Der Anwendungsbereich für Antriebe und Getriebe erstreckt sich über viele technische Teilbereiche. Dabei stellt das Getriebe, das in jedem Kraftfahrzeug zu finden ist, nur einen kleinen, wenn auch wichtigen Teilanwendungsbereich dar. Die gesamte Automatisierungsindustrie erfordert immer wieder neue, auf bestimmte Problemstellungen abgestimmte Individuallösungen. Doch immer wieder geht es darum, Wege, die ein bestimmtes Bauteil ausführen soll, zielgerichtet so zu übersetzen, dass ein gewünschtes, ganz bestimmtes Ergebnis erzielt wird.

Direktantriebe – getriebelose Einheit

Wenn zwischen antreibender Einheit und Endabtrieb keine mechanische Übersetzung in Form eines Getriebes mehr stattfindet, spricht man von einem Direktantrieb. Der Motor als antreibende Einheit muss dann in der Lage sein, ein gefordertes Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl für den Abtrieb bereitzustellen. Da das Getriebe beim Direktantrieb entfällt, ist auch hier das Massenträgheitsmoment aller rotierenden Einzelmassen geringer als bei vergleichbaren Antriebseinheiten mit zwischengeschalteten Getrieben.

Als Paradebeispiel für die Anwendung eines Direktantriebes kann der Torquemotor angesehen werden. Dieser hochpolige Synchronmotor arbeitet mit einer relativ kleinen Drehzahl, erzeugt aber gleichzeitig ein hohes Drehmoment.

Servoantriebe als Hilfskonstruktion der Medizin

Der Begriff Servoantrieb umfasst elektrische Antriebe, welche für einen hohen Drehzahlbereich ausgelegt werden können. Ein besonderes Kennzeichen für diese Gruppierung der Antriebe ist die Wahlmöglichkeit einer an eine bestimmte Problemstellung angepasste Drehmomentkennlinie. Die Bauweise von Servomotoren ermöglicht die Auswahl von geeigneten Betriebs- oder Arbeitspunkten einer Drehmomentkennlinie. Durch diese vorteilhaften Eigenschaften werden Servoantriebe häufig für Verpackungsmaschinen oder auf dem Gebiet der Robotik eingesetzt. Gerade in diesen Problemfeldern kommt es oft auf eine punktgenaue Bewegung von Lasten entlang einer vorgegebenen Bahnkurve an. Ein weiterer Anwendungsbereich von Servomotoren findet sich im Bereich der Medizintechnik. Das Exoskelett ist eine Hilfskonstruktion für Menschen mit einer Körperbehinderung. Gezielt werden hier bestimmte Körperfunktionen durch das Exoskelett, welches auch noch Außenskelett genannt wird, feinmotorisch unterstützt. Dem behinderten Menschen werden auf diese Weise alltägliche, immer wiederkehrende Bewegungen wesentlich erleichtert, sodass diese sensible Konstruktion zu einer wertvollen Hilfe für seinen Benutzer wird. Dies gilt besonders für das aktive Exoskelett, welches eine eigene Energieversorgung für den Betrieb seiner Servoantriebe benötigt.

Getriebe nach dem Wellgetriebeprinzip

Diese besondere Getriebeart ermöglicht durch seine spezielle Konstruktion, die lediglich aus drei wesentlichen Komponenten, nämlich Wave Generator, Flexspline und Circular Spline besteht, große Übersetzungen von hohen Drehzahlen in niedrigere Drehzahlen. Ein weiteres, entscheidendes Kriterium für Harmonic Drive® Wellgetriebe ist die völlige Spielfreiheit, welche der Einbausatz CPL-2A der Harmonic Drive AG bietet.

Der Antrieb des Harmonic Drive® Wellgetriebes erfolgt über den zentrisch gelagerten Wave Generator, dessen Außenkontur elliptisch geformt ist. An dieser ellipsenförmigen Kontur ist ein dünnes Spezialkugellager aufgesetzt, welches im elastischen Bereich die Verformungen der Ellipsenkontur bei deren Rotation aufnehmen kann. Diese elastischen Verformungen werden auf den Flexspline übertragen, welcher an seiner Außenkontur mit einer Verzahnung versehen ist. Die Außenverzahnung des Flexsplines greift in die Innenverzahnung des dritten wesentlichen Bauteiles, des Circular Splines. Die Anzahl der Zähne des Circular Splines ist in der Regel um zwei Zähne größer als die des außenverzahnten Flexsplines. Dadurch bewirkt eine volle Umdrehung des Wave Generators lediglich eine geringe Teildrehung des Circular Splines um zwei Zähne. Wird jedoch der Circular Spline festgehalten, führt eine Volldrehung des Wave Generators zu einer Teildrehung des Flexsplines, allerdings mit entgegengesetzter Drehrichtung.

Komponentenüberblick des Harmonic Drive® Wellgetriebes

  • Wave Generator als elliptisches, angetriebenes Element
  • Flexspline als verformbare, zylindrische Stahlbüchse
  • Circular Spline als starrer Außenring

Antriebe für die Luft- und Raumfahrt

Durch die besondere Eigenschaft der völligen Spielfreiheit des Wellgetriebes sind besagte Antriebe geeignet für den Einsatz in Raumfahrzeugen der Luft- und Raumfahrt. Als markante Beispiele seien hier das automatische Nachführen von Sonnensegeln zur Energieversorgung sowie Einheiten zur Kurskorrektur von Raumfahrzeugen durch Schubdüsen genannt. Auch das genaue Positionieren von Antennen kann mit dem Wellgetriebe bewerkstelligt werden. Da es in der Luft- und Raumfahrt bei den Antriebseinheiten auch auf mögliche Wiederholgenauigkeiten ankommt, ist die Eigenschaft der völligen Spielfreiheit ein ganz wichtiger Garant für die Erfüllung dieser erforderlichen Funktionen.

Antriebe durch Planetengetriebe

Der Name des Planetengetriebes, auch Umlaufrädergetriebe bezeichnet, rührt daher, dass einzelne Zahnräder, man bezeichnet sie als Planetenräder, außer einer Eigendrehung auch noch eine Rotation um ein Zentralrad, das Sonnenrad, ausführen. Mit Planetengetrieben lassen sich hohe Drehmomente übertragen. Auch hohe Übersetzungen können mit wenigen Zahnrädern erreicht werden. Bei Planetengetrieben erfolgen An- und Abtrieb auf der gleichen Achse. Bei der Grundausführung eines Planetengetriebes sind dessen Zahnräder auf drei Wellen gelagert. Auf der ersten Welle ist das Sonnenrad gelagert, über welches meistens der Antrieb vom Motor erfolgt. Die zweite Welle ist für die Lagerung des Planetenträgers mit den Planetenrädern gedacht. Die dritte Welle sorgt mit ihrer koaxialen Lagerung zu den anderen Wellen für die Aufnahme des Hohlrades mit Innenverzahnung. In diese Innenverzahnung greifen die Zähne der Planetenräder. Während dem Betrieb wird oft die Welle mit dem Hohlrad festgehalten, was jedoch nicht immer der Fall sein muss. Wenn die Welle mit dem Planetenträger festgehalten wird, spricht man auch von einem Standgetriebe.

Eine sehr geläufige Anwendung von Planetengetrieben findet man in jedem Kraftfahrzeug in Form des Differentialgetriebes. Dieses Getriebe sorgt bei Kurvenfahrten für einen notwendigen Drehzahlausgleich der Räder, die dem Innenradius folgen, gegenüber denen, die sich am Außenradius bewegen. Eine weitere, sehr bekannte Anwendung von Planetengetrieben findet sich in der Nabenschaltung von Fahrrädern.

Sonderantriebe nach individuellen Kundenspezifikationen

Zu diesem Teilbereich der Antriebe, die stets eine individuelle Herangehensweise erfordern, gehört insbesondere der Sektor der Robotik. Als Repräsentant der Automatisierung kommt es im Rahmen besagter Branche darauf an, zielgerichtete Bewegungen nicht nur auf bestimmten räumlichen Bahnkurven auszuführen. Darüber hinaus spielt die Regulierung der Momentangeschwindigkeit des zu bewegenden Bauteiles eine entscheidende Rolle. Auftretende Beschleunigungen und Verzögerungen und damit verbundene dynamische Massenkräfte müssen in alle Überlegungen mit einbezogen werden. 

Antriebstechnik als tragende Säule der Automatisierung

Das Gebiet der Antriebstechnik ist außerordentlich vielseitig und erfordert durch oft verzweigte Problemstellungen ein hohes Maß an Erfahrung und Praxisbezogenheit. Aus diesem Grund ist es oftmals unerlässlich, Standardsysteme durch individuell angepasste Lösungen zu ersetzen. In solchen Spezialfällen ist mitunter eine Kombination von mehreren Komponenten erforderlich, die sowohl Antriebe als auch Getriebe betreffen. Durch den Einsatz von Spezialgetrieben, wie beispielsweise Getrieben nach dem Wellgetriebeprinzip, welche auch in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, erfährt diese Antriebsart höchste Aktualität. Im Zuge der voranschreitenden Automatisierung wird die Antriebstechnik auch in Zukunft von enormer Relevanz sein und die Welt der Technik führend beeinflussen.