Zykloidgetriebetechnologie von Nabtesco

Spielfreie Zone

| Redakteur: Silvano Böni

Ideal für die Robotik: Die Vollwellengetriebe der RV-­N-­Serie sind besonders kompakt, leicht und leistungsstark.
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Ideal für die Robotik: Die Vollwellengetriebe der RV-­N-­Serie sind besonders kompakt, leicht und leistungsstark. (Bild: Nabtesco)

Die Nabtesco Precision Europe GmbH, Teil der Nabtesco-Gruppe, ist einer der grössten und anerkanntesten Hersteller von Zykloidgetrieben. Mehr als 8 Millionen Exemplare sind rund um den Globus im Einsatz. Doch woher stammt die Technologie eigentlich und was macht sie so erfolgreich?

Als der deutsche Konstrukteur und Unternehmer Lorenz Braren Ende der 1920er Jahre mit dem Cyclo-Getriebe eine völlig neuartige Technologie entwickelte, waren Industrieroboter noch nicht einmal «geboren». Als offizielle Geburtsstunde gilt das Jahr 1954 – das Jahr, in dem der US-amerikanische Erfinder George Devol ein Patent für einen programmierbaren Manipulator anmeldete. Inzwischen «bevölkern» rund 1,8 Millionen Exemplare die Fabrikhallen. Tendenz steigend. Laut Branchenverband International Federation of Robotics (IFR) wird sich die Zahl bis 2020 voraussichtlich auf 3,05 Millionen so gut wie verdoppeln.

Doch was hat die Erfindung von Lorenz Braren, die ursprünglich für den Einsatz in Kameras gedacht war, mit der Robotik zu tun? Die Antwort liegt in der einzigartigen Bauweise der Cyclo-Getriebe: Das von dem Deutschen entwickelte Prinzip nutzte zur Kraftübertragung Bolzen und Rollen statt wie sonst üblich Zahnräder – und war damit das erste Zykloidgetriebe der Welt. Ebenjene Technologie findet sich heutzutage in der Mehrheit der Industrieroboter.

Die Nr. 1 in der Robotik

In weltweit sechs von zehn Industrierobotern stecken Nabtesco-Getriebe – damit ist der japanische Hersteller mit Europazentrale in Düsseldorf Marktführer in der Robotik. Doch die robusten Präzisionsgetriebe der Japaner leisten nicht nur in Robotern hervorragende Arbeit, sondern finden sich in zahlreichen weiteren Hightech-Anwendungen. Ob Werkzeugmaschinenbau, Medizintechnik, Handling oder Schweissapplikationen – die Getriebe von Nabtesco machen überall dort eine gute Figur, wo exaktes Positionieren und absolute Zuverlässigkeit gefragt sind. Auch in der Verpackungstechnik, im Antennenbau, in der Solartechnik sowie in Windkraftanlagen werden sie weltweit geschätzt. Zu verdanken haben sie diesen Erfolg ihrem besonderen Konstruktionsprinzip. Aufgrund der zykloiden Bauweise kommen sie im Inneren ohne Zahnräder aus und sind keinen Scherkräften ausgesetzt. Das macht die Getriebesysteme ausserordentlich leistungsfähig, sehr genau und extrem robust.

Zahnlos, aber mit Biss

Zykloidgetriebe bestehen im Wesentlichen aus vier Bauelementen: einer Antriebswelle, zwei oder drei Exzenterwellen, zwei Kurvenscheiben und einer der Untersetzung entsprechend langsam laufenden Abtriebswelle. Wie bereits beim «Ur-Zykloidgetriebe» von Lorenz Braren erfolgt die Kraftübertragung über Bolzen und Rollen. Das sorgt für einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 85 Prozent, eine lange Lebensdauer und ein geringes Spiel des Getriebes von unter einer Winkelminute. Auch über einen langen Zeitraum ist die Spielzunahme bei Zykloidgetrieben verschwindend gering – ein dickes Plus gegenüber normalen Planetengetrieben, die im Laufe ihres Lebens häufig mit zunehmendem Spiel zu kämpfen haben.

Zunächst wird in einer ersten Stufe die Drehbewegung des Antriebs- beziehungsweise Servomotors über die Eingangswelle auf die Stirnräder übertragen. Dabei reduziert sich die Drehzahl entsprechend dem Untersetzungsverhältnis von Eingangswelle zu Stirnrädern. Die Stirnräder sitzen auf Exzenterwellen, die jeweils über drei um 120° versetzte Exzenter verfügen. Die beiden Kurvenscheiben auf den Exzentern sind um 180° zueinander verschoben und werden über Nadellager angetrieben. Sie rotieren innerhalb des mit Bolzen ausgekleideten Gehäuses (zweite Untersetzungsstufe). Dabei hat die Kurvenscheibe genau einen Kurvenabschnitt weniger als der Bolzenring Bolzen und nahezu alle Kurven der Scheiben sind in ständigem Kontakt mit den Bolzen. So lassen sich sehr hohe Drehmomente mit höchster Präzision und Laufruhe übertragen und aufgrund der beiden Untersetzungsstufen hohe Untersetzungsverhältnisse erzielen. Zykloidgetriebe erlauben Untersetzungen von 30:1 bis über 300:1 – ohne zusätzliche Vorstufen, wie sie sonst bei Standard-Planetengetrieben nötig sind.

«Das zweistufige Untersetzungsprinzip (Stirnradstufe und Exzenterstufe) reduziert die Vibrationen sowie die Massenträgheit», hebt Carlos Rivera, Sales Manager bei Nabtesco, die Vorteile hervor. «Der fast vollständige Kontakt innerhalb der Zykloiden-Bolzen-Konstruktion und die gleichmässige Kraftverteilung innerhalb des Getriebes erlauben ausserdem eine hohe Belastung bei geringem Spiel.» In Not-Halt-Situationen kann das Getriebe so das 5-Fache des Nenndrehmoments aufnehmen. Die rollende Reibung aller an der Kraftübertragung beteiligten Elemente garantiert ausserdem ein sehr geringes Losbrechmoment.

Aus dem Bagger in den Roboter

Sein erstes Zykloidgetriebe brachte Nabtesco im Jahr 1980 auf den Markt – und zwar in Fahrantrieben für Bagger. Damals firmierte das Unternehmen noch unter dem Namen Teijin Seiki, erst 2003 ist aus dem Zusammenschluss der beiden Traditionsunternehmen Teijin Seiki und Nabco die Firma Nabtesco hervorgegangen.

Bereits seit Mitte der 70er Jahre entwickelte das japanische Unternehmen komplette Antriebseinheiten für Bagger – damals noch auf Basis von Planetengetrieben. Doch aufgrund ihrer grossen Baulänge waren diese für den Einsatz in kleinen Baggern ungeeignet, immer wieder kam es zu Problemen. Zykloidgetriebe hingegen sind sehr kompakt und langlebig – und damit ideal für alle Anwendungen, wo nur wenig Bauraum zur Verfügung steht. Übrigens: Die ersten Zykloidgetriebe von Teijin Seiki waren noch keine Präzisionsgetriebe, was für die vorgesehene Anwendung – Fahrantriebe für Bagger – aber auch gar nicht notwendig war.

Mit der Entstehung der Robotertechnik in Japan Anfang der 80er Jahre begann dann die grosse «Karriere» der Nabtesco-Getriebe. Von Anfang an arbeitete man bei Teijin Seiki mit den Roboterherstellern zusammen. Diese benötigten zuverlässige, kompakte und präzise Getriebe – und so startete im Herbst 1983 die Entwicklung von Präzisionsgetrieben, das heisst Getrieben mit einem Spiel von weniger als 3 Winkelminuten. 1985 kam das RV-Getriebe (RV steht für Rotor Vector) auf den Markt – das erste Präzisionsgetriebe von Nabtesco beziehungsweise Teijin Seiki in zykloider Bauform. Von Anfang an punkteten die Getriebe mit hohen Drehmomenten, einer hohen Steifigkeit, Kompaktheit sowie einer grossen Präzision – und waren damit wie geschaffen für die Robotik.

Optimieren bis zur Perfektion

Bereits damals verfügten die Präzisionsgetriebe über das für sie typische zweistufige Untersetzungsprinzip sowie drei Exzenterwellen (nur kleinere Getriebe besitzen lediglich zwei), wodurch sie zu weniger Vibrationen neigen. Eine weitere Innovation von Teijin Seiki war die Standardisierung: Die Zykloidstufe innerhalb einer Baugrösse ist einheitlich, die unterschiedlichen Übersetzungen erfolgen durch die Stirnradstufe.

Seit 1985 wurden die Getriebe immer weiter optimiert und perfektioniert. Während das erste Zykloidgetriebe noch ohne Hauptlager auskam, wurde dieses Ende der 80er Jahre integriert – heute verfügen 95 Prozent der verkauften Nabtesco-Getriebe über ein integriertes Hauptlager. Ziel der Optimierungen war und ist in erster Linie eine Steigerung der Leistungsfähigkeit: Die Getriebe werden immer kleiner, die Drehmomentdichte höher und das Öl noch besser auf die jeweilige Applikation abgestimmt. Ein Fokus der Weiterentwicklungen liegt aktuell unter anderem im Bereich Hygienic Design, wie Carlos Rivera erzählt: «Unsere derzeitigen Lösungen für Anwendungen mit hohen hygienischen Anforderungen sind gekapselt, um den starken Belastungen durch die Reinigung mit Hochdruckgeräten und aggressiven Reinigungsmitteln standzuhalten. Damit das zukünftig nicht mehr notwendig sein muss, arbeiten wir daran, die Oberflächen, das Design sowie den Wellendichtring der Getriebe entsprechend zu optimieren.»

Viel mehr als nur Getriebe

In der Robotik ein Star, in anderen Maschinenbau-Bereichen noch weitgehend unbekannt – mit der Marktdurchdringung von zum Beispiel Stirnradgetrieben können Zykloidgetriebe nicht mithalten. Das liegt in erster Linie an ihrer Komplexität. Auch gehört die Technologie nicht zum klassischen Lehrstoff an Universitäten und Hochschulen. Doch mit dem starken Wachstum der Robotik nimmt auch der Bekanntheitsgrad der Zykloidgetriebetechnologie zu. Und wohin geht die Reise für Nabtesco in Zukunft? «Natürlich werden wir die Optimierungen weiter vorantreiben. Darüber hinaus sehe ich im Bereich Aktuatorik grosses Potenzial, also der Verbindung von Motor und Getriebe. Daran wird man in Zukunft sicherlich nicht vorbeikommen», so Carlos Rivera.

Von der Kamera über den Bagger in den Roboter – die Zykloidgetriebetechnologie blickt auf eine wechselvolle Geschichte zurück. Heute sind die Präzisionsgetriebe von Nabtesco dank ihrer Eigenschaften aus der Robotik und vielen anderen Branchen nicht mehr wegzudenken. Neben den bewährten Getriebeserien liegt eine besondere Stärke von Nabtesco in den Engineering Services mit kundenindividuellen Sonderanfertigungen: In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden entwickelt und fertigt das Unternehmen spezielle Getriebelösungen, die optimal an die individuelle Applikation angepasst sind. So unterschiedlich die Anwendungen auch sind – sie alle profitieren von den leistungsfähigen, robusten, kompakten und präzisen Zykloidgetrieben. SMM

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