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Antriebskonzept Modulares Antriebssystem: von der Abtriebswelle bis zur Leitebene

Die digitale Vernetzung ist in der Antriebstechnik längst angekommen. Aber auch auf der „mechanischen Strangseite“ kann eine intelligente und energetische Vernetzung zu mehr Funktionsinhalten und Vorteilen führen.

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Das neue Antriebssystem, mit Planetengetriebe und zwei baugleichen Drehstrom-Motoren, wurde von Kabelconsulting zum Patent angemeldet.
Das neue Antriebssystem, mit Planetengetriebe und zwei baugleichen Drehstrom-Motoren, wurde von Kabelconsulting zum Patent angemeldet.
(Bild: Kabelconsulting)

Effizienz, Nachhaltigkeit, Modularisierung und Vernetzung sind heutzutage zentrale Ziele nahezu aller technischen Produktneuentwicklungen. Diese hohe Priorisierung hat viele Gründe: Folgen des Klimawandels, Verknappung von Rohstoffen, Image und Psychologie, gesetzliche Anforderungen und Normierung und „last but not least“ wirtschaftliche Vorteile für das eigene Unternehmen. Der Trend in der Antriebstechnik war in den letzten 25 Jahren geprägt von der Substitution aufwendiger mechanischer Antriebssträngen, wie Königswellen, drehzahlveränderbarer CVT-Getrieben oder manuellen Schaltgetrieben, hin zu elektronischen Drehzahlkoordinierungen mit dezentraler Antriebs- und Steuerungstechnik.

Modularer Aufbau erlaubt Flexibilität

Mehrere Faktoren waren für diesen Trend ausschlaggebend: Modular aufgebaute Maschinen erlauben größere Flexibilität, kürzere Inbetriebnahmezeiten und sind an die räumlichen Gegebenheiten des Maschinenbetreibers besser anpassbar. 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 bzw. Vereinheitlichung von Antriebskomponenten (Netzgerät, Umrichter, Kabel, Stecker, Getriebe, Motor) stand bis heute nicht im Vordergrund.

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Schaut man sich also den Schaltschrank (Elektrik) bzw. die verschiedenen Antriebsstränge (Mechanik) und die Motoren einer Produktionsmaschine, eines Roboters oder eines komplexen Handhabungsmechanismus genauer an, so vermisst man doch meistens eine „Einheitlichkeit“. Das liegt daran, dass jeder Getriebestrang einer der Anwendung spezifischen Lastmoment-/Drehzahlkennlinie (Konstantleistungskurve, linear oder hyperbolisch ansteigende Leistungskennlinie) unter Dauerlastbedingungen (statisch, schwellend, wechselnd) unterliegt und auf maximale Betriebszustände (Fmax, vmax, amax, Tmax, nmax, αmax, mmax, Jmax) 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.

Trend zu Downsizing und Gewichtsreduktion

Der Entwicklungsingenieur, dem die Aufgabe gestellt wird, einen Antriebsstrang für eine neue Lastmaschine auszulegen, kann angesichts der überhaupt möglichen Optionen und der Vielfalt am Markt verfügbarer Komponenten unsicher werden, ein eindeutiges Optimum zu finden, denn es konkurrieren unterschiedliche Antriebsarten und Antriebsprinzipien.

Alle diese Systeme 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 Übertragungsprinzipien und zum anderen sind sie im Eigenschaftsprofil der Anwendung begründet. Hierzu zählen auch das dynamische Verhalten bei der Übertragung von Drehmoment und Drehzahl sowie das Verhalten in Grenzsituationen. Während der vergangenen Jahre war eine solche Verschiebung festzustellen, auf die auch hier näher eingegangen wird. Galt im vorigen Jahrhundert beispielsweise das Schneckengetriebe für den 1Q-Betrieb oder der Keilriemenantrieb in Verbindung mit einem drehzahlveränderbaren CVT-Getriebe als das Maß aller Dinge, soweit es um eine gleichmäßige Leistungsübertragung über den nutzbaren Drehmoment/Drehzahl-Bereich der Lastmaschine ging, so gelten heutzutage Planetengetriebe, Planeten-Koppelgetriebe und insbesondere Hochleistungs-Zahnriemenantriebe - auf Basis von Faserverbundtechnik - als Referenz für die anderen Getriebearten.

Planeten- oder Umlaufrädergetriebe versus Stirnrad- und Kegelradgetriebe

Planeten- oder Umlaufrädergetriebe werden heutzutage wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften (geringes Gewicht und hohe Raumleistung) und vielseitige Einsatzmöglichkeiten als Standgetriebe und Überlagerungsgetriebe (Summengetriebe, Verteilergetriebe, Differentialgetriebe) in allen Bereichen der Antriebstechnik angewendet. Man findet sie vielfach in automatischen Fahrzeug-Schaltgetrieben, aber auch im stationären Bereich, z.B. zum Antreiben von Werkzeugmaschinenachsen oder modernen Aufzügen. Den Vorteilen von Planetengetrieben steht der meist geringere Bauaufwand der Stirnrad- und Kegelradgetriebe gegenüber, so dass auf den ersten Blick keine allgemeine Wertung über diese Getriebetypen ausgesprochen werden kann.

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