Ein japanischer Hersteller elektrischer Antriebstechniklösungen hat das Stirnradgetriebe weiterentwickelt, um es für Anwendungen mit hohen Drehmomentanforderungen zu optimieren. Die neue Version des Getriebes besteht aus weniger Teilen und kann schneller gefertigt werden. Dies ermöglicht Maschinenbauern, höhere zulässige Drehmomente und Radiallasten zu realisieren.

Mit der Entwicklung der CS-Getriebe reagiert Oriental Motor auf die steigende Nachfrage am Markt nach Antrieben mit hohem zulässigen Drehmoment. Bereits 2021 stellte das Unternehmen seine High-Torque-Motoren der PKP-Serie vor, die exakt für diese Anforderungen entwickelt wurden. PKP-Schrittmotoren bieten ein bis zu 70 Prozent höheres Drehmoment als vergleichbare Antriebe derselben Baugröße. Durch den größeren Wicklungsdurchmesser reduzieren sich zudem die Wärmeentwicklung und die Verlustleistung. Maschinenbauer haben durch den Einsatz der PKP-Stepper zudem die Möglichkeit, ihre Anlagen deutlich kompakter zu konstruieren.

Das höhere Drehmoment und noch bessere Vibrationsverhalten der PKP-Schrittmotoren wurde vor allem durch eine Verringerung des Luftspalts erreicht, der sich zwischen den Zähnen des Stators und des Rotors befindet. Die Forschung von Oriental Motor hatte ergeben, dass sich das Drehmoment durch eine Reduzierung des Spalts um zehn Mikrometer um rund fünf Prozent erhöht. Die Optimierung der Wicklungsdichte um acht Prozent trägt ebenfalls zur Erhöhung des Drehmoments bei.

Schrittmotoren der PKP-Serie weisen eine Auflösung von 200, 400, 500 oder 1.000 Schritten pro Umdrehung und Haltemomente zwischen 0,0075 und 9,5 Nm auf. Die Antriebe gibt es mit Flanschmaßen von 13 bis 85 mm – viele davon sind mit verschiedenen Optionen verfügbar. Oriental Motor liefert die Schrittmotoren zum Beispiel auch mit elektromagnetischer Bremse, mit Encoder, mit Getriebe oder als flache Antriebe mit besonders kurzer Motorlänge. Bei den 2-Phasen-Schrittmotoren beträgt der Basis-Schrittwinkel 1,8°, bei den 5-Phasen-Motoren 0,72°. Daneben sind spezielle Ausführungen mit hoher Auflösung erhältlich, die den Basis-Schrittwinkel auf 0,9° beziehungsweise 0,36° halbieren. Diese Motorvarianten werden bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, in denen eine hohe Laufruhe erforderlich ist. 

CS-Getriebe erleichtert Anbau von Zubehörteilen

Oriental Motor bietet die Schrittmotoren der PKP-Serie jetzt mit einem neuen CS-Getriebe an. Dabei handelt es sich um die Weiterentwicklung eines Stirnradgetriebes. Das neue Design bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Bauweise eines solchen Getriebes. Stirnradgetriebe sind bisher so aufgebaut, dass die Getriebeausgangswelle versetzt zur Motorausgangswelle montiert ist. Beim Design des Flansches muss daher der Versatz zwischen der Motorausgangswelle und der Getriebeausgangswelle beachtet werden. Das erhöht den Aufwand bei der Integration des Getriebes in die Anwendung beziehungsweise bei der Verbindung des Getriebes mit dem Antrieb. Beim CS-Getriebe befindet sich die Ausgangswelle dagegen im Zentrum des Flansches beziehungsweise der Montagefläche: Dadurch ist der Anbau von Zubehörteilen deutlich leichter als bei klassischen Stirnradgetrieben.

Begrenzte Übersetzung bei Stirnradgetrieben 

Konventionelle Stirnradgetriebe sind zudem so konstruiert, dass das Getriebegehäuse in die Projektionsebene der Motorrahmengröße passt. Versucht man dieses Design mit einer konzentrischen Wellenstruktur zu verbinden, ist der Mittelpunktabstand zwischen der Motorausgangswelle und dem Zahnradpaar der ersten Stufe begrenzt. Das hat zur Folge, dass der Mittelpunktabstand aller Zahnradpaare kurz ist und das Zahnrad der Ausgangsstufe nur einen kleinen Durchmesser aufweist. Dadurch ist es schwierig, Stirnradgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis >10 zu konstruieren beziehungsweise mit ihnen hohe Drehmomente zu übertragen.

Größerer Mittelpunktabstand der Zahnräder

Um diesen Nachteil zu beheben, ergänzten die Ingenieure von Oriental Motor das Gehäuse ihres neuen CS-Getriebes um einen Vorsprung. Er bietet Platz für ein Zahnrad, sodass der Bauraum im Getriebe-Inneren erweitert werden konnte. Durch diese konstruktive Maßnahme vergrößert sich der Mittelpunktabstand der Zahnradpaare sowie der Durchmesser des Zahnrades der Getriebeausgangsstufe. Das größere Zahnrad ermöglicht wiederum eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses auf 20 und erlaubt die Übertragung eines hohen Drehmomentes. Beim CS-Getriebe konnte zudem die Anzahl der benötigten Anbauteile reduziert werden, weil die Lager der Ausgangswelle nur noch vom Getriebegehäuse gestützt werden. Konventionelle Stirnradgetriebe benötigen hierfür zusätzlich einen Zwischenflansch. Dieser kann beim CS-Getriebe entfallen.

Weniger Komponenten erforderlich

Das neue CS-Getriebe hat aber nicht nur Vorteile gegenüber reinen Stirnradgetrieben. Es kommt auch mit deutlich weniger Komponenten aus als Planetengetriebe. Ein Planetentrieb erfordert eine Vielzahl von Lagern, um die Planetenräder zu stützen. Zudem ist eine hochpräzise Hohlradbearbeitung nötig. Da das neue CS-Getriebe aber auf einem Stirnradgetriebe aufbaut, kommt die Konstruktion mit weniger Teilen aus und die Fertigung nimmt wesentlich weniger Zeit in Anspruch.

Herkömmliche CS-Getriebe mit Planetentrieb müssen zudem für jedes gewünschte Übersetzungsverhältnis mit einem anderen Motor kombiniert werden. Das hängt damit zusammen, dass bei diesen Getrieben die Spezifikationen der Motorausgangswelle für jedes Übersetzungsverhältnis geändert werden müssen. Für jedes Übersetzungsverhältnis ist deshalb ein eigener Motor erforderlich. Das neue CS-Getriebe ermöglicht es dagegen, einen einzigen Motor für verschiedene Anwendungen zu nutzen, denn es liefert unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse.

Höhere Drehmomente und Radiallasten

Oriental Motor hat beim neuen CS-Getriebe aber nicht nur den Aufbau marktüblicher Stirnradgetriebe komplett überarbeitet. Die Getriebe wurden auch wärmebehandelt. Mit dieser Maßnahme konnte das zulässige Drehmoment im Vergleich zu dem der SH-Getriebe um das Zweifache gesteigert werden.

Durch die Erweiterung des Mittelpunktabstands der Zahnradpaare war es zudem möglich, die Lager zu vergrößern, sodass die zulässige Radiallast im Vergleich zu den 
SH-Getrieben von Oriental Motor um das bis zu Vierfache gesteigert werden konnte. Dadurch wird eine höhere Riemenspannung möglich – das ist insbesondere dann wichtig, wenn durch den Riemenantrieb hohe Kräfte übertragen werden sollen.

Autor
Timo Krüssel, Marketing Communications