Antriebssystem Logarithmische Spirale als Vorbild

Redakteur: Stefanie Michel

Ein völlig neuartiges Antriebssystem soll die Präzision, Dynamik und Produktivität der nächsten Maschinengeneration um Faktoren steigern können. Warum und wie man er das entwickelte, erklärt uns der Leiter Galaxie-Antriebssysteme bei Wittenstein, Thomas Bayer.

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Thomas Bayer: „Mit der logarithmischen Spirale haben wir eine fundamental neue Funktion für Getriebeverzahnungen entdeckt und entwickelt.“
Thomas Bayer: „Mit der logarithmischen Spirale haben wir eine fundamental neue Funktion für Getriebeverzahnungen entdeckt und entwickelt.“
(Bild: Wittenstein)

Es gibt bereits ausgereifte Hohlwellen-Präzisionsgetriebe am Markt. Warum haben Sie eine neue Antriebsgattung erfunden?

Unsere Planetengetriebe gehören zu den präzisesten und steifsten. Optimierungen sind immer möglich, aber richtig große Entwicklungssprünge waren nicht in Sicht. Deshalb stellte ich mir die Frage: Wie sehen Getriebe aus, die unsere Kunden für die nächste Generation an Hochleistungsmaschinen benötigen?

Welche Eigenschaften sollte dieses völlig neue Getriebe haben?

Unser Team stellte alle bekannten Konzepte gegenüber: Stirnrad, Planetenrad, Hypoidgetriebe, Harmonic-Drive-Prinzip, Exzentergetriebe mit Evolvente und Zykloidgetriebe in verschiedensten Bauformen. Jedes Konzept hat seine spezifischen Stärken und Schwächen. Aber kein Getriebe konnte alles gleich gut. Steifigkeit, Tragfähigkeit, Spielfreiheit, Präzision, große Hohlwelle – wir wollten alles auf einmal und um Faktoren besser.

Um solch ein Ideal zu entwickeln muss man frei von jeglichen bisherigen Konstruktionen sein. Wie konnten Sie das mit Ihrem Team realisieren?

Wir haben zehn Konzepte entwickelt, die letztendlich „nur“ Variationen der bekannten Konzepte waren. Menschen haben das Problem, durch das erlernte Wissen und die Erfahrung vorgeprägt zu sein und werden automatisch in bekannte Denkrichtungen gedrängt. Wenn aber die ideale Lösung nicht in ihrem Denkmuster vorhanden ist, können sie die ideale Lösung auch niemals finden. Die Erfindermethode Triz half uns aus dieser Sackgasse heraus. Diese Methode führt zu der Frage, wo das Grundproblem, der Grundkonflikt ist. Alle mechanischen Konzepte verfügen über Zahnräder oder sind Varianten davon. Der Großteil der Zähne ist jedoch nur selten im Eingriff – sie machen überwiegend „Urlaub“. Der Linienkontakt der evolventischen Verzahnung begrenzt wegen der hohen Hertzschen Pressungen die übertragbaren Momente maßgeblich. Das sind die beiden Grundprobleme aller Zahnradgetriebe und verschwendetes Potenzial. Der Triz-Prozess führte uns für die Lösung dieser Grundprobleme der Zahnradgetriebe zu den innovativen Grundprinzipien: Segmentierung, Äquipotenzial, Dynamisierung und örtliche Qualität.

Und was bedeutet das nun konkret für ein optimales Getriebe?

Ich war mir aber sicher, dass – falls es eine ideale Lösung gibt – diese in den genannten Prinzipien zu finden sein musste. Das war ein einsamer Prozess von mehreren Wochen und schließlich entstand der Gedanke: Wozu braucht man Zahnräder, wenn nur die Zähne für die Kraftübertragung notwendig sind? Wir segmentierten deshalb das Zahnrad in einzelne Zähne. Nächster Schritt war das „Äquipotenzial“, also die geringe Varianz in der potenziellen Energie: Gesucht war nun eine Lösung mit möglichst vielen Zähnen im Dauereingriff. Das ist aber eine klassische Zahnkupplung und kein Getriebe. Bis dahin bestand das Getriebe also aus einem innenverzahnten Hohlrad und einzelnen Zähnen. Das nächste Grundprinzip „Dynamisierung“ fordert, die Einzelzähne in Bewegung zu bringen. Das wurde schließlich mit einem Antriebspolygon gelöst. In der Konzeptphase war das mathematisch sehr aufwendig. Für die Polygonlagerung benötigten wir eine „zwei- oder dreieckige“ Lagerung. Also mussten ein Wälzlager mit polygonförmigem Innenring und ein segmentierter Lageraußenring erfunden und entwickelt werden.

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