Einsparpotenziale von mehr als 50 Prozent sind möglich

Die (Energie-)Effizienz ist zum Schlüsselbegriff für die Bewertung von Antriebskomponenten geworden. Bei Igus gehört dieser Begriff schon seit Jahren zu den Parametern, die bei Neuentwicklungen zu optimieren sind. Dabei unterscheidet man zwischen zwei Arten der Effizienz. Als passive Maschinenelemente, die nicht unmittelbar angetrieben werden, benötigen Energieketten dennoch Antriebsenergie, die sich im Wesentlichen aus zwei Faktoren ergibt: der Reibung und der Massenträgheit. Dazu zählen unter anderem die innere Reibung der Kette und die Reibung beim Gleiten (oder Abrollen).

Diese Faktoren kann man durch das Design der Energiekette, die eingesetzten Werkstoffe sowie durch die Art und die Menge der Leitungen beeinflussen. Sie ergeben letztlich die direkte Effizienz einer Energiekette, denn sie haben unmittelbare Auswirkung auf den Energieverbrauch des Antriebs, der die Kette mit bewegt. Diese direkte Effizienz ist mit der Energieeffizienz gleichzusetzen. Daneben gibt es noch eine indirekte Effizienz, die sich z.B. über eine längere Lebensdauer, reduzierten Abrieb, reduziertes Geräuschniveau und kleinere Einbauräume definiert. Sie erhöhen die Effizienz und die Gebrauchstauglichkeit einer Energiekette, und sparen damit Kosten, haben aber keinen Einfluss auf den Energieverbrauch.

Diese Unterscheidung in verschiedene Effizienzarten deutet schon darauf hin, dass nicht nur ein Höchstmaß an Energieeffizienz gefordert ist, wenn bei Igus eine neue Energiekette entwickelt wird. Natürlich soll eine neue Kette nicht „nur“ mit weniger Energieaufwand zu bewegen sein, sondern auch z.B. eine höhere Lebensdauer sowie einen leiseren Lauf aufweisen und eine noch höhere Dynamik ermöglichen. Diese Anforderungen resultieren aus den Kundenwünschen, die bei der Entwicklung obenan stehen und natürlich völlig berechtigt sind. In vielen Anwenderbranchen von Energieketten, z.B. bei Kranen, Werkzeugmaschinen, Handhabungseinheiten und Robotern steigen die Achsgeschwindigkeiten ständig an, zugleich müssen die Maschinen (z.T. getrieben durch gesetzliche Regelungen) leiser sein und die einzelnen Bauelemente sollen weniger Platz beanspruchen.

Einige dieser Anforderungen können durchaus zu Zielkonflikten in der Entwicklung führen. Die Forderung nach extrem hoher Lebensdauer ließe sich recht zuverlässig durch besonders robuste und schwere Systeme erfüllen, die aber in Bezug auf Energieeffizienz keinen Fortschritt bedeuten würden. Hier ist also Intelligenz und Erfahrung gefragt, um die teilweise widerstreitenden Anforderungen zu erfüllen. Glücklicherweise gibt es eine Reihe von „Stellschrauben“, über die man die Energieeffizienz einer Energiekette beeinflussen kann, und einige davon lassen durchaus Synergieeffekte mit anderen Entwicklungszielen zu. Dazu gehört z.B. die Werkstoffauswahl, die mitentscheidend ist für Eigenschaften wie Gewicht, Steifigkeit und Geräuschentwicklung.

Durch die Optimierung der Detailkonstruktion kann man – wie es bei der Entwicklung von der Igus-Baureihe E4 zu E4.1 geschah – gleiche oder bessere Eigenschaften bei weniger Materialeinsatz erzielen und damit ein geringeres Gewicht und damit geringeren Energiebedarf bei mindestens gleichbleibender Dynamik und Lebensdauer erreichen.

Auch das Funktionsprinzip hat große Auswirkungen auf die Energieeffizienz einer Energiekette, wie die Entwicklung von der Baureihe E4 zu P4 und damit verbunden der Wechsel vom gleitenden zum rollenden Prinzip demonstriert. Dieser Wechsel ermöglicht längere Verfahrwege bei höheren Geschwindigkeiten und gleichzeitig längerer Lebensdauer. Bei allen Geschwindigkeiten verringern Rollenketten im Vergleich zu Gleitketten die Reibung um rund 75 %.

Leichtere Energieketten und leichtere Kabel senken die bewegten Massen, rollende statt gleitende Energieketten die Reibung. In Summe können deshalb kleinere Antriebe und Leitungsquerschnitte genutzt werden, was wiederum kleiner dimensionierte Energiezuführungen erfordert. Hier wird also eine Art Kreislauf wirksam. Der Einstieg in einen solchen Kreislauf sind Energieketten, die von Grund auf für den energieeffizienten Betrieb entwickelt wurden. Dies gilt für die Baureihe P4: eine Rollenkette für Verfahrwege bis 800 Meter und Geschwindigkeiten bis 10 m/s, die auch im Vergleich zu den vorhandenen Rollenketten einen nochmals deutlich geringeren Reibungskoeffizienten aufweist.

Die Grafik verdeutlicht die kontinuierliche Entwicklung hin zu immer leichteren, effizienteren Energieketten. Diese Entwicklung darf man nicht unterschätzen, weil bei jeder Beschleunigung der Antriebsachse auch das Gewicht bzw. der Reibungswiderstand der Energiekette angetrieben werden müssen. Auf der anderen Seite darf man den Einfluss aber auch nicht überschätzen und – übertrieben dargestellt – den Eindruck gewinnen, dass tonnenschwere Energieketten die Dynamik des Antriebssystems beeinträchtigen und dessen Energieverbrauch in die Höhe treiben. Beim erwähnten Beispiel, das von einem energiekettenspezifischen Leistungsbedarf von 6,2 bzw. 2,6 kW ausging, beträgt die gesamte Antriebsleistung der Kranantriebe z.B. mehrere hundert kW. Das zeigt: die erzielbaren Einsparungen sind da und eine durchdachte Auswahl der „richtigen“ Energiezuführung kann durchaus Einsparpotenzial bieten. Je nachdem, wie der Leistungsbedarf der gesamten Anwendung ist, fallen die möglichen Einsparungen im Verhältnis unterschiedlich aus. Bei einem kleinen Handlingportal kann dies im Verhältnis zum Gesamtverbrauch eine bedeutend größere Ersparnis bedeuten als bei einem großen Containerkran.

Andreas Hermey Leiter Konstruktion & Entwicklung Energieketten, Igus GmbH, Köln