Planetengetriebe

Kleingetriebe von Maxon Motor mit verbessertem Wirkungsgrad

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Wenn die Leistung bei stark erhöhtem Drehmoment und entsprechend reduzierter Drehzahl erbracht werden soll, empfehlen sich Präzisionsgetriebe. Entsprechend der Getriebeuntersetzung reduziert sich die Abgangsdrehzahl, während sich das Abgangsdrehmoment erhöht. Zu dessen genauer Ermittlung ist der Wirkungsgrad zu berücksichtigen. Insbesondere Planetengetriebe eignen sich zur Übertragung hoher Drehmomente. Die Maxon Motor GmbH hat mit der Baureihe GPX UP nun Kleingetriebe mit einem maximalen Wirkungsgrad von circa 90 % (bei dreistufigen Getrieben) entwickelt. Diese eignen sich unter anderem für sogenannte Force-Feedback-Anwendungen.

Felix Schinner, Getriebeentwicklung Maxon Motor GmbH, Sexau

Inhaltsverzeichnis

1. Maximaler Wirkungsgrad von circa 90 %
2. Erhöhung der Getriebe-Lebensdauer
3. Neues Getriebe ermöglicht Force-Feedback-Anwendungen
4. Mehr Leistung, mehr Drehmoment, mehr Wirkungsgrad
5. Mechatronische Antriebssysteme

Maxon hat für ihre Standard-Kleingetriebe ein besonderes Upgrade in Form einer neuen Produktreihe entwickelt: Eine Vielzahl von Performance-Verbesserungen bietet nun ganz neue Möglichkeiten. Ein wesentlicher Vorteil dieser neuen Getriebereihe ist der Wirkungsgrad. Er definiert sich als Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung. Verringert man die in jedem mechanischen System auftretende Reibung signifikant, so lässt sich damit unmittelbar der Wirkungsgrad des Antriebes optimieren. In den neuen GPX-Planetengetrieben der UP-Baureihe wird dies technisch so umgesetzt, dass die Planetenräder, die in herkömmlichen Planetengetrieben direkt auf den tragenden Achsen gleitgelagert sind, nun über Kugel- beziehungsweise Nadellager gelagert werden. Der Maschinenbauer würde es „Übergang von der Gleit- zur Rollreibung“ nennen.

Maximaler Wirkungsgrad von circa 90 %

Betrachtet man beispielhaft ein GPX32 UP in dreistufigem Aufbau, lässt sich damit ein maximaler Wirkungsgrad von circa 90 % erzielen. Vergleichbare Kleingetriebe liegen hier etwa bei 70 %. Bezogen auf die Standardausführung kann man davon sprechen, dass man mittels oben genannter Konstruktionsverbesserungen eine Erhöhung des Wirkungsgrades um Faktor 1,3 – also 30 % erreicht. Dies hat auch unmittelbare Auswirkung auf weitere Parameter des Antriebssystems: Bei gleicher Eingangsleistung, das heißt bei der Verwendung des gleichen Motors und der gleichen Motoransteuerung kann das Getriebe 30 % mehr Drehmoment abgegeben. Oder umgekehrt gesprochen: Bei gleicher abgenommener Leistung reicht bereits eine 23 % niedrigere Eingangsleitung für den Antrieb aus. Insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen ergibt sich dadurch eine deutliche Verlängerung der möglichen Einsatzdauer bis zum nächsten Ladezyklus. Durch die Absenkung der erforderlichen Eingangsleistung kann der verwendete Motor zudem in einem günstigeren Arbeitspunkt betrieben werden. Dieser Aspekt verbessert zusätzlich den Wirkungsgrad beim Motor und damit beim gesamten Antriebssystem. Alternativ ist es möglich kleinere, beziehungsweise leichtere Motoren und Elektronik einzusetzen, was sich nicht nur auf das Gewicht, sondern grundsätzlich auch auf die Kosten positiv auswirkt.

Erhöhung der Getriebe-Lebensdauer

Wie oben dargestellt, konnte die Reibung im System Planetenrad – Achse deutlich verringert werden. Gleichzeitig verringert sich die Wärmeentwicklung beim Betrieb des Antriebs merklich, da weniger Reibleistung erbracht werden muss. Insbesondere bei Anwendungen, die einen bestimmten Temperaturbereich nicht überschreiten dürfen (wie zum Beispiel Medical Power Tools), können dadurch bessere Leistungen übertragen werden. Beim Verschleiß der mechanischen Bauelemente eines Getriebes spielt die Dauerhaftigkeit des eingesetzten Schmierstoffes eine entscheidende Rolle. Je höherer dessen Wärmebelastung, desto schneller gehen seine Schmiereigenschaften verloren und desto eher und stärker tritt abrasives Verhalten im mechanischen System zu Tage. Die abgeriebenen Metallpartikel wiederum führen zu einer Verklumpung des Schmierstoffs, dessen Schmierwirkung in der Folge vollständig versagen kann. Lässt sich der Wärmeeintrag jedoch eindämmen, so kann darüber eine deutlich längere Lebensdauer bei sonst gleichen Einsatzbedingungen realisiert werden. Dieser Effekt fällt bei den Getrieben des Typs GPX UP nach Angaben des Herstellers enorm aus: Die erreichbare Lebensdauer ist gegenüber herkömmlichen Vergleichsgetrieben des Unternehmens etwa 5-mal höher, gegenüber marktgängigen Varianten des Wettbewerbs sogar 11-mal höher. Alternativ zur längeren Lebensdauer können deutlich kleinere und leichtere Getriebe einsetzt werden, da das Verhältnis Drehmoment zu Durchmesser (Leistungsdichte) deutlich verbessert wurde.

Neues Getriebe ermöglicht Force-Feedback-Anwendungen

Es sind nicht nur die Verbesserungen in den einzelnen Parametern der Getriebespezifikation, die die Vorteile der neuen Bauweise widerspiegeln. Vielmehr lassen sich mit den Getrieben nun zusätzliche Einsatzfälle abdecken, insbesondere sogenannte Force-Feedback-Anwendungen. Bei solchen Anwendungen kommen die Vorteile der Konstruktion der GPX-UP-Ausführung richtig zum Tragen: Der Einsatz von gelagerten Planetenrädern ermöglicht die Rückdrehbarkeit der Getriebe im Normalbetrieb ohne Hakeln und bei Bedarf ein Feedback an den Bediener auszugeben. Genau genommen werden dem kraft- beziehungsweise drehmomentaufbringenden Element eine mess- oder fühlbare mechanische Rückmeldung verliehen. Um das zu erreichen, müssen die Getriebe rückdrehbar sein, also Drehmomente bzw. Drehmomentänderungen, die an der Abtriebsseite anliegen, auf die Antriebseite proportional übertragen werden. Folgende Beispiele veranschaulichen diese Anwendung: Bei der elektronischen Flugsteuerung (Fly-by-Wire) werden die Steuerbewegungen des Piloten nicht wie herkömmlich mechanisch oder hydraulisch an die Aktoren übertragen, sondern elektronisch. Dadurch verliert der Bediener zunächst jede spürbare Rückmeldung zu seinen Steuerhandlungen. Durch den Einsatz eines Antriebs im Steuerknüppel, lassen sich die elektronisch ermittelten Rückmeldungen darüber mechanisch an die Hand des Piloten weitergeben. Die Rückdrehbarkeit wird vor allem im Normalbetrieb benötigt, da der zusätzlich installierte Antrieb die Bewegung des Steuerknüppels nicht behindern darf. Ähnliches gilt für die innovativen Operationsroboter im Bereich der Mikro- und Telechirurgie. Gerade hier ist es unabdingbar, dass der Operateur eine unmittelbar fühlbare Rückmeldung über die ausgeführten Bewegungen vernehmen kann, beziehungsweise gesundes Gewebe nicht angefahren werden kann. Die Rückdrehbarkeitsforderung von Antrieben gibt es zum Beispiel auch im Anlagenbau. Im Einrichtebetrieb müssen die Achsen stromlos von der Abtriebsseite aus zu bewegen sein.

Mehr Leistung, mehr Drehmoment, mehr Wirkungsgrad

Die neuen Getriebetypen-Typen vereinen also eine Reihe von Produktvorteilen: Mehr Leistung, mehr Drehmoment, mehr Wirkungsgrad, ein Mehr an Lebensdauer, geringere Wärmeentwicklung, geringeres Gewicht des Antriebssystems sowie die zusätzliche Funktion der Rückdrehbarkeit auch bei mehrstufigen Getrieben. Zieht man nur die ersten beiden Faktoren in Betracht, wäre man geneigt, von Ultra Power-Getrieben zu sprechen. Zusammen mit den restlichen genannten Eigenschaften wird man aber leicht den eigentlichen Namenspaten erkennen: Ultra Performance. Ultra-Performance-GPX-Getriebe von Maxon sind in den Durchmessern GPX22 UP und GPX32 UP bereits am Markt verfügbar, wie alle „X-Typen“ konfigurier- und online bestellbar. Im Frühjahr 2020 folgt die Ausführung GPX42 UP. Zudem werden bereits kundenspezifische Getriebe der Ultra-Performance-Baureihe in den Größen Ø 8 – 58 mm produziert. jg

Messe SPS: Halle 1, Stand 224

Details zu Präzisionsgetrieben von Maxon Motor:

hier.pro/tP4dh

Kontakt zu Maxon Motor

Maxon Motor GmbH
Untere Ziel 1
79350 Sexau
Tel.: +49 7641 9114–0
Fax: +49 7641 9114–14
E-Mail: shop.de@maxongroup.com
Website: www.maxongroup.de


Info

Mechatronische Antriebssysteme

Komplexe mechatronische Antriebssysteme funktionieren nur, wenn alle Komponenten von höchster Qualität und perfekt aufeinander abgestimmt sind. Maxon entwickelt und produziert nicht nur DC- und BLDC-Motoren, Getriebe, Sensoren und Steuerungen, sondern ist auch in der Lage, die hochwertigen Antriebskomponenten in einem mechatronischen System zu vereinen. Die Vorteile: ein kompaktes Design und kundenspezifisch konfigurierte Komponenten. Um dies zu gewährleisten orientieren sich die F&E-Aktivitäten des Unternehmens an den Markt- und Kundenbedürfnissen. Wo die Kombination von Standardprodukten nicht genügt, entwickeln die Spezialisten Spezialausführungen. Das können entweder Produktmodifikationen oder Neuentwicklungen sein. Kooperationen mit Hochschulen und Universitäten auf der ganzen Welt tragen dazu bei, dass die Antriebssysteme den Anforderungen neuster Technologien gerecht werden. Maxon unterhält sowohl am Hauptsitz in Sachseln (Schweiz) als auch im Zweigbetrieb in Sexau (Deutschland) Forschungs- und Entwicklungsabteilungen. Diese sind neben kontinuierlichen Produktentwicklungen für die stetige Verbesserung von Fertigungsverfahren sowie Produktions- und Prüfmitteln verantwortlich. Zu den Kompetenzen des Herstellers zählen: fünf Wickeltechniken für präzise DC-Motoren, Standard- und Spezialgetriebebau, Encoder-Technologie, Elektronik und Systemtechnik, Spritzgussverfahren für Kunststoff, Keramik und Metallpulver (CIM/MIM), Montage- und Automatisierungstechniken, Entwicklung und Projektmanagement sowie Qualitätsmanagement. Über 8 % des Umsatzes fließen in die Forschung und Entwicklung, in der über 200 Mitarbeiter beschäftigt sind.


„Mit dem Planetengetriebe GPX32 UP in dreistufigem Aufbau, lässt sich ein maximaler Wirkungsgrad von circa 90 % erzielen.“

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