Hilfe auf Rädern

Robotik - Mobile Rettungsroboter arbeiten oft unter extremen Umweltbedingungen. Besonders belastet sind dabei die Fahrwerk-Komponenten. Bei einer Neuentwicklung einer Bremer Hochschule gewährleisten Gleitlager aus Kunststoff einen sicheren Betrieb.

11. September 2007

Eine moderne Möglichkeit zur Hilfe bei schweren Katastrophen wie Erdbeben oder bei Gefahrgutunfällen ist der Einsatz von mobilen Rettungsrobotern. Sie arbeiten in Trümmerbergen oder in kontaminierten Bereichen und dienen dazu, Opfer zu finden sowie die Situation einzuschätzen. Dabei müssen sie ? und besonders das Fahrwerk ? oft recht raue Umgebungsbedingungen verkraften.

Eine Forschungsgruppe, die sich schon seit 2001 der Entwicklung von Rettungsrobotern widmet, ist die Robotik-Gruppe an der Jacobs University Bremen unter der Leitung von Professor Dr. Andreas Birk.

Ein Problem bei bestehenden Lösungen ist, dass sie oft nicht genügend Platz bieten, um die nötige Rechenleistung und die Sensoren unterzubringen, ohne zugleich die erforderliche Geländegängigkeit zu verlieren. Die Bremen Wissenschaftler entwickelten deshalb im Bereich der Fahrwerke einen Raupenantrieb mit einem speziellen zusätzlichen Stützmodul, das die Auflagefläche und den Schwerpunkt des Systems aktiv verändern kann. Dadurch lassen sich sowohl enge Passagen als auch größere Hindernisse inklusive Treppen und Geröllhalden überwinden.

Harter Einsatz für die Lager

Die Ansprüche an die Konstruktion waren äußerst vielfältig, erzählt Professor Birk: »Beim Umsetzen der grundlegenden mechatronischen Konzepte haben wir schnell erkannt, dass die Lager eine zentrale Rolle spielen. Sie müssen starke mechanische Belastungen verkraften und sind Kälte, Hitze, Wasser, Staub und Dreck ausgesetzt, bei Chemieunfällen sogar aggressiven Substanzen. Außerdem müssen sie praktisch wartungsfrei sein und extrem zuverlässig arbeiten. Und natürlich darf ihr Preis nicht zu hoch ausfallen.«

Mittel der Wahl waren schließlich Kunststoff-Gleitlager aus dem Iglidur G-Programm des Kölner Kunststoffspezialisten Igus, die sich als äußerst robust erweisen und keine Probleme mit Verschmutzung haben. Für Professor Birk gab es dabei keine Alternative: »Bei unseren Prototypen haben wir auch Kugellager getestet. Ihre Einbaugröße und Verschmutzungsprobleme waren jedoch kritisch. «

Zum Einsatz kommen die Gleitlager im Fahrwerk als Lager der Antriebs- und Stützachse sowie im zusätzlichen Raupenantrieb, dem sogenannten »Flipper«, der dem Roboter eine besonders gute Geländegängigkeit verschafft. Die kostengünstigen Allroundlager arbeiten bei niedrigen bis mittleren Gleitgeschwindigkeiten und widerstehen extrem hoher Belastung. Sie eignen sich sowohl für Schwenk- als auch für Drehbewegungen und lassen sich mit unterschiedlichsten metallischen Wellenmaterialien kombinieren.

Vielfältiger Nutzen

Der verwendete Hochleistungskunststoff Iglidur G setzt sich zusammen aus einem Basispolymer sowie Fasern, Füllstoffen und Festschmierstoffen, die homogen miteinander vermischt sind. Diese Kombination erfüllt gleich mehrere Anforderungen an die Oberfläche von Gleitlagern: Zum einen soll sie einen möglichst niedrigen Reibwert bei minimalem Verschleiß aufweisen, sich jedoch unter den Kräften, die auf das Maschinenelement wirken, nicht verformen.

Die einzelnen Bestandteile teilen sich diese Aufgaben. Während die Basispolymere über die Verschleißfestigkeit entscheiden, verstärken Fasern und Füllstoffe die Lager, sodass auch hohe Kräfte oder Kantenbelastungen aufgenommen werden. Die Festschmierstoffe schließlich schmieren die Lager selbstständig und vermindern die Reibung im System. Da sie in winzige Kammern eingebettet sind, gewährleisten sie jederzeit eine optimale Schmierung, sobald sich das Lager oder die Welle in Bewegung setzt.

Der Reibwert des Kunststoffs sinkt mit zunehmender Belastung und steigt mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit. Damit eignen sich die Gleitlager speziell für den Einsatz bei hohen Belastungen und eher niedrigen Geschwindigkeiten. Da andererseits ein zu glatter Gegenlaufpartner den Reibwert und den Verschleiß erhöht, empfehlen sich geschliffene Oberflächen mit einer Mittenrauigkeit Ra von 0,8 Mikrometer.

Vorteilhaft gerade beim Einsatz in Rettungsrobotern ist neben diesen mechanischen Eigenschaften zudem die hohe Chemikalienbeständigkeit der Iglidur G-Gleitlager: Sie verkraften die meisten Schmierstoffe sowie schwache organische und anorganische Säuren und bieten im Normalklima Feuchtigkeitsaufnahme von lediglich etwa 1 Prozent. Die Sättigungsgrenze im Wasser bei 5 Prozent.

Die konsequente Verwendung von Kunststoffgleitlagern in allen mechatronischen Komponenten des Roboters ermöglicht deshalb Systeme, die sehr robust gegenüber den harschen Umweltbedingungen bei Katastrophen- und Rettungseinsätzen sind. Zudem gewährleistet die Selbstschmierung der Lager diese Zuverlässigkeit und hohe Lebensdauer ohne Wartungsaufwand. Hinzu kommen das geringe Gewicht und die kleinen Abmessungen der Kunststoffgleitlager sowie deren Wirtschaftlichkeit.

Zudem können die schmiermittelfreien Polymerprodukte sogar umwelttechnische Akzente setzen und gleichzeitig die Kosten signifikant senken, erklärt Gerhard Baus, Prokurist Kunststoff-Gleitlager bei Igus: »Nach vorsichtigen Schätzungen belasten in Deutschland jährlich 250.000 Tonnen herkömmlicher Schmierstoffe die Umwelt. Maschinenelemente, die sich auch für Trockenlauf eignen, können diese Situation positiv beeinflussen.«

André Kluth, Igus/bt

Fakten

- Die Gleitlager der Serie Iglidur G des Kölner Kunststoffspezialisten Igus eignen sich für zahlreiche Anwendungen

- Der spezielle Werkstoff eignet sich für extrem hohe Belastungen bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten

- Die wartungsfreien Lager benötigen kein externes Schmiermittel und sind unempfindlich gegen Schmutz.

Erschienen in Ausgabe: 06/2007