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.

Warum betonen Sie diese mathematische Funktion so sehr?

Manche Pflanzenarten, Schneckenhäuser und sogar Galaxien sind nach der logarithmischen Spirale geformt. Da war mir klar, dass wir etwas Besonderes erfunden hatten, wenn die „Mathematik“ dieses Getriebes auch in der Natur und sogar in Galaxien zu finden ist. Die Natur ist schließlich ein absolutes Vorbild in Bezug auf Effektivität und Design. So lag es nahe, das neue Getriebesystem auch Galaxie zu nennen. Im Getriebebau gibt es als Grundverzahnungsarten die Evolvente, die Zykloide und ein paar Unterarten. Mit der logarithmischen Spirale haben wir eine fundamental neue Funktion für Getriebeverzahnungen entdeckt und entwickelt.

Und was ist mit dem Grundprinzip „örtlichen Qualität“?

Klassische Verzahnungen haben einen Wälzpunkt mit Schlupfbereichen. Die Linienberührung bildet bei Belastung nur kleine Druckellipsen. Wir entwickelten deshalb einen echten Flächenkontakt in der Verzahnung. Durch die Segmentierung des Zahnrades in Einzelzähne können außerdem fast alle Zähne gleichzeitig im Eingriff sein. Im Vergleich zu den besten schrägverzahnten Planetengetrieben erreicht das Galaxie-System 6,5 Mal mehr Drehmoment übertragende Fläche. Das haben wir mit FEM bewiesen. Mit dem Galaxie-System lassen sich im Vergleich zu anderen Getrieben bei gleichem Bauraum ein Vielfaches an Torsionssteifigkeit und Überlastfähigkeit realisieren. Alle Kontakte wurden auf niedrige Flächenpressung hin entwickelt. Sowohl in den Führungsbohrungen der Einzelzähne als auch in der Verzahnung bildet sich ein hydrodynamischer Schmierspalt. Dadurch erreicht das hochübersetzende Getriebe heute Wirkungsgrade von zu bis 91 %.

Bietet das Getriebe mit der neuen Verzahnung und Kinematik auch eine exakt gleichförmige Übersetzung?

Ja, der perfekte Gleichlauf wird erfüllt, wenn das Antriebspolygon so ausgeführt wird, dass Einzelzähne und Hohlrad entsprechend ihrer Verzahnung nach der „logarithmischen Spirale“ aneinander gleiten.

Welche weiteren Vorteile bietet das Galaxiegetriebe?

Das Getriebe läuft so gut wie verschleißfrei; auch nach zweieinhalb Jahren Praxiseinsatz im 24-Stunden-Dauerlauf konnten wir keinerlei Spielzunahme feststellen. Das Getriebe kann durch eine Bauteilsortierung spielfrei eingestellt werden – ohne dass dabei die übertragbaren Drehmomente reduziert werden müssen. Da es nicht messbar verschleißt, bleibt es dauerhaft spielfrei. Eine Besonderheit gibt es noch: Die extrem hohe Steifigkeit des Getriebes bleibt auch im Nulldurchgang bei wechselnder Last erhalten. Es bietet außerdem die größte Hohlwelle und einen sehr geringen Geräuschpegel. Außerdem erreichen wir Drehmomente, für die andere Getriebegattungen mindestens zwei bis drei Baugrößen größer bauen.

Wird der Elektromotor nun nicht relativ groß ausfallen müssen, um das Potenzial des Getriebes auch voll ausnutzen zu können?

Es wird sicher schwer fallen, einen Motor mit großer Hohlwelle und der erforderlichen Leistungsdichte auf dem Markt zu finden. Daher hat Wittenstein Cyber Motor für das Galaxie-System einen extrem hoch gezüchteten Motor entwickelt, der speziell auf die Eigenschaften des Getriebes abgestimmt ist. Motor und Getriebe bilden eine mechatronische Einheit bei der Durchmesser und Länge in etwa gleich groß sind. Auch Sensorik wurde integriert, um den neuentwickelten Hochleistungsmotor mit dem Getriebe zu einer hochkompakten Hohlwellen-Antriebseinheit mit Industrie-4.0-Konnektivität zu verschmelzen.

Welche Vorteile hat nun der Anwender, wenn er das Galaxie-Antriebssystem einsetzt?

Das Galaxie-Antriebssystem ist in allen wichtigen Eigenschaften gleichzeitig um Faktoren besser als vergleichbare Produkte. Dennoch ist es kein kannibalisierendes System, da die Produktionskosten noch höher sind. Unsere Lead-Kunden haben allerdings in den letzten zwei Jahren Serieneinsatz festgestellt, dass man mit bis zu 580 % mehr Steifigkeit und deutlich höherer Präzision bisherige Grenzen überschreiten und somit die Produktivität extrem steigern kann. Der Preis für das Galaxie-Antriebssystem ist dann definitiv zweitrangig. Ein Beispiel: In Werkzeugmaschinen erhöht das Galaxie-System beispielsweise durch die dauerhafte Spielfreiheit, extreme Steifigkeit und Präzision die Werkzeugstandzeiten deutlich. Dadurch können Schnittgeschwindigkeit und Vorschübe erhöht werden, auch die Fertigungsqualität steigt. Auch der Ersatz von teuren Direktantrieben und Verspannantrieben ist aufgrund der dauerhaften Spielfreiheit nun eine sehr interessante Option. Ingenieure können ihre Maschinen endlich konzeptionell neu überdenken und Entwicklungssprünge realisieren, die bislang nicht möglich waren.

MM

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