Miniaturisierung von Antriebssystemen mit höchster Präzision

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Harmonic Drive Getriebe zeichnen sich durch sehr hohe Übersetzungen (bis 1:320; für Mikrogetriebe bis 1:1000) in einer Stufe aus. Sowohl Gewichts- als auch Volumenverhältnis eines Harmonic Drive Aktuators bezogen auf einen Motordirektantrieb sind deutlich kleiner Eins. Darüber hinaus bleiben die Harmonic Drive Getriebe über ihre gesamte Lebensdauer spielfrei. Somit verhält sich die Motor-Getriebeeinheit nahezu wie ein Direktantrieb. Die hohen Drehsteifigkeit des Getriebes trägt wesentlich zu diesem Verhalten bei.

Oft wird eine Hohlwelle zum Durchleiten verschiedener Medien gefordert. Auch dies kann mit dem Getriebeprinzip verwirklicht werden.

Harmonic Drive fertigt auch das weltweit kleinste spielfreie Mikropräzisionsgetriebe: es zeichnet sich durch eine Übersetzung von 1:500 bei einem Spitzendrehmoment von 20 mNm in einem Bauraum von 8 mm Durchmesser und 11,6 mm Länge aus.

Welche Möglichkeiten bieten Kleinantriebe zur Leistungssteigerung?

Schulze: Eine erhebliche Leistungssteigerung durch Miniaturisierung ist dort zu erreichen, wo Antriebe bewegte Massen im Prozess sind. Eine dafür typische Anwendung der Harmonic Drive Kleinstantriebe ist die Bewegung von Roboterarmen: Die Massen der Antriebe in den Kopf- und Handachsen müssen durch die Antriebe der Hauptachsen mit beschleunigt werden. Gelingt es nicht, das Gewicht dieser Antriebe entsprechend der geforderten Dynamik gering zu halten, sind oft aufwändige Konstruktionen nötig, um ausreichende Beschleunigungswerte zu erreichen. Können die Massen um wenige Prozent reduziert werden, trägt das zu einer erheblich höheren Dynamik bei.

Durch Leistungskonzentration der elektromechanischen Energiewandler wird es möglich, Applikationen mit hohem Kraft- bzw. Drehmomenteinsatz auf kleinstem Bauraum zu realisieren, die bisher nur hydraulischen Antriebskonzepten vorbehalten waren. Für Letztere ist in der Regel ein permanent bereitgestellter Systembetriebsdruck Voraussetzung. Das erfordert einen ständigen Energieaufwand. Elektromechanische Antriebe haben diese Nachteile nicht, da in fast allen Fällen elektrischer Strom ohnehin vorhanden ist. Gelingt es, sämtliche hydraulischen Antriebe eines Systems zu eliminieren, kann auch das dazugehörige Hydrauliksystem entfallen. In verschiedenen Branchen wird derzeit an solchen Lösungen gearbeitet.

Wo liegt das größte Potenzial zur weiteren Miniaturisierung von Antrieben?

Schulze:Das größte Potenzial liegt in der Entwicklung neuartiger, origineller Antriebskonzepte und kinematischer Ansätze, die umfassend die Nutzung der grenzenlosen Möglichkeiten intelligenter elektronischer Module integrieren. Die Anwendung neuer Werkstoffe, die konsequente Abstimmung der Komponenten aufeinander und die Nutzung von Synergien untereinander sind zusätzliche und wesentliche Methoden weiter zu verkleinern.

Materialen für hohe Beanspruchung, wie Nickel-Eisen-Legierungen, können beispielsweise die übertragbaren Momente bei gleichzeitig verringerten Abmessungen steigern. Werden die Materialoberflächen zudem vergütet und behandelt, kann das Material noch höher beansprucht werden.

Mit dem Einsatz von Hochtechnologiekunstoffen wird deutlich Masse reduziert, denn Polymere mit entsprechenden Faserzusätzen haben eine hohe Festigkeit bei geringerer Dichte. Materialien für eine verlustreduzierte aber zuverlässige Abdichten sind ebenso ein Schlüssel weiterer Verkleinerung. Dies gilt insbesondere für Antriebe mit Hohlwelle, da hier der Reibradius vergleichsweise groß ist. Die Verluste durch die notwendigen Dichtelemente sind vor allem bei hohen gegenseitigen Oberflächengeschwindigkeiten der Reibpartner erheblich.

Auf die Materialoberflächen abgestimmte Schmierstoffe mit über einen weiten Temperaturbereich kleinen Verlustkennziffern bewirken Wunder. Dies gilt insbesondere für Harmonic Drive Getriebe mit dem funktionsbedingten großen elliptischen Antriebslager.

Das Motorenvolumen lässt sich weiter reduzieren durch eine erhöhte Getriebedrehzahl. Dazu trägt auch die Auswahl einer geeigneten Motortechnologie bei. So haben permanent erregte Synchronmotoren was Effizienz und Kompaktheit betrifft deutliche Vorteile gegenüber anderen Motortechnologien. Mit Hochenergiematerialien wie Neodym-Eisen oder Samarium-Kobalt für die eingesetzten Motormagnete oder Eisen-Kobalt-Legierungen für die magnetischen Aktivteile lassen sich der Bauraum und das Gewicht weiter verringern.

Teil 3: Welche Voraussetzungen sind nötig, um kleinste Antriebskomponenten zu entwickeln und zu fertigen?

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