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Wittenstein

Logarithmische Spirale statt Evolvente

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Mehr tragende Zahnfläche und größere Drehsteifigkeit erreicht

Die Kinematik des Galaxie-Systems wurde so entwickelt, dass von den 24 Einzelzähnen fast alle an der Drehmomentübertragung und Steifigkeitsbildung beteiligt sind. Zwischen dem Zahnträger und der Innenverzahnung des Hohlrades ist ein minimaler Spalt von wenigen Zehntelmillimetern. Durch den extrem kurzen Abstand und den flächigen Zahneingriff gibt es praktisch keine Biegelänge mehr, wie man das von herkömmlichen Zahnrädern kennt. Durch FEM wurden die tragenden Flächen eines schrägverzahnten Planetengetriebes mit denen des Galaxie-Systems gleichen Hohlraddurchmessers verglichen. Das neue Getriebe erreicht 6,5-mal mehr tragende Zahnfläche und vielfach geringere Flächenpressungen im Zahnkontakt! Aus der hohen Zahl der tragenden Zähne und dieser idealen Geometrie resultiert eine Drehsteifigkeit, die um einen Faktor 5,8 größer ist, als die vergleichbarer Getriebe am Markt.

Da fast alle Zähne permanent im Eingriff sind, werden sie durch den sehr kleinen Abstand zwischen den Zahnkräften und den Reaktionskräften an den Einzelzähnen nicht mehr auf Biegung, sondern fast vollständig auf Scherung beansprucht. Dadurch übertrifft das Galaxie-System hinsichtlich der Überlastfähigkeit selbst Zykloidengetriebe nochmals um den Faktor 3.

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Ein weiterer Vorteil des Getriebes: Es läuft so gut wie verschleißfrei. Auch nach zweieinhalb Jahren Praxiseinsatz konnte man keinerlei Spielzunahme feststellen. Grund dafür ist, dass sich im Zahnkontakt ein hydrodynamischer Schmierfilm aufbaut. Es ist leicht einzusehen, dass die Art und Weise, wie die Zahnflanke mit einer Relativgeschwindigkeit auf die Gegenfläche aufläuft, physikalisch einem Segmentgleitlager ähnelt: Zwischen den Kontaktflächen baut sich ein stabiles Druckpolster auf. Mit der großen Anzahl an tragenden Zähnen und dem Flächenkontakt sind die Flächenpressungen so gering, dass schon bei sehr kleinen Drehzahlen trotz höchster Momentenbelastung stets eine hydrodynamische Schmierung vorherrscht. Auch die Passung zwischen den runden Zahnkörpern und den Zahnträgerbohrungen verschleißt nicht messbar aufgrund der hydrodynamischen Schmierung. Folglich bleibt auch das eingestellte Verdrehspiel absolut konstant.

Höchster Wirkungsgrad in der Klasse

Aufgrund dieser Hydrodynamik im Zahnkontakt ermittelten die Wittenstein-Ingenieure schon bei den ersten Versuchen Wirkungsgrade von bis zu 91 %. Das hatte man aufgrund der vielen bewegten Einzelteile und der Gleitreibung an den Einzelzähnen nicht vermutet, denn die Werte liegen um 18 bis 29 % höher als bei vergleichbaren Systeme am Markt.

Das Galaxie-System verfügt über ein Spiel von 1 bis 2 Winkelminuten, kann aber auch durch entsprechende Bauteilsortierung spielfrei eingestellt werden – ohne dass die maximal übertragbaren Drehmomente reduziert werden müssen. Die positiven, hydrodynamischen Eigenschaften bleiben auch bei der spielfreien Variante voll erhalten. Eine herausragende Eigenschaft des spielfreien Galaxie-Antriebes ist die sehr hohe Steifigkeit bei Wechselbelastung im Nulldurchgang, die sich im Betrieb nicht ändert.

Getriebeverzahnung nach der logarithmischer Spirale

Im Getriebebau gab es als Grundverzahnungsarten bisher die Evolvente, die Zykloide und ein paar Unterarten. Wittenstein hat mit der logarithmischen Spirale eine neue Funktion für Getriebeverzahnungen entdeckt und entwickelt. Wenn das Antriebspolygon so ausgeführt wird, dass Einzelzähne und Hohlrad entsprechend ihrer Verzahnung nach der logarithmischen Spirale aneinander gleiten, dann wird ein exakter Gleichlauf erfüllt. Die noch vorhandenen Gleichlaufschwankungen liegen in den letzten, unvermeidbaren Fertigungsungenauigkeiten begründet. Auch hier werden im Vergleich zu anderen Getrieben die Bestmarken erreicht.

Konventionelle Servomotoren müssen relativ groß ausfallen, wenn man das Potenzial des Getriebes auch voll ausnutzen möchte. 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. So entstand ein Antrieb mit bislang unerreichter Drehmomentdichte. Auch eine Sensorik wurde integriert, um den neuen Hochleistungsmotor mit dem Getriebe zu einer kompakten Hohlwellen-Antriebseinheit mit Industrie 4.0-Konnektivität zu verschmelzen.

Mit dem Galaxie-Antrieb Maschinen neu konzipieren

Die Kombination der beschriebenen Eigenschaften des Galaxie-Systems ist in der Antriebstechnik bislang unbekannt gewesen. Ingenieure können nun ihre Maschinen komplett neu überdenken und echte Entwicklungssprünge generieren. Sie müssen nicht mehr Kompromisslösungen eingehen, wenn beispielsweise gleichzeitig sehr hohe Präzision und Drehmomentdichte gefordert sind. Direktantriebe können ersetzt werden. Die Integration des Galaxie-Antriebssystems in die Maschine ist deutlich einfacher und es kommen kleinere Bremsen zum Einsatz. Auch Verspannantriebe mit ihrer aufwendigeren Steuerung können leicht ersetzt werden. Vergleichbare Hohlwellengetriebe müssen bei gleichem Drehmoment mindestens zwei Baugrößen größer sein und erreichen dennoch nicht die Leistungsfähigkeit des Galaxie-Antriebes. Wittenstein positioniert sich mit dem Galaxie-Antrieb als Enabler für den Hochleistungsmaschinenbau der nächsten Generation. MM

* Weitere Informationen: Wittenstein AG in 97999 Igersheim

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