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Antriebskonzept

Modulares Antriebssystem: von der Abtriebswelle bis zur Leitebene

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Faserverbundwerkstoffe lösen klassische Werkstoffe ab

Die Substitution klassischer Werkstoffe durch Faserverbundwerkstoffe erbringt wegen materialimmanenter Eigenschaften zukunftsweisende Vorteile in der mechanischen Antriebstechnik. Bestechende Argumente für deren Einsatz sind: hohe Festigkeit und Biegsamkeit, sehr niedriges Gewicht, positives Verhalten bei wichtigen Anwendungskriterien wie Energieaufnahme, Schwingungsfestigkeit und -dämpfung, Korrosions- oder Alterungsbeständigkeit.

Faserverbundwerkstoffe beruhen auf dem Prinzip der Einbettung unterschiedlicher Fasertypen in eine Kunststoffmatrix. Diese hat die Aufgabe, die Fasern zu stützen und die wirkenden Kräfte gleichmäßig zu verteilen. Um dieses zu gewährleisten, ist eine kraftschlüssige Verbindung zwischen beiden Komponenten notwendig. Je besser die Haftung, umso höher die Festigkeit. Die Kunststoffmatrix bestimmt somit im Verbundwerkstoff wesentliche Eigenschaften wie Chemikalienbeständigkeit, Alterungsverhalten, elektrisches Verhalten sowie den Schwund beim Härten/Vulkanisieren. Gebräuchliche Kunststoffe für die Matrix sind Epoxid-, Polyurethan- und Polyesterharze. Die in der Matrix eingebetteten Fasern bestimmen die mechanischen Eigenschaften der Bauteile wie Zugfestigkeit, Biegsamkeit und Schlagzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Arbeitsaufnahme. Das Eigenschaftsverhalten kann durch die Wahl der Fasererzeugnisse und des Fasergehalts beeinflusst werden. Als Verstärkungselemente sind Endlosfasern aus Kohlenstoff oder Aramid in Form von Bändern oder Seilen zu nennen. Für das Gesamtsystem sind Kennwerte wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmedehnung abhängig vom Mengenverhältnis zwischen Kunststoffmatrix und Fasern.

Energieaufwand reduzieren

Der Einsatz von Hochleistungs-Zahnriemen in Getriebesträngen hat erhebliche Vorteile im Hinblick auf den Energiebedarf. So verringert eine Reduzierung der rotierenden Massen primär den Energieaufwand in den Beschleunigungsphasen (Hochlauf, Abbremsen, Schnellhalt, Not-Aus) und führt dadurch zu kleineren Antriebsmotoren und Bremsaggregaten. Die erzielten Gewichtsvorteile bei den rotierenden Massen bieten zusätzlich ein erhebliches Potential zur Reduktion der Querschnitte der am Antriebsstrang beteiligten Wellen und Transmissionsbauteilen. Das wirkt sich wiederum positiv auf die Gesamtkonstruktion der Maschinen aus. Werden diese Aspekte bereits im Entwurfsstadium berücksichtigt, lassen sich zusätzliche, sekundäre Gewichtseinsparungen am Rohbau erzielen. Außerdem wird der Aufwand für das Maschinenfundament reduziert.

Neues Antriebssystem von KCI

  • Abbildung 1 in der Bildergalerie zeigt den mechanischen Antriebsstrang eines von der Firma Kabel.Consult.Ing zum Patent angemeldeten Antriebssystems mit einem Planetengetriebe, dessen Sonnenrad von einem Drehstrom-Servomotor und dessen Hohlrad von einem zweiten, baugleichen Drehstrom-Servomotor angetrieben wird, wobei der Abtrieb über die Lagerung der Planetenräder erfolgt. Gekennzeichnet ist der mechanische Teil des Antriebssystem dadurch, dass das Hohlrad des Planetengetriebes über einen Hochleistungs-Zahnriemen - mit Kevlar/Kohlefaser-Zugelementen - angetrieben wird, wobei der Hochleistungs-Zahnriemen außen am Hohlrad fest anliegt und eine spielfreie Lasttrum/Lostrum-Verbindung bewerkstelligt. Das Ganze kann jetzt - nach dem gleichen Prinzip - mit weiteren baugleichen Antriebseinheiten modular gekoppelt werden.
  • Abbildung 2 in der Bildergalerie zeigt eine Gleichungsmatrix mit zwei Leistungsverzweigungen und drei Antriebsmotoren in Abhängigkeit von Ankerstellbereich, Feldschwächebereich, Drehmoment, Drehzahl und Leistung. Die Abtriebsdrehzahl des modular gekoppelten Antriebssystems ergibt sich gemäß der erweiterten Willis-Gleichung. Dabei werden die Motoren bei geringen Anforderungen im Feldschwächebereich, und bei zunehmenden Anforderungen hinsichtlich eines zunehmenden Drehmoments im „klassischen Ankerstellbereich“ bevorzugt als Einzelantriebe, betrieben. Falls eine noch höhere Leistung bzw. ein noch höheres Drehmoment erforderlich ist, so wird dies über das Zuschalten weiterer Motoren erreicht, die vorher blockiert waren.
  • Abbildung 3 in der Bildergalerie zeigt ein Block-Schema eines Gesamt-Antriebssystems zu einer Gleichlaufanwendung. Die einzelnen schematisch angedeuteten Antriebsstränge weisen jeweils zwei Antriebsmotoren auf. Je nach Applikationszweck unterliegen die einzelnen Abtriebswellen unterschiedlichen Drehzahlen/Drehmomenten bzw. Leistungskennlinien.

Vorteile für Konstrukteure und Maschinenbetreiber

Gegenüber einem konventionellen „Ein-Motor-Ein-Getriebestrang-Ein-Umrichter“-Aufbau hat dieses neue Antriebskonzept, bestehend aus je mindestens zwei Servoverstärkern (Doppelmodul) und Drehstrom-Servomotoren plus – über Hochleistungszahnriemen zusammengesetzte – Planeten-Koppelgetriebe den Vorteil eines wesentlich höheren Gesamt-Wirkungsgrades mit der Folge, kleinere Motorenleistungen mit geringen Betriebskosten installieren zu können. Die Vorteile des Gesamt-Antriebssystems sind auch die gleichen eines jeden Modularisierungszieles. Für den Maschinenentwickler: niedrigere Entwicklungskosten, kostengünstige Herstellung durch Stückkostendegression, baugleiche Serien und einheitliche und damit einfachere Montageprozesse. Für den Maschinenbetreiber: schnelle und damit kostengünstige Reparaturarbeiten durch Austausch eines fehlerhaften Moduls, durch Kompatibilität und Einsatz von Gleichteilen wird die Ersatzteilbevorratung auf ein Minimum reduziert. Durch die durchgängige Modularisierung lässt sich deren Verständlichkeit und Akzeptanz für den Hersteller (Vertrieb, Montage, Inbetriebnahme, Ersatzteilservice) und den Anwender (Einkauf, Bedienung, Instandhaltung) signifikant erhöhen.

Das neue und zum Patent angemeldete Antriebssystem ist Signo-gefördert und gehört zur „Förderinitiative des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie“. (sh)

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