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Antriebstechnik:Galaxie macht das Unmögliche möglich

Antriebstechnik
Gattung, Getriebe und Antriebssystem machen das Unmögliche möglich

Das auf der Hannover Messe 2015 mit dem Hermes Award ausgezeichnete Galaxie-Antriebssystem hat den Status einer eigenständigen, in Forschung und Lehre wie auch im Markt anerkannten Gattung erlangt. Es ist bekannten Getriebeprinzipien durch die besondere Funktionsweise weit überlegen und steht vor einer exponentiell wachsenden Marktdurchdringung.

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Bayer
Leiter Innovation Lab, Wittenstein SE in
Igersheim

Allgemein verfügbares Wissen oder gar Erfahrungswerte sind bei grundlegend neuen Technologien zu Beginn der Markteinführung eher Mangelware. Bei Galaxie war dies nicht ganz so, denn Wittenstein hatte das Antriebssystem bereits seit 2011 zusammen mit Lead-Kunden in Maschinenanwendungen eingesetzt und ständig weiterentwickelt. In den drei Jahren seit der Markteinführung des Systems sind jedoch weitere wichtige Erkenntnisse hinzugekommen.

Galaxie: als überlegen anerkanntes Funktionsprinzip

Fakt ist: Die prinzipbedingt überlegene Getriebegattung Galaxie ist wissenschaftlich bewiesen und im Markt anerkannt. Ihre entscheidenden Merkmale sind dynamisierte Einzelzähne statt starre Zahnräder, vollflächiger, hydrodynamischer Kontakt beim Zahneingriff statt deutlich weniger tragfähiger Wälzpunkt-Linienkontakte sowie die neue Lagerart mit segmentiertem Außenring. All dies führt dazu, dass Galaxie, bezogen auf den Marktstandard, in allen wichtigen technischen Disziplinen bekannten Planeten-, Zykloid-, Exzenter- und Standard-Wellgetriebe um Faktoren überlegen ist.

Deren prinzipbedingte technischen Kompromisse – wenn etwa gleichzeitig sehr hohe Präzision und Drehmomentdichte gefordert sind – gehören der Vergangenheit an. Galaxie bietet Bestleistungen bei Spielfreiheit, Gleichlauf, Steifigkeit, Drehmomentdichte und Überlastsicherheit, ohne diese Merkmale „gegeneinander ausspielen“ zu müssen. Bereits in den ersten Pilotprojekten in Fertigungsanlagen führte dies nach Angabe der Kunden zu Produktivitätssteigerungen von 40 % und mehr. Kein Wunder also, dass die Gattung Galaxie als disruptive Innovation ein konstruktives Umdenken im Hochleistungsmaschinenbau ausgelöst hat, was einem Paradigmenwechsel gleichkommt.

Innovativer Maschinenbau bestätigt
technologische Überlegenheit

Vielfältige Kundenlösungen beweisen die technologische Überlegenheit des Galaxie-Prinzips. Beispiel Profiroll Technologies, dessen Kernkompetenz die Profilierung rotationssymmetrischer Werkstücke ist. Mit der Integration des Antriebssystems Galaxie D von Wittenstein in seine Rollex-Verzahnungswalzmaschinen konnte das Unternehmen die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöhen, gleichzeitig die Prozessqualität bei kritischen Bauteilen deutlich verbessern und so unter dem Strich die Produktivität um bis zu 40 % steigern. Maßgeblich für diesen Leistungs-, Qualitäts- und Effizienzsprung ist die extrem hohe Verdrehsteifigkeit und dämpfende Eigenschaft des Galaxie D, die um bis zu Faktor 5,8 größer ist als bei vergleichbaren Getrieben. Sie ermöglicht bei voller Maschinengeschwindigkeit ein vibrationsfreies Walzen von Kerb- oder Steckverzahnungen auf symmetrischen Wellen.

Bislant unerreichbare dynamisch Positioniergenauigkeit beim Fräsen

Die Serien- und Sondermaschinen von DMT werden besonders dort bevorzugt, wo Einzelteile und Kleinserien – auch mit komplizierten Konturen – schnell und mit höchster Präzision gefertigt werden müssen. DMT setzt daher an der C-Achse seiner Drehmaschinen auf Galaxie G mit seiner unerreichten Drehsteife und auch über die gesamte Betriebsdauer völlig spielfreien Getriebe-Kinematik. Hieraus ergeben sich bei Fräsbearbeitungen kürzere Bearbeitungszeiten und höhere Zerspanungsleistungen bei einer deutlich verbesserten Bearbeitungsqualität. Der Wegfall von Umspannvorgängen auch bei größeren Werkstücken vermeidet Rüstzeiten und gewährleistet eine bessere Formtreue, die bei einem erneuten Aufspannen schwerer zu erreichen ist. Die längeren Werkzeugstandzeiten erhöhen zudem die Verfügbarkeit der Drehmaschinen aus.

Deutlich präzisere Bewegungsführung auch in Umkehrpunkten

Spielfreiheit auch bei einem Flankenwechsel durch Umkehr der Bewegungsrichtung sowie unerreicht hohe Drehsteifigkeit sind für Broetje-Automation die wichtigsten Eigenschaften, mit denen das Antriebssystem Galaxie GH das Regelverhalten der MPAC-Nietmaschinen optimiert und so deren Produktivität um bis zu 20 % verbessert. Diese Maschinen verlangen höchste Präzision in der Bewegungsführung und
Positionierung – denn sie verbinden vollautomatisch mit zehntausenden von Nieten Flugzeug-Rumpfsegmente und Verstrebungen von Flugzeugteilen, beispielsweise für den Airbus A380 oder den Boeing 787 Dreamliner.

Als Winkelgetriebe an der prozessführenden Achse der MPAC-Nietmaschinen montiert, ermöglicht Galaxie GH dem hochkomplexen Endeffektor mit seinen je fünf Positionierachsen für Unterwerkzeug und Nietkopf beim Bohren, Dichtmittel applizieren, Nieten setzen und Stauchen eine elektronisch geregelte und sensorüberwachte Genauigkeit von ±0,1 mm. Zudem hat sich die Produktivität verbessert, weil sich durch das Galaxie GH die Bewegungsgeschwindigkeit der Achse verdoppelt hat, die Beschleunigung jetzt 140 % besser ist und die Änderungsgeschwindigkeit der Beschleunigung – der Ruck – sogar um 250 % gesteigert werden konnte.

Konturen jetzt noch präziser und wiederholgenauer fahren

Maka Systems setzt den Aktuator Galaxie D in seine CNC-Spezialmaschinen für die Holz-, Aluminium-, Kunststoffbearbeitung und den Modellbau ein. Diese erreichen dadurch höchste Genauigkeiten mit kleinstmöglichen Toleranzen. Nullspiel, eine hohe Verdrehsteifigkeit sowie die hohe Dynamik des Galaxie D führen zudem zu schnelleren Maschinentakten und Bearbeitungsgeschwindigkeiten, die aufgrund des besonderen Aufbaus der Lagerung aber nicht zu Lasten von Zuverlässigkeit und Lebensdauer gehen. Im Gegenteil: Individuelle Berechnungen, in die unter anderem Faktoren wie die Verfahrzyklen oder die Belastungen eingehen, bestätigen, dass das Galaxie D auch in dieser Hinsicht deutlich langlebiger als andere Hohlwellentriebe ist.

Zudem beweist sich Galaxie als „Enabling Technology“: Da das Antriebssystem durch seine spielfreie Kinematik auch bei Wechselbelastung im Nulldurchgang eine fast sechs Mal höhere Verdrehsteifigkeit bietet als selbst die besten, vergleichbaren Getriebealternativen, eröffnet dies die Option, die Maka-Maschinen in Zukunft noch steifer auszuführen. Mit einer solchen neuen Maschinengeneration können Bearbeitungsprozesse noch präziser durchgeführt werden. Zudem wird das Spektrum bearbeitbarer Materialien dadurch breiter, denn mit den noch robusteren Maschinen können dann entsprechend härtere und gröbere Materialien gefräst werden.

Galaxie-Community bildet sich heraus

Bei so vielen Einsatzbeispielen verwundert es nicht, dass sich in Wirtschaft und Verbänden eine Community herausbildet, die die Gattung Galaxie in Publikationen und Präsentationen als „Meilenstein der Technik“ bestätigt. So kann die Forschungsvereinigung Antriebstechnik FVA dies bestens beurteilen. Deren Grundlagenforschung und Erkenntnisse aus Forschungsprojekten konnten auf die Galaxie-Kinematik adaptiert und für die Entwicklung des Getriebes sowie dessen schnelle marktfähige Produktion genutzt werden.

In ihrem Buch „50 Jahre FVA: sharing, drives, innovation“ nennt die Forschungsvereinigung Antriebstechnik das Galaxie-Antriebssystem von Wittenstein gemeinsam in einer langen Reihe bedeutender Erfindungen der Neuzeit, wie beispielsweise die von Leonardo da Vinci, August Otto, Friedrich Fischer und Rudolf Diesel.

Die logarithmische Spirale als neue
mathematische Funktion im Getriebebau

Die dritte Fangemeinde ist die Wissenschaft, die in der universitären Forschung den Nachweis erbracht hat, dass Galaxie eine eigenständige Gattung koaxialer Hohlwellengetriebe darstellt – und die dies in wissenschaftlichen Arbeiten und Lehrbüchern sowie auf Konferenzen auch so zum Ausdruck bringt. So fand im September 2017 die „International Conference on Gears“ des Lehrstuhls für Maschinenelemente der TU München, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebe FZG (siehe Kasten), statt – die weltweit bedeutendste, wissenschaftliche Konferenz über Getriebeentwicklung mit über 700 Teilnehmern. Auf dieser Veranstaltung wurden zwei Vorträge über das Galaxie-System gehalten – in deren Rahmen mit Hilfe wissenschaftlicher Abstraktion nachgewiesen worden ist, dass es sich bei Galaxie um eine neue Getriebegattung handelt.

Wesentlich für die Beweisführung war dabei, dass mit Galaxie die mathematische Funktion der Logarithmischen Spirale als fundamentale Neuigkeit in den Getriebebau eingeführt wurde. Als Verzahnungsform von Polygon und Einzelzähnen führt sie zum flächigen Zahneingriff und zu einem mathematisch exakten Gleichlauf. Folgerichtig sind sowohl die theoretische Funktionsfähigkeit als auch die technischen Leistungsmerkmale und Vorteile von Galaxie innerhalb der Wissenschaft inzwischen anerkannt – was sich in der Aufnahme der neuen Getriebegattung in Standardwerke, etwa des Werkzeugmaschinenbaus, dokumentiert.

Zudem handelt es sich bei der im Galaxie-Getriebe verwendeten Logarithmischen Spirale um ein Phänomen, das sich auch in der Natur als höchst effizient für den Material- und Energieeinsatz herausgebildet hat. So findet sich die Logarithmische Spirale als absolutes Vorbild in Bezug auf Effektivität und Design an Schneckenhäusern, bei der Anordnung von Kernen in Sonnenblumen oder auch in Spiralgalaxien, die der Getriebegattung den Namen gegeben haben.

Galaxie vor exponentiell wachsender Marktdurchdringung

Experten von Hochschulen wie der RWTH Aachen und in der Industrie sehen die Galaxie-Technologie mittlerweile am Beginn einer exponentiellen Marktdurchdringung. „Der Galaxie-Zug fährt“, lautet der Tenor, für Maschinenbauer sei es höchste Zeit aufzuspringen, will man den technologischen Anschluss nicht verpassen. Jedes Zögern vergrößere den Rückstand. Wittenstein hat daher eigens eine Fertigung mit leistungsfähigen Präzisionsmaschinen aufgebaut. Gleichzeitig hat die Erfahrung der zurückliegenden Phase der Marktreife die Grundlagen für den Aufbau eines modularen Galaxie-Portfolios geschaffen, das durch verschiedene Bauformen und Varianten neue Anwendungen mit besonderen Leistungs- oder Einbauanforderungen erschließt – und so wesentlich zur erwarteten, exponentiellen Marktdurchdringung beitragen wird.


Das sagen die Anwender

Dr. Stephan Kohlsmann, Geschäftsführer der Profiroll Technologies GmbH: „Galaxie D ermöglichte eine Steigerung der Produktivität um bis zu 40 Prozent. Bei konstanter Nebenzeit erhöhte sich dadurch die Zahl bearbeitbarer Werkstücke von vier Teilen pro Minute auf 5,1 Teile pro Minute – also um 29 Prozent.“

Friedrich Spohn, Geschäftsführer der DMT Drehmaschinen GmbH: „Mit Galaxie D setzen wir in C-Achsen ein Antriebssystem ein, dessen Drehsteifigkeit und Spielfreiheit eine bislang unerreichbare dynamische Positioniergenauigkeit im Fräsprozess ermöglicht. Dadurch werden die Bearbeitungsqualität, die Werkzeugstandzeiten und die Zerspanungsleistung der Maschinen maßgeblich verbessert.“

Dr.-Ing. Axel Peters, Executive Vice President Fastening, Broetje-Automation GmbH: „Für uns entscheidend waren die um Faktoren verbesserte Drehsteifigkeit der Kinematik des Galaxie GH und dessen absolute Spielfreiheit auch bei Wechselbelastung im Nulldurchgang. Dadurch erreichen wir eine deutlich präzisere Bewegungsführung auch in Umkehrpunkten sowie eine um etwa 30 Prozent schnellere Positionierung des Unterwerkzeugs der MPAC. Dies wiederum hat den Niettakt von 18 auf 21 Nieten pro Minute erhöht.“

Markus Hepp, Teamleiter Entwicklung, Maka Systems GmbH: Galaxie G hat der CNC-Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe eine deutlich verbesserte Genauigkeit und Zerspanungsleistung beschert. Wir können Konturen jetzt noch präziser und wiederholgenauer fahren. Zudem erhöht die kompakte Bauweise des Getriebes die kinematische Flexibilität der Fräsköpfe, so dass wir jetzt auch komplexere Formen herausarbeiten können.


Neue Getriebegattung hält Einzug in Lehrbücher

Mit dem wissenschaftlichen Beweis einer eigenständigen Getriebe-Gattung und dem erfolgreichen Praxiseinsatz im Hochleistungsmaschinenbau hält Galaxie jetzt auch Einzug in Lehr- und Sachbücher – so in das Standardwerk „Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 3: Mechatronische Systeme, Steuerungstechnik und Automatisierung, 9. Auflage“. Herausgeber des Sachbuchs sind Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher und Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck vom Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen der RWTH Aachen. Dem Galaxie-Getriebe ist ein eigenes Kapitel gewidmet, das den Aufbau, die Funktionsweise und die besonderen Vorteile der neuen Getriebe-Gattung erläutert. Der genaue Erscheinungstermin 2018 ist noch offen.


„Roboter können damit punkten“

Wann haben Sie das erste Mal von Galaxie gehört? Welche Gedanken und Ideen sind Ihnen dabei spontan gekommen?

Galaxie habe ich erstmals Ende 2013 in Igersheim gesehen. Ich war beeindruckt, dass ein Getriebe mit einem im Vergleich zu etablierten Zahnradgetrieben so unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzip derart vorteilhaft sein kann.

Was sehen Sie als das Alleinstellungsmerkmal der neuen Gattung Galaxie?

Als die herausragende Eigenschaft sehe ich die hohe Steifigkeit. Anders als bei Zahnradgetrieben, bei denen die Umfangskraft durch wenige einzelne Hertz‘sche Kontakte übertragen werden muss, sind beim Galaxie-Getriebe zahlreiche flächige Gleitkontakte im Einsatz. Dadurch ist systembedingt eine deutlich höhere Steifigkeit erreichbar.

Welche neuen Lösungskonzepte und Einsatzfelder ermöglicht Galaxie im Werkzeugmaschinenbau und darüber hinaus?

Das Getriebe scheint mir die optimale Lösung für Roboterantriebe zu sein, insbesondere, wenn eine besonders hohe Steifigkeit gefordert ist. Ich gehe davon aus, dass Roboter im Werkzeugmaschinenbau zunehmend wichtiger werden, sei es autonom oder kollaborativ. Hier können sie mit besonders geringer Nachgiebigkeit durch Antriebe höchster Steifigkeit punkten.

Evolution oder Revolution – wie ordnen Sie die Erfindung in das Umfeld technologischer Innovationen ein?

Galaxie gehört für mich klar in die Kategorie der revolutionären Innovation. Im Rahmen seiner Entwicklung wurden ja auch Kreativitätsmethoden eingesetzt, um eingetretene Denkpfade zu verlassen und nach alternativen physikalischen Wirkprinzipien zu suchen. Ich denke, nur so war es überhaupt möglich, ein Getriebe zu entwickeln, das auf anderen Wirkprinzipien als ein übliches Zahnradgetriebe beruht und so Eigenschaften aufweist, welche die der üblichen Getriebe weit übertreffen können. (dk)

Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl leitet an der TU München den Lehrstuhl für Maschinenelemente sowie die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG).

Patentierte Merkmale der Gattung Galaxie

  • Großer Flächenkontakt durch Logarithmische Spirale
  • Sehr große Anzahl an (Einzel-)Zähnen gleichzeitig im Eingriff
  • Adaptiver Zahneingriff
  • Effektive Nutzung hydrodynamischer Schmierfilme
  • Umwandlung einer Rotation in eine translatorische Bewegung mit einem Polygon und einem Wälzlager mit segmentiertem Außenring

Galaxie-Portfolio: Konfiguration aus dem Baukasten

Das modulare Galaxie-Portfolio erschließt durch verschiedene Bauformen und Varianten neue Anwendungen mit besonderen Leistungs- oder Einbauanforderungen.

  • Galaxie D ist eine kompakte mechatronische Einheit aus einem speziell entwickelten, permanenterregten Hochleistungs-Synchronmotor und einem Galaxie-Getriebe.
  • Galaxie G ist als Hohlwellengetriebe für die Integration in Servoantriebe mit Motoren verschiedener Hersteller konzipiert.
  • Galaxie GH eignet sich als Winkelversion des Galaxie G besonders für beengte Einbauverhältnisse.
  • Galaxie DF bietet eine besonders flache, platzsparende Bauform: Es spart im Vergleich zum Galaxie D bis zu 30 % Baulänge.

Aufbau und Funktionsweise

Die patentierte Getriebe-Kinematik von Galaxie verzichtet im Gegensatz zu anderen Gattungen auf ein starres Zahnrad – stattdessen erfolgt die Drehmomentwandlung über dynamisierte Einzelzähne, die um ein unrundes Antriebspolygon mit Nadellagerung herum gruppiert sind und radial gleitend entlang der Innenverzahnung des Hohlrades geführt werden. Dieses Prinzip führt dazu, dass jetzt fast alle Zähne gleichzeitig am Zahneingriff beteiligt sind – während bei anderen Getriebeausführungen nur wenige Zähne gleichzeitig eingreifen. Hinzu kommt, dass die Zahnflanken der Einzelzähne sowie des Hohlrades erstmals als Logarithmische Spirale ausgeführt sind, wodurch der Zahneingriff nicht mehr wie bei Getrieben mit Zahnrädern als Linienkontakt erfolgt, sondern als Flächenkontakt mit hohem Traganteil. Der Kontakt beim Zahneingriff baut einen hydrodynamischen Schmierfilm auf, der mechanischen Verschleiß und Abrieb minimiert. Dadurch bleibt ein einmal eingestelltes Verdrehspiel oder Nullspiel über die gesamte Lebensdauer absolut konstant.

Dynamisierte Zähne, die um ein Polygon herum gruppiert sind, kennzeichnen die Getriebe-Kinematik.


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