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Antriebssystem – Ein neuartiges Hochleistungsgetriebe und das daraus entwickelte Galaxie Antriebssystem übertreffen bisherige Lösungen in sämtlichen technischen Disziplinen um Faktoren.

18. März 2015

Das Grundelement der allermeisten mechanischen Getriebe sind Zahnräder. Ein Nachteil dieser Art der formschlüssigen Kraftübertragung ist jedoch ihre begrenzte Tragfähigkeit aufgrund der lediglich linien- oder punktförmigen Berührung im Zahnkontakt. Dies gilt auch für bisher bekannte Exzentergetriebe mit einer Verzahnung auf Basis der Zykloide oder Evolvente, bei denen durch die Belastung bestenfalls eine kleine Druckellipse entsteht – weit entfernt von einem wirklich vollflächigen Zahneingriff.

Einen völlig neuen Weg geht hier das sogenannte Galaxie Antriebssystem der Wittenstein AG, der sich bei ausgewählten Lead-Kunden bereits seit mehr als zwei Jahren bewährt und Produktivitäts- und Qualitätssteigerungen von teilweise mehr als 100 Prozent ermöglicht. Dieser neuartige Getriebetyp übertrifft die bekannten Planeten-, Exzenter- und Harmonic-Drive-Getriebebauformen in allen messbaren technischen Disziplinen, sagt dessen Erfinder Thomas Bayer, Leiter Galaxie Antriebssysteme bei dem Antriebs- und Mechatronikspezialisten mit Sitz im nordwürttembergischen Igersheim: »Die neue Getriebegattung ist in allen wichtigen technischen Disziplinen um Faktoren besser, und das können wir beweisen.«

Vollflächiger Zahnkontakt

Grundlage des neuartigen Getriebeprinzips ist die Abkehr von einer Verzahnung mit einem Wälzpunkt hin zu einer Verzahnung mit einem echten Flächenkontakt. Möglich wird dies durch die oszillierende radiale Bewegung von Einzelzähnen, die auf einem hydrodynamischen Schmierfilm in die Innenverzahnung eines feststehenden Hohlrads greifen. Neben diesen beweglichen Einzelzähnen und dem feststehenden Hohlrad bestehen die neuen Getriebe aus drei weiteren Komponenten: Einem Polygon mit abgerundeten Ecken, das mit der Eingangswelle verbunden ist, dem Zahnträger als Abtrieb sowie einem Nadellager mit einem segmentierten Außenring, das sich zwischen dem Antrieb und den beweglichen Zähnen im Zahnträger befindet. Bei Rotation verschiebt das Polygon nacheinander einzelne Zähne radial nach außen. Diese gleiten dabei auf die Flanke der feststehenden Innenverzahnung, worauf sich der Zahnträger entgegen der Drehrichtung des Polygons verdreht.

Die Übersetzung des Getriebes errechnet sich aus dem Quotienten zwischen der Zähnezahl des Hohlrads und der Polygonzahl. So ergeben sich bei 50 Zähnen im Hohlrad und einer Polygonzahl von 2 eine Übersetzung von 24, beim 3er-Polygon und 51 Zähnen im Hohlrad eine Übersetzung von 16. In Kombination mit einer Vorstufe kann so ein Übersetzungsbereich von i=16 bis 240 abgedeckt werden. Völlig neue Optionen für die Maschinenkonstruktion bieten insbesondere niedrige Übersetzungsverhältnisse unter 50, da dieser Bereich mit anderen Präzisionsgetriebebauarten nicht abdeckt werden kann.

Überlastbar, drehsteif und effizient

Ein Kennzeichen des neuen Getriebetyps ist seine hohe Überlastfähigkeit, die selbst die Werte eines Zykloidengetriebes um den Faktor 3 übertrifft. Ein Grund dafür ist neben dem flächigen Zahnkontakt auch der adaptive Zahneingriff, da die Einzelzähne sich nicht nur radial verschieben lassen, sondern sich auch um ihre eigene Achse drehen können. Bei elastischen Verformungen nehmen sie deshalb adaptiv die Position ein, die eine optimale Druckverteilung im Zahnkontakt gewährleistet.

Ein weiterer Vorteil des Galaxie Antriebssystems ist die enorme Drehsteifigkeit, da stets nahezu sämtliche Zähne an der Drehmomentübertragung beteiligt sind. Zugleich verkürzt der extrem schmale Spalt zwischen dem Zahnträger und dem flächigen Eingriff in der Innenverzahnung die theoretische Biegelänge im Gegensatz zu herkömm-lichen Zahnrädern auf nahezu null. Insgesamt erreicht Galaxie bei einem Vergleich mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode gegenüber einem schrägverzahnten Planetengetriebe mit gleichem Hohlraddurchmesser eine 6,5-mal größere tragende Zahnfläche bei zugleich mehrfach geringeren Flächenpressungen im Zahnkontakt. In Kombination mit dem vielfachen Zahneingriff resultiert daraus eine Drehsteifigkeit, die um bis zu Faktor 5,8 größer ist als bei vergleichbaren Getrieben am Markt.

Trotz der hohen Leistungsfähigkeit arbeitet das Galaxie-Getriebe verschleißfrei und mit dauerhafter Präzision. Zusätzlich zeigten bereits die ersten Versuche trotz der vielen bewegten Einzelteile und der Gleitreibung an den Einzelzähnen Wirkungsgrade von bis zu 91 Prozent. So konnten die Entwickler nachweisen, dass sich im Zahnkontakt wie bei einem Segmentgleitlager ein hydrodynamischer Schmierfilm aufbaut, der ein stabiles Druckpolster zwischen den Kontaktflächen sicherstellt: Durch die große Anzahl an tragenden Zähnen sowie den flächigen Kontakt sind die Flächenpressungen dabei so gering, dass schon bei sehr niedrigen Drehzahlen trotz höchster Momentenbelastung stets eine hydrodynamische Schmierung vorherrscht. Da auch die Passung zwischen den runden Zahnkörpern und den Zahnträgerbohrungen nicht merkbar verschleißt, bleibt das eingestellte Verdrehspiel von 1 bis 2 Winkelminuten absolut konstant. Durch eine entsprechende Bauteilsortierung lässt sich das Getriebe zudem spielfrei einstellen, und zwar ohne dazu das maximal übertragbare Drehmoment oder die hohe Steifigkeit bei Wechselbelastung reduzieren zu müssen. Der Antrieb über das Polygon sowie die Verzahnung nach der logarithmischen Spirale liefern theoretisch einen exakten Gleichlauf. Die Ursache von letzten noch vorhandenen Gleichlaufschwankungen liegt in den unvermeidbaren Fertigungstoleranzen.

Neue Konstruktionsmöglichkeiten verspricht auch die weite Hohlwelle bezogen auf den Außendurchmesser. Um das ganze Potenzial der neuen Getriebebauform zu nutzen, hat Wittenstein deshalb einen Hochleistungsmotor entwickelt, der speziell auf die Eigenschaften des Getriebes abgestimmt ist. Motor und Getriebe bilden dabei eine mechatronische Einheit mit unerreichter Drehmomentdichte, bei der Durchmesser und Länge in etwa gleich groß sind. Eine integrierte Sensorik mit Industrie-4.0-Konnektivität gewährleistet die Zukunftssicherheit der Antriebseinheit.bt

Auf einen Blick

- Die Wittenstein AG steht weltweit für Innovation, Präzision und Exzellenz in der mechatronischen Antriebstechnik, vom Getriebe bis zu Elektronik- und Softwarekomponenten sowie Stellmotoren für die Positionierung im Nanobereich.

- Mit der Entwicklung der neuartigen Getriebetechnologie Galaxie unterstreicht die Wittenstein-Gruppe erneut ihren Anspruch, alle relevanten Technologien der Mechatronik und der Antriebstechnik zu beherrschen und weiterzuentwickeln.

- Hannovermesse: Halle 15, Stand F08

Erschienen in Ausgabe: 02/2015