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Geregelte Impulse steigern Wirkungsgrad bei stufenlosem Getriebe auf über 90%

03.12.2008
Bei stufenlosen Getrieben war bisher der Schlupf besonders hoch. Ein neu entwickeltes Konzept will nun die Vorteile des vollmechanischen, verzahnten Getriebes – nämlich den hohen Wirkungsgrad – mit dem Vorteil des stufenlosen Getriebes – also permanent die Antriebsenergie bereitzustellen – verbinden.

Getriebe stellen Maschinenelemente dar, die die Aufgabe haben, Drehzahlen und die dazugehörenden Momente von Antriebsmaschinen an die angeschlossenen Aggregate anzupassen. Zu den vollmechanischen Getrieben der verzahnten Getriebe zählen Zahnrad-, Ketten- und Zahnriemengetriebe und die Familie der stufenlosen Getriebe, wie Reibrad-, Toroid- und Kegelscheibenumschlingungsgetriebe (CVT). Sie unterscheiden sich wesentlich in Bezug auf Baugröße, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und die angewendete Technik der Kraftübertragungsmittel.

Stufenlose Getriebe sind reibschlüssige Getriebe. Sie sind in der Lage, variabel wählbare Übersetzungen zwischen Antriebs- und Abtriebswelle unter permanenter Antriebsenergie an der Abtriebswelle bereitzustellen. Aufgrund des Reibschlusses der Kraftübertragungsmittel entstehen hohe Reibungsverluste (Schlupf), die hohen Verschleiß und somit einen schlechten Wirkungsgrad nach sich ziehen.

Verzahnte mehrstufige Getriebe wie Zahnradschaltgetriebe können ihre Übersetzung bei hohem Wirkungsgrad zwischen Antriebs- und Abtriebswelle ausschließlich mit Unterbrechung der Antriebsenergie (Auskuppeln) entsprechend dem Verhältnis der zu verschaltenden Räderpaare gestuft an der Abtriebswelle bereitstellen. Bei den zu verschaltenden Rädern greifen diese „Zahn in Zahn“, wodurch ein Durchgleiten der Kraftübertragungsmittel unterbunden ist. Der Wirkungsgrad ist folglich sehr hoch.

Stufenloses Verändern der Getriebe-Übersetzung ohne Schlupf

Vergleicht man die technischen Eigenschaften beider Getriebefamilien und die damit verbundenen sehr unterschiedlichen Wirkungsgrade, zeigt sich, dass das stufenlose Verändern einer Übersetzung mit dem Verlust des Formschlusses der Kraftübertragungsmittel zwingend einhergeht. Das Ziel der U.M.S.-Maschinenbau GmbH war es, ein Getriebe zu entwickeln, das die Vorteile der stufenlosen Übersetzung mit den Vorteilen der formschlüssigen Getriebe verbindet. Es soll also ein stufenloses Verändern der Übersetzung ohne Schlupf in den Kraftübertragungsmitteln ermöglichen.

Bei der vorliegenden Entwicklung handelt es sich um ein neuartiges Getriebe mit einer stufenlos einstellbaren Übersetzung mit Nulldurchgang (Stillstand des Abtriebs bei laufendem Antrieb), einer Last-Anfahrfunktion, einem Übersetzungsbereich von 0 bis 1 : 7 und einem hohen Wirkungsgrad über 90%. Im Vergleich zu bestehenden Getriebekonzepten mit stufenlos einstellbarer Übersetzung erzeugt dieses Getriebekonzept aus der Drehbewegung am Antrieb Impulse, die in ihrer Frequenz und Amplitude geregelt und am Abtrieb wieder in eine Drehbewegung umgesetzt werden.

Schwingungserzeuger ist zentraler Getriebebestandteil

Zentraler Bestandteil dieser rein mechanischen Lösung ist der „Schwingungserzeuger“. Die Impulse werden durch eine in ihrer Exzentrizität verstellbare Exzenterwelle erzeugt. Über einen Hebel, der auf dieser drehbar gelagert ist, werden diese Impulse auf eine Reihe von Freiläufen übertragen. Über eine mechanische Summiertrommel, die das zentrale Bauteil des Getriebes darstellt, werden die einzelnen phasenverschobenen Impulse in ihrer Summe aufgenommen.

Die Differenz zwischen Antriebs- und Abtriebsdrehzahl wird durch Verstellen der Exzentrizität in der Exzenterwelle bewirkt. Um diese Drehzahldifferenz nutzen zu können, werden Eingangs- und Ausgangsdrehzahl derart mit einem Planetensatz gekoppelt, dass die geregelte Leistung am Abtrieb entsprechend abgegriffen werden kann.

Schlupffreier Lauf des Getriebes erhöht Wirkungsgrad deutlich

Im Gegensatz zum Stand der Technik rutschen bei dieser Lösung die Kraftübertragungskomponenten nicht durch. Dies ermöglicht einen schlupffreien Lauf mit hohem Wirkungsgrad und eine erhebliche Leistungssteigerung.

Der konstruktive Aufbau der Freilaufkomponenten ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Leistungsdichte sowie eine exakte Leistungsregelung. Eine Kupplungsvorrichtung zwischen Antriebsmaschine und Getriebe wird nicht mehr benötigt, weil die Übersetzung von „null“ beginnend unter voller Last verändert werden kann.

Außerdem verhält sich die vorliegende Konstruktion ihr Drehzahl-/Drehmomentverhalten betreffend wie klassisch verzahnte Getriebe. Das heißt, bei konstanter Eingangsdrehzahl und konstantem Drehmoment entsteht an der Abtriebswelle bei kleiner Übersetzung eine niedrige Drehzahl und damit verbunden ein hohes Drehmoment. Bei einer hohen Übersetzung ist es umgekehrt.

Getriebe eignet sich für Anwendungen in der Industrie

Mögliche Zielgruppen der neuen Entwicklung sind Getriebehersteller und Anwender. Kundenspezifische Antriebe wie Einzelanfertigungen oder Kleinserien sind realisierbar. Zu den Einsatzmöglichkeiten gehören unter anderem:

-Werkzeugmaschinen,

-Rührwerke,

-Förderanlagen,

-Förderbänder,

-Papierverarbeitungsanlagen,

-Kunststoffspritzmaschinen (Extruderantriebe),

-Wanderroste,

-Schiffsantriebe,

-Großgetriebe für Walzwerke,

-Fahrzeuggetriebe für Pkw und Lkw.

Dieses Getriebekonzept bietet viele Vorteile, wie einfache und kostengünstige Betriebskomponenten, einfache Aufbau, kraft- und/oder formschlüssige und somit schlupffreie Kraftübertragungskomponenten, hohe Leistungsdichte, Last-Anfahrfunktion, Wirkungsgrad von 90%, Übersetzungsbereich von 0 bis 1:7 und Veränderung der Übersetzung unter voller Last.

Derzeitige Getriebelösungen basieren auf reibschlüssigen Kraftübertragungskomponenten. Diese verschleißen jedoch schnell, verbunden mit schlechten Wirkungsgraden, hohen Wartungskosten, begrenzter Leistungsübertragung und hohem technologischen Aufwand. Gegenüber dem Stand der Technik basiert die neuartige Getriebelösung auf dem Gedanken, eine rotatorische Bewegung in Impulse oder Schwingungen zu wandeln, die in ihrer Amplitude und Frequenz verändert werden können, um die angelegte Leistung genau zu regeln.

Entwicklungsmöglichkeiten zu einer Getriebe-Produktfamilie

Das innovative Getriebekonzept kann in bestehende Getriebelösungen, wie beispielsweise Umschlingungs- (CVT-) und Toroidgetriebe, Schaltgetriebe oder hydraulische stufenlose Getriebe integriert werden. Zudem können derzeitige gestufte oder stufenlose Getriebesysteme abgelöst sowie stufenlose Getriebe in verschiedenen Leistungsklassen angeboten werden.

Für die Erfindung wurden internationale Schutzrechte angemeldet. Ein Demonstrationsgetriebe und ein Versuchsprototyp wurden bereits erstellt. Weitere Muster sind in Bearbeitung.

Getriebe wird zusammen mit Hochschule Regensburg weiterentwickelt

Es sind bereits vertiefte Kooperationen mit der Hochschule Regensburg geplant. Für die weitere Entwicklung kann auf einen bestehenden Werkzeug- und Maschinenpark und auf die wissenschaftlichen Ressourcen der Hochschule zurückgegriffen werden.

Das Produkt kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, für die Lizenznehmer gesucht werden. Für die weitere Umsetzung sind Mittel für die Entwicklung, Konstruktion und den Bau von Prototypen sowie die Durchführung weiterer Tests und Versuche erforderlich.

Peter Kobler ist Geschäftsführer der U.M.S.-Maschinenbau GmbH in 93059 Regensburg.

Peter Kobler | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/156267/

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