Doch man muss auch die Komponente Getriebe als wichtigen Teil der Systemlösung im Griff haben“. Vor allem im kleinen Drehmomentenbereich, bei dem insbesondere Winkelgetriebe aufgrund ihrer Bauraumvorteile stetige Wachstumzahlen zeigen, müsse man sich schon einiges einfallen lassen, damit Forderungen von Drehmoment, Wirkungsgrad und Preis in einem guten Verhältnis stehen.

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Die Welt der Getriebe im Überblick

Schnecken- und Kegelradgetriebe

Branchentypische Getriebe sind hier Schnecken- und Kegelradgetriebe, meist ein- bis zweistufig. SEW führt diese ebenfalls im Portfolio, hat jedoch bereits Mitte der 90er-Jahre die Spiroplanverzahnung als erfolgreiche Alternative bis zur Serienreife entwickelt. Hermes, auch Obmann des DIN-Arbeitskreises „Schneckenverzahnung“, schwärmt von dem Konzept. „Im Grunde wie eine kurze Schnecke ohne Gegenlager, also 'Ritzel-tauglich' – wie ein Stirnrad – sowie nahezu verschleißfrei, weil eine Stahl-Stahl-Paarung eingesetzt wird. Vergleichbar mit einem Kegelradgetriebe jedoch mit zylindrischem Ritzel. Eine Stahl-Stahl-Paarung einstufig mit großen Übersetzungen bis 75 als Winkelgetriebe auszuführen – das muss man technologisch schon beherrschen“, zählt er die Eigenschaften auf.

An diesen Themen wird bei SEW kontinuierlich weitergeforscht. Mit den Technologieentwicklungen der letzten Jahre im Bereich der Tribologie, der Fertigungstechnik und der Radsatzauslegung mit neuesten Berechnungsverfahren für optimale Zahnflankentopologien, lassen sich Übersetzungen von deutlich kleiner als 8 realisieren. Damit sind kostengünstig höchste Wirkungsgrade bis zu 98 % in einer Winkelstufe möglich. Gepaart mit einer Stirnradstufe lassen sich auch große Übersetzungen realisieren. Jörg Hermes: „Oft werden diese Getriebe im Teillastbereich betrieben, bei denen das Radsatzkonzept besondere Vorteile bietet, da wir ohne jegliche Lagervorspannung auskommen.“

Zuverlässigkeit, gepaart mit einer hohen Performance und einer großen Leistungsdichte sind weitere wichtige Kriterien, die Getriebe, ganz gleich welcher Bauart, heute erfüllen müssen. Moderne und effiziente Fertigungstechnologien und -prozesse sind laut Dr. Ralf Martin Dinter die Voraussetzung, Qualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Außerdem erwarten Kunden und Anwender eine hohe Flexibilität vom Getriebehersteller. „Flexibilität erreichen Sie über ein Baukastenprinzip und eine Getriebeplattform“, erklärt Thomas Bayer. Wittenstein zum Beispiel baue pro Jahr rund 300.000 Getriebe mit einer durchschnittlichen Losgröße von drei Getrieben, also etwa 100.000 verschiedene Getriebe. „Auf diese Art und Weise ergeben sich Millionen möglicher Varianten“, rechnet Bayer vor.

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Zykloid- und Planetengetriebe im Vergleich

Neue Innovationen für industrielle Antriebe

So weit, so gut, könnte man meinen, eigentlich ist alles klar: Zahnradgetriebe sind bekannt und bewährt, wie sich ihr Wirkungsgrad im Hinblick auf energieeffiziente Antriebe steigern lässt auch. Das Know-how in der Fertigungstechnologie spielt eine große Rolle, um die Getriebe zu vernünftigen Kosten anbieten zu können. Und Plattformen sowie Baukästen verschaffen den Herstellern die nötige Flexibilität, eine Vielzahl von Lösungen, auch kundenspezifisch, anbieten zu können.

Um so mehr Aufmerksamkeit erregen Neuentwicklungen. So geschehen auf der Hannover Messe 2015, auf der Wittenstein das Antriebssystem Galaxie für den Hochleistungsmaschinenbau sowie die High-End-Handhabungstechnik vorstellte und dafür den Hermes Award einheimste. „Der Preisträger zeigt, dass auch im Zeitalter der Digitalisierung durchaus noch Sprunginnovationen in den grundlegenden Bewegungsprinzipien für industrielle Antriebe möglich sind“, zeigte sich der Juryvorsitzende Prof. Wolfgang Wahlster begeistert.

Mit der neuen Getriebe-Kinematik haben sich die Entwickler bei Wittenstein vom Zahnrad als zentralem Getriebebauteil verabschiedet. Der Kern der Innovation ist ein Wälzlager mit polygonförmigem Innenring und ein segmentierter Lageraußenring. Das Zahnrad ist in Einzelzähne segmentiert, die auf dem umrunden Antriebspolygon angeordnet sind und entlang der Innenverzahnung des Hohlrades geführt werden. Dadurch sind jetzt fast alle Zähne gleichzeitig am Zahneingriff beteiligt. „Die spielfreie Getriebe-Kinematik ist allen bisherigen Getriebegattungen in allen technischen Disziplinen überlegen“, schwärmt Chef-Entwickler Thomas Bayer.

Die Zukunft der Getriebe

Wie geht die Reise nun weiter? „Die Integration von Motor, Getriebe und Elektronik wird starken Einfluss auf die künftige Entwicklung von Getrieben haben“, nennt Thomas Bayer den wichtigsten Trend in der Getriebeentwicklung. Dem pflichtet auch Ralf Martin Dinter bei. „Das Getriebe in immer Bestandteil des gesamten Antriebsstrangs, der in Zukunft – mit der Anbindung an die Automation – im Fokus steht.“ Ein weiterer Trend ist die Nutzung intelligenter Daten. „So könnten Sensoren an Getrieben Belastungsdaten aufzeichnen und auswerten“, erläutert Ralf Martin Dinter. „Dann können wir die Anwendung noch besser verstehen.“

„Die Daten zu bewerten und daraus die richtigen Entscheidungen abzuleiten, darin liegt das Know-how“, betont auch Hermes. Die klassische Betrachtung von Nennbetriebspunkten in der Berechnung reiche nicht mehr aus: „Das Getriebe ist eine Komponente in einem vernetzten Antriebssystem und die Interaktion der Komponenten untereinander – und das applikationsspezifisch – wird zunehmend eine interdisziplinäre Getriebeentwicklung voraussetzen.“

Auch Thomas Bayer ist sicher, dass sich die Kommunikation sowohl der Antriebskomponenten untereinander als auch mit der Steuerung der Maschine verstärkt, Stichwort Industrie 4.0. Bei der Auswertung und Nutzung der gesammelten Daten (Big Data) wird dann die Datensicherheit zur Herausforderung.

Neben diesen Entwicklungen werden auch künftig disruptive Getriebekonzepte entstehen, verspricht Bayer: „Sie sind immer wieder möglich und auch nötig, um weitere Technologiesprünge zu erzielen. Bayer: „Der 'Next Technology Drive' wird kommen!“

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