Es geht auch rein mechanisch

Viele Konstrukteure haben mechanisch stufenlos verstellbare Getriebe ¿ zumindest bei stationären elektrischen Antrieben ¿ längst abgeschrieben. Allzu verlockend einfach erscheint ihnen der Einsatz elektronischer Drehzahlsteller und Regelungen in Form von Frequenzumrichtern und Servoantrieben. Oft werden hierbei leider grundsätzliche Überlegungen vernachlässigt.

Hersteller und Anbieter von Antriebstechnik aller Art klagen nämlich zunehmend über das erschreckend geringe Interesse der Anwender, Antriebsstränge optimal auszulegen. Das behindert natürlich den Verkauf über den Ladentisch oder gar durchs Internet. Teure Außendienstler lassen die Betriebskosten explodieren und müssen schon für einfache Aufgaben die erforderlichen Daten vor Ort recherchieren um später im Einsatz kein Fiasko zu erleben. Die meisten Ausfälle entstehen nämlich durch falsche Dimensionierung und die wiederum beginnt nun mal bei den korrekten Betriebsannahmen.

Ein paar Grundlagen

Rekapitulieren wir also einmal ein paar Grundlagen. Benötigt wird in allen Fällen eine bestimmte Leistung, die sich aus dem erforderlichen Drehmoment und der Drehzahl ergibt. Sind diese Werte konstant ¿ fester Betriebspunkt ¿, genügt entweder der Motor allein oder eine Kombination aus Motor und Getriebe. Etwa 70 Prozent der industriellen Antriebe werden heute bei einer festen Drehzahl betrieben. Allerdings verlangt der Markt möglichst viele Betriebspunkte, die die Hersteller mit einem ökonomisch vertretbaren Betriebspunkte-Netz abdecken. Daraus ergibt sich ein Programm sinnvoller Kombinationen aus Getrieben unterschiedlicher Übersetzungen und den passenden Motoren.

Erfordert die Antriebsaufgabe dagegen einen variablen Betriebsbereich, kommen zusätzliche Verstellelemente zum Einsatz. Mit stark steigender Tendenz übernehmen Frequenzumrichter diese Aufgabe. Auf etwa 15 Prozent schätzen die Fachleute inzwischen den Anteil dieser ¿Elektronik-Antriebe¿. Erstaunlich erscheint jedoch der Trend, mit dem sich die zur Zeit noch 15 Prozent der mechanisch stufenlos verstellbaren Getriebe am Markt behaupten. Ihr Rückgang ist wesentlich geringer als der Anstieg der ¿Elektronischen¿. Dafür gibt es unterschiedliche Gründe.

Einfach und robust

Viele Anwendungen mit veränderbaren Drehzahlen erfordern auch heute noch einen einfachen robusten Antrieb. Für diese Einsatzfälle kommen weiterhin mechanische Verstellgetriebe zum Einsatz, die sich durch ihre robuste Konstruktion und die hohe Betriebssicherheit auszeichnen. Weiterentwicklungen, neue oder verbesserte Werkstoffe und die Kombination mit Frequenzumrichtern bieten interessante und erweiterte Anwendungsmöglichkeiten.

Offensichtlich gibt es in vielen Bereichen des Maschinenbaus darüber hinaus immer noch eine erhebliche Vorsicht, sich allzu sehr mit den Folgekosten der Elektronik zu belasten. Auch die nicht unerheblichen Kosten einer Konstruktionsänderung wirken sich vermutlich als starker Hemmschuh aus. Nicht umsonst bot beispielsweise ein großer Hersteller von elektrischen Schaltgeräten seinen Kunden Kostenbeihilfen für die erforderlichen Konstruktionsänderungen beim Einsatz neuer Schaltgeräte an, um von der teuren Parallelfertigung einer alten und einer neuen Produktlinie wegzukommen. Erfahrene elektronische Datenverarbeiter haben den Spruch: ¿Never touch a runnig System¿ demnach offensichtlich den Antriebstechnikern entlehnt.

Deshalb findet sich im Lieferprogramm fast aller namhaften Getriebe- und Getriebemotorenhersteller weiterhin auch eine umfassende Palette mechanischer Verstellgetriebe. Einige Beispiele finden Sie nachfolgend.

Die stufenlose Drehzahlverstellung wurde schon 1924 von dem Engländer G. J. Abbott erfunden. ¿System Positive Infinitely Variable¿ nannte Abbott sein Getriebe. Werner Reimers kaufte 1928 das Patent und entwickelte es bis zur Serienreife. P.I.V.-Getriebe (Positive Infinitely Variable) hieß nicht nur Reimers neuer Antrieb, sondern später auch sein Unternehmen. Das Ganzmetall-Umschlingungsgetriebe arbeitet mit verzahnten Kegelscheiben und einer Lamellenkette. Es wurde für Jahrzehnte zu einem der Synonyme für die Drehzahlverstellung.

Unterschiedliche Systeme

Im Laufe der Jahre setzte sich die stufenlose Drehzahlverstellung in unterschiedlichen Konstruktionen durch, deren Prinzipien auch heute noch die Grundlagen bilden.

Kugelscheibengetriebe ähneln im Aufbau einem Axialkugellager ohne Rillen. Zwischen zwei planen Scheiben dreht sich ein Kugelkäfig mit großen Kugeln. Durch Verschieben des Kugelhalterrings aus dem Zentrum der Antriebsscheibe erfolgt eine Drehbewegung der Abtriebsscheibe. Solche Getriebe erlauben Abtriebsdrehzahlen zwischen Null und dem 1,2fachen der Antriebsdrehzahl. Bei dieser Getriebeart müssen die Anpressverhältnisse und besondere Reib- und Schmiermittel optimal aufeinander abgestimmt sein, um auch bei Überlast schadenfrei ¿durchzurollen¿. Als Vorteile stehen der hohe Wirkungsgrad und der niedrige Geräuschpegel im Vordergrund. Hinzu kommen der Stellbereich bis Null, die Möglichkeit im Stillstand zu verstellen sowie der weitgehend wartungsfreie Betrieb.

Lamellenkettengetriebe arbeiten, wie schon beschrieben, mit verzahnten oder glatten Kegelscheiben. Die Ausführungen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Anpresseinrichtung der Scheiben. Hier konnte im Laufe der Entwicklung beispielsweise eine drehmomentabhängige Anpressung den Wirkungsgrad erhöhen und die Geräuschentwicklung verringern. Der Einbau einer automatischen Nachspanneinrichtung reduziert die Wartung auf einen gelegentlichen Ölwechsel.

Die enormen Fortschritte in der Kunststofftechnik haben bei den Umschlingungsgetrieben den Ersatz der Ketten durch Breitkeilriemen einen wahren Siegeszug beschert. Diese Getriebe erlauben eine ¿trockenen¿ Betrieb, arbeiten sehr geräuscharm und völlig wartungsfrei. Meistens wird die zur Leistungsübertragung erforderliche Vorspannung der Tellerscheiben durch rotationssymmetrisch angeordnete Schraubenfedern erzielt. Zum Verstellen stehen vielseitige Möglichkeiten zur Verfügung. Die reichen vom Handrad mit oder ohne Stellungsanzeige über elektrische Fernverstellungen bis zum Einsatz von elektrischen Drehzahlmessanlagen.

Planetenverstellgetriebe übertragen Leistung und Drehzahl kraftschlüssig. Die Planeten ¿ Kegelscheiben ¿ rotieren um die antreibende Innensonne. Sie sind im Planetenträger geführt und in Gleitsteinen gelagert. Von der Antriebswelle werden Drehzahl und Kraftfluss auf die Innensonne und weiter auf die Planeten übertragen. Die um die Innensonne rotierenden Planeten stützen sich an den im Gehäuse fixierten Außenringen ab und nehmen den mit der Antriebswelle verbundenen Planetenträger mit. Die Drehzahlverstellung erfolgt durch Verändern der Breite des Luftspalts zwischen Kupplungsdruckring und damit der Umlaufradien der Planeten. Die Abtriebsdrehzahlen lassen sich im Bereich von 1:6 verstellen. Als besondere Eigenschaften gelten die hohe Leistungsdichte, die hohe Übersetzung von 1:1,5 bis 1:9 sowie der geräusch- und vibrationsarme Lauf.

In vielen Fällen werden den Verstellgetrieben unterschiedlichste Getriebe mit fester Übersetzung nachgeschaltet, um Drehmomente anzupassen und gegebenenfalls Abtriebsrichtung zu verändern.

Zukunft Mobilbereich?

Einen großen Anwendungsbereich, der auch noch beachtliche Umsatzsteigerungen erwarten lässt, sehen die Hersteller offensichtlich auch bei den mobilen Antrieben mit Verbrennungsmotoren. Da hier aber die Motorentwicklung immer breitere elastische Arbeitsbereiche ermöglicht, dürfte sich dieser gesamte Bereich der Getriebeentwicklung noch erheblich verändern.

Nissan und Audi haben sich jedenfalls im Kraftfahrzeugsektor inzwischen der stufenlosen Kraftübertragung erinnert. Unter dem Begriff CVT-Getriebe (Continuously Variable Transmission) entwickelten beide Unternehmen stufenlose Automatikgetriebe.

Audi nennt bei seiner ¿multitronic¿, die jetzt in die leistungsstarken Modelle eingebaut wird, die ¿Laschenkette¿ und den ¿Variator¿ als Schlüsselelemente. Abbott wäre sicher stolz auf den neuerlichen Siegeszug seiner Erfindung. Vor allem PIV in Bad Homburg würde sich freuen, wenn sie an der derzeitigen Renaissance der ¿Stufenlosen¿ partizipieren könnten. Die Bad Homburger werden nämlich schon seit Monaten ¿in Insolvenz¿ verwaltet. Offensichtlich steht aber jetzt ein Käufer bereit, um dieses Traditionsunternehmen zu erhalten. An Zuversicht mangelt es den Managern und Mitarbeitern nicht, wie das folgende Statement von Marcel Offermann, Leiter des Geschäftsbereichs Maschinen- und Anlagenbau, bei PIV Antrieb Werner Reimers in Bad Homburg zeigt. Er sieht auf jeden Fall weiterhin erheblich Wachstumschancen für stufenlose mechanische Getriebe:

¿Unter dem Schlagwort CVT hat sich eine neue Generation von mechanisch stufenlos verstellbaren Getrieben am Markt etabliert, die sich derzeit größter Beliebtheit erfreut. In unterschiedlichsten, meist mobilen Anwendungen finden bei uns momentan zahlreiche projektbezogene Entwicklungen statt, die auf ein weit überdurchschnittliches Wachstumspotenzial hinauslaufen. Die Verdrängung herkömmlicher Antriebssysteme wird dabei im wesentlichen durch Verbesserungen im Arbeitsergebnis bei gleichzeitig gestiegenem Antriebskomfort bestimmt. Moderne Konstruktionen sind dabei nahezu kostenneutral im Vergleich zu Stufengetrieben und integrieren eine Computerlogik zur Regelung von optimierten Antriebsstrategien, die den Bediener entlasten, Energie sparen und das Fahrergebnis optimieren.

Der wesentliche technische Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen Verstellgetrieben liegt in der Weiterentwicklung der im Kraftfluss befindlichen Bauteile in Verbindung mit geregelten Anpresssystemen. Dies erlaubt Leistungsdichten, die den Wettbewerb mit Schaltgetrieben ohne Weiteres zulassen. Im Vergleich zu hydrostatischen Antrieben überwiegen die Vorteile in Wirkungsgrad, Geräuschverhalten und Umweltbelastung, während die Leistungselektronik kostenseitig bei mobilen Lösungen nennenswerte Nachteile aufweist.

Wir sehen derzeit realistische Chancen, durch Serienentwicklungen innerhalb der nächsten fünf Jahre den Umsatz bei stufenlosen Getrieben um mehr als 100 Prozent zu steigern.¿

Letztendlich werden ¿ wie fast immer ¿ die Kosten den größten Einfluss auf die Wahl der ¿geeignetsten¿ Technik haben. Hier sollten außer den erforderlichen Investitionen auf jeden Fall die über eine realistische Betriebszeit entstehenden Kosten mit einbezogen werden. Die liegen in allen Fällen erheblich höher, als die Anschaffung. Bei so manchem Betriebsleiter hat dann beim Nachrechnen die Entscheidung der ¿Kaufleute¿ graue Haare erzeugt.

Zu einer solchen, differenzierteren Betrachtungsweise unter Einbeziehung der reinen Mechanik aber auch der Mechatronik möchte ich Sie mit diesen Zeilen animieren.

Bernhard Siegmund

Links: www.planetroll.de, www.lenze.com, www.flender.com, www.sew.eurodrive.com, www.piv-drive.com