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Mikrogetriebe GPX UP von maxon
maxon hat für seine Standard-Kleingetriebe ein besonderes Upgrade in Form einer neuen Produktreihe entwickelt: Eine Vielzahl von Performance-Verbesserungen bietet nun ganz neue Möglichkeiten und eine hohe Leistung bei kompakter Bauform.
Die ersten Ideen zum UP-Getriebe entstanden im Rahmen der Mars-Projekte der ESA «Exomars» und der NASA «Mars 2020», um auch bei extremen Umgebungsbedingungen eine möglichst hohe Verfügbarkeit gewährleisten zu können.
Technische Pionierarbeit findet oft im Zusammenhang mit der Formel 1 statt und wird dann nach und nach auf herkömmliche Kraftfahrzeuge übertragen. maxon verzeichnet technologische Fortschritte vermehrt bei Luft- und Raumfahrtprojekten, deren Ergebnisse dann auch Einzug in die Industriebranche halten.
GPX UP – eine leistungsstarke, neue Getriebereihe
Ein wesentlicher Vorteil der 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 Antriebs 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. Im Maschinenbau würde man es «Übergang von der Gleit- zur Wälzreibung» nennen.
Betrachtet man beispielhaft ein GPX32 UP in dreistufigem Aufbau, lässt sich damit ein maximaler Wirkungsgrad von circa 90 Prozent erzielen. Vergleichbare Kleingetriebe liegen hier etwa bei 70 Prozent. Bezogen auf die Standardausführung kann mittels der oben genannten Konstruktionsverbesserungen eine Erhöhung des Wirkungsgrads um Faktor 1.3, also um 30 Prozent, erreicht werden (Abb. 3).
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 Prozent mehr Drehmoment abgeben. Oder umgekehrt ausgedrückt: Bei gleicher, abgenommener Leistung reicht bereits eine um 23 Prozent niedrigere Eingangsleistung 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 vom Motor und damit vom 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.
Deutliche Erhöhung der Lebensdauer für Getriebe: Wie oben dargestellt, konnte die Reibung im System Planetenrad/Achse deutlich verringert werden. Gleichzeitig sinkt die Wärmeentwicklung beim Betrieb des Antriebs merklich, da weniger Reibleistung erbracht werden muss. Insbesondere bei Anwendungen, die einen bestimmten Temperaturbereich nicht überschreiten dürfen (wie z. B. medizinische Elektrowerkzeuge), können dadurch bessere Leistungen übertragen werden.
Beim Verschleiss der mechanischen Bauelemente eines Getriebes spielt die Dauerhaftigkeit des eingesetzten Schmiermittels eine entscheidende Rolle. Je höher 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 Schmiermittels, 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 umgesetzt werden. Dieser Effekt ist bei den Getrieben des Typs GPX UP ein herausragendes Merkmal: Die erreichbare Lebensdauer ist gegenüber herkömmlichen Vergleichsgetrieben des Unternehmens etwa fünf mal höher, gegenüber marktgängigen Varianten des Wettbewerbs sogar elf mal höher.
Alternativ zur längeren Lebensdauer können deutlich kleinere und leichtere Getriebe eingesetzt werden, da das Verhältnis Drehmoment zu Durchmesser (Leistungsdichte) deutlich verbessert wurde.
Zusätzliche Funktion der Getrieberückdrehbarkeit
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 die Ausgabe eines Feedbacks an das Bedienpersonal. Genau genommen werden dem kraft- beziehungsweise drehmomentaufbringenden Element ein mess- oder fühlbares mechanisches Feedback verliehen. Um das zu erreichen, müssen die Getriebe rückdrehbar sein, also Drehmomente bzw. Drehmomentänderungen, die an der Abtriebsseite anliegen, auf die Antriebsseite proportional übertragen werden.
Folgende Beispiele veranschaulichen diese Anwendung: Bei der elektronischen Flugsteuerung (Fly-by-Wire) werden die Steuerbewegungen der Pilot:innen nicht wie herkömmlich mechanisch oder hydraulisch an die Aktuatoren übertragen, sondern elektronisch. Dadurch verlieren die bedienenden Personen zunächst jedes spürbare Feedback zu ihren Steuerhandlungen. Durch den Einsatz eines Antriebs im Steuerknüppel lässt sich das elektronisch übermittelte Feedback darüber mechanisch an die Hand der Pilot:innen 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 (Abb. 5). Gerade hier ist es unabdingbar, dass Operateur:innen ein unmittelbar fühlbares Feedback über die ausgeführten Bewegungen beziehungsweise hinsichtlich gesundem Gewebe erhalten, das unangetastet bleiben soll. Die Rückdrehbarkeitsforderung von Antrieben gibt es zum Beispiel auch im Anlagenbau. Im Einrichtebetrieb müssen die Achsen stromlos von der Abtriebsseite aus zu bewegen sein.
Kundenspezifisch anpassbare Hochleistungsgetriebe
Die neuen GPX-UP-Getriebetypen vereinen also eine Reihe von Produktvorteilen: mehr Leistung, mehr Drehmoment, einen höheren Wirkungsgrad, eine deutlich erhöhte 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 mit den Durchmessern GPX22 UP und GPX32 UP bereits am Markt verfügbar und wie alle «X-Typen» konfigurierbar 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 bis 58 mm produziert.