Basiswissen Antriebstechnik Das ABC der Antriebstechnik

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Der vorliegende Artikel vermittelt Grundlagenwissen zum Thema Antriebstechnik. Er schlägt den Bogen von der Begriffsdefinition über die Funktionsweise von Antrieben bis hin zu aktuellen Themen wie zum Beispiel Rolle der Antriebstechnik in der Industrie 4.0

Was versteht man unter Antriebstechnik?

Die Antriebstechnik beschreibt technische Systeme, bei denen Kraft übertragen wird. Sie umfasst damit nicht ausschließlich die Technik der Krafterzeugung, sondern ebenso den Weg der Kraft bis zu ihrer Anwendung. Damit reicht die Bedeutung der Antriebstechnik weit über Kraftfahrzeuge hinaus.

Auch ist die Antriebstechnik nicht nur auf die Erzeugung und Übertragung radial wirkender Kräfte beschränkt. Lineare Antriebe werden ebenso von ihr beschrieben. Damit hat die Disziplin der Antriebstechnik im allgemeinen Maschinenbau eine wichtige Bedeutung.

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Aufgaben der Antriebstechnik

Die Antriebstechnik setzt eine eingebrachte Energieform in eine Bewegung um, mit der eine Arbeitsmaschine angetrieben wird. Der Antrieb kann entweder linear oder radial erfolgen. Die Antriebstechnik stellt sicher, dass die Bewegung wiederholgenau und in stets der gewünschten Kraft und Geschwindigkeit erfolgt. Die exakte Planbarkeit der Antriebstechnik ist eines ihrer wesentlichen Merkmale.

Geschichte der Antriebstechnik

Sobald eine Energieform aktiv in eine andere umgesetzt wird, um eine gewünschte Bewegung zu erreichen, ist die Definition der Antriebstechnik erfüllt. Die Geschichte dieser Disziplin reicht entsprechend weit in die Technikgeschichte zurück: Segelschiffe, Windmühlen, Blasebälge oder die ersten Kräne mit Hebel- und Flaschenzugantrieb sind die Ursprünge der Antriebstechnik. Sie beantwortet die Frage, wie die gegebenen Kräfte in einer Weise umgesetzt werden können, um ein exakt definiertes Ziel zu erreichen.

Die Antriebstechnik wandelt sich immer mit der nächsten technischen Revolution mit. Mit dem Aufkommen der Dampfkraft Anfang des 19. Jahrhunderts standen den Menschen Maschinen mit ungeahnter Leistungsstärke zur Verfügung. Die Kunst, Dampfdruck in Bewegung und nutzbare Arbeit umzuwandeln, wurde in dieser Zeit auf die Spitze getrieben.

Nach der Dampfkraft kamen ca. 100 Jahre später die Verbrennungsmotoren und wenig später die Elektromotoren. Wieder konnten in der Antriebstechnik neue, stärkere und sicherere Maschinen gebaut werden, die den technischen Fortschritt enorm voran brachten. Mit der Entwicklung hydraulischer und pneumatischer Systeme konnten dazu auch innovative Anwendungen für die Primärenergien gefunden werden.

Heute ist die Antriebstechnik eine der vielseitigsten Technologien im Maschinenbau. Neben der Bereitstellung der Grundelemente eines Antriebsstranges ist heute vor allem die exakte Steuerung eine Herausforderung in dieser Disziplin.

Komponenten der Antriebstechnik

Die Antriebstechnik umfasst den gesamten Antriebsstrang, einschließlich seiner Steuerung. Der Antriebsstrang besteht aus:

• Kraftquelle

• Übertragung

• Arbeitselement

Kraftquelle

An der ersten Stelle der Antriebstechnik steht daher das Aggregat, welches die mechanische Energie bereitstellt. Als mechanische Energien kommen in Frage:

• Drehmoment

• Pneumatischer Druck

• Hydraulischer Druck

• Elektromagnetische Hebelwirkung

Das Standardgerät zur Erzeugung eines Drehmoments ist der Radialmotor. Hierzu stehen, abhängig von seiner Energieform, unterschiedliche Bauarten zur Auswahl:

• Elektromotoren

• Verbrennungsmotoren: Kolben und Turbine

• Hydraulisch oder pneumatisch wirkende Radialmotoren

Neben dem Radialmotor hat vor allem in der Industrie auch der Linearmotor eine große Bedeutung. Er wird eingesetzt, um eine definierte Bewegung entlang über einer bestimmten Strecke mit einer definierten Kraft durchzuführen. Ein Linearmotor kann pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch angetrieben werden.

Antriebsarten

Der Elektromotor ist in der Industrie das übliche Gerät zur Erzeugung von Drehmomenten. Er ist sehr flexibel einsetzbar und arbeitet emissionsfrei. Jedoch braucht er zu seinem Betrieb einen Anschluss an eine Stromquelle.

Verbrennungsmotoren müssen mit einem Kraftstoff versorgt werden und arbeiten nicht emissionsfrei. Dennoch sind sie, vor allem für mobile Maschinen, in vielen Bereichen noch ohne Alternative.

Hydraulisch oder pneumatisch wirkende Radialmotoren brauchen ein geschlossenes System, welches unter Druck gesetzt wird. Der Druck wird bei hydraulischen Systemen durch eine Pumpe erzeugt, die ihrerseits wieder mit einem Verbrennungs- oder Elektromotor angetrieben wird. Bei pneumatischen Systemen, beispielsweise bei Turbinen, kommen Heißdampf oder Wasserströmungen zum Einsatz um die Rotation zu erzeugen.

Übertragung

Nach dem Herstellen der primären mechanischen Energie muss diese zum Aktor, dem Arbeitsmodul, herangeführt werden. Dazu werden folgende Elemente eingesetzt:

• Ketten- und Riemenantriebe

• Wellen

• Zahnradgetriebe

• Kupplungen

Bei Riemenantrieben wird die bereit gestellte Rotationsenergie auf eine Riemenscheibe übertragen. Ein eingespannter Riemen überträgt die Energie daraufhin auf eine weitere Riemenscheibe, an die der Aktor angeschlossen ist. Neben der reinen Kraftübertragung kann mit Hilfe von Zahnriemen und Zahnscheiben auch eine exakte Steuerzeit übertragen werden. Diese Technik spielt im Automobilbau eine sehr große Rolle. Andere Riemenformen sind: Flachriemen, Zahnrippenriemen oder Keilriemen.

Wellen sind lineare, rotationssymmetrische Bauteile, die sich entlang ihrer Längsachse drehen. Sie müssen nicht unbedingt ein durchgehend gleichförmiges Profil besitzen. Kurbel- und Nockenwellen von Elektromotoren sind beispielsweise sehr stark strukturiert, da sie die lineare Bewegung der Kolben in eine radiale Bewegung umwandeln. Wellen sind recht zuverlässig, erzeugen mit steigender Länge durch ihre innere Torsion aber einen stark steigenden Verschleiß und Energieverluste.

Zahnradgetriebe sind anspruchsvoll in der Herstellung jedoch sehr langlebig und zuverlässig. Sie sind sehr kompakt. Die übertragenen Kräfte liegen stets nur auf den wenigen Millimetern der ineinander greifenden Zahnflanken an. Das erfordert eine besonders hochwertige Verarbeitung und eine zuverlässige Schmierung. Zahnradgetriebe können außerdem die Richtung eines Drehmoments umlenken.

Kupplungen machen Antriebssysteme trennbar bzw. leichter montierbar. Sie können ausserdem leichte Schwankungen und Vibrationen ausgleichen. Typische Kupplungsformen sind: Klauenkupplungen,Trennbare Ein- und Mehrscheibenkupplungen oder Kardangelenke.

Neben der Überwindung des Weges, lässt sich die Energie dabei zusätzlich noch transformieren. Dabei gilt: Wird die Drehzahl erhöht, sinkt das Drehmoment und umgekehrt. Dies wird in der Antriebstechnik meist durch unterschiedliche Durchmesser von gebenden und nehmenden Antriebsrad erreicht. Die Form der Kraftübertragung ist dabei unerheblich. Das Prinzip der unterschiedlichen Durchmesser findet sich bei Zahnradgetrieben ebenso wie bei Riemen- oder Kettenantrieben.

Kraftübertragung beim Linearantrieb

Ein Linearantrieb ist eine Kraftübertragung, die nicht radial sondern entlang einer definierten Strecke stattfindet. Für Linearantriebe stehen drei Bauformen zur Auswahl:

• Elektromagnetische Antriebe

• Pneumatische Antriebe

• Hydraulische Antriebe

Elektromagnetische Antriebe arbeiten mit einem Elektromagnet, der eine Kolbenstange ein- oder ausfährt. Elektromagnetische Antriebe sind zwar sehr praktisch und einfach in der Installation. In ihrer Kraftwirkung sind sie jedoch stark beschränkt. Für anspruchsvolle Aufgaben müssten sehr große Elektromagnete eingesetzt werden, die sehr anspruchsvoll in der Energieversorgung sind. Hier können Pneumatik und Hydraulik meistens preiswertere und praktischere Konzepte anbieten. Übliche Anwendungen für den elektromagnetischen Linearabtrieb sind

• Schieber, Auswerfer

• Steuerung von Klappen

• Elektrohydraulische Ventilsteuerung

Die Pneumatik ist die Lehre der Übertragung von Kräften durch Gase. In der Industrie wird als Medium meistens Druckluft verwendet. Sie ist sehr leicht zur erzeugen und zudem sehr sicher in der Anwendung. Druckluft erzeugt bei Leckagen keine Verschmutzungen und hat kaum elektrische Ströme. Gase sind jedoch kompressibel, weswegen der Druck in pneumatischen Systemen permanent aufrecht erhalten werden muss. Das macht die Pneumatik zur teuersten Energieform in einem Unternehmen. Pneumatische Antriebe finden sich bei leichten Produktionsaufgaben. Sie überzeugen durch eine sehr schnelle Reaktionsgeschwindigkeit und können schon recht große Kräfte entwickeln.

Übliche Anwendungen für den pneumatischen Linearantrieb sind:

• Pneumatische Werkzeuge wie Stemmhämmer

• Pneumatische Pressen und Stanzen

• Pneumatisch angetriebene Klappen und Schieber

Die Hydraulik ist die Lehre der Übertragung von Kräften durch Flüssigkeiten. Flüssigkeiten sind, im Gegensatz zu Gasen, nicht kompressibel. Das macht die Hydraulik sehr Energie effizient. In hydraulischen Systemen herrschen aber meistens sehr hohe Drücke. Das macht den Bau von hydraulischen Systemen sehr anspruchsvoll. Besonders eindrucksvoll ist die Transformation der Kraft bei hydraulischen Systemen: Die Kraft verändert sich proportional mit dem Verhältnis der Querschnitte von gebendem und nehmendem Zylinder. Nur so ist es möglich, die in der Hydraulik üblichen extrem hohen Kräfte zu erzeugen. Die Hydraulik ist in der Antriebstechnik das Konzept der Wahl, wenn große Kräfte benötigt werden. Übliche Anwendungen sind

• Hydraulische Press- und Biegemaschinen

• Baumaschinen

• Hydraulische Hubvorrichtungen (Gabelstapler, Palettenhubwagen, Hebebühnen usw..)

Rolle der Antriebstechnik in der Industrie 4.0

Die Industrie 4.0 wird auch "Das Internet der Dinge" genannt. Überspitzt formuliert, erwartet die Industrie 4.0, dass alle am Produktionsprozess beteiligten Komponenten "denken" können sollen. In der Praxis der Antriebstechnik bedeutet dies, dass durch den Einsatz von hoch entwickelten Sensoren die Überwachung und Steuerung der Prozesse komfortabler wird. Ermöglicht wird dies durch immer preiswerter aber immer zuverlässiger werdenden Sensoren. Das macht möglich, an allen kritischen Stellen eines Antriebsstrangs einen oder mehrere Messwertaufnehmer zu installieren. So kann bei Motoren, Getrieben und sogar Lagern in Echtzeit eine Diagnose über ihren Bereitschaftszustand abgerufen werden. Darüber hinaus ist die Steuerung und Regelung der Antriebstechnik durch die modernen Mittel dezentral und ortsunabhängig möglich. Damit können Produktionsprozesse innerhalb kürzester Zeit umgerüstet und auf andere Produkte umgestellt werden. Das macht die Fertigung insgesamt effizienter, vermeidet Überproduktionen und lässt einen Betrieb maximal flexibel auf eine Änderung der Auftragslage reagieren.

Beispiele für Antriebstechnik

Antriebstechnik im Maschinenbau

Der Wälzlager-Spezialist Schaeffler hat auf der Hannover-Messe 2018 das "intelligente Lager" vorgestellt. Mit diesem innovativen Produkt ist es erstmalig möglich, praktisch den gesamten Produktionsstrang zu überwachen. Schließlich sind Wälzlager überall: In den Elektromotoren, im Getriebe, sogar in den Förderbändern und Rollbahnen sind hunderte von Wälzlagern anzutreffen.

Besonders die in Wasch-, Lackier- und Spüleinrichtungen montierten Lager sind von einem hohen Verschleiß betroffen. Ihre oft als Permanentfett ausgelegte Fettschmierung kann bei diesen Prozessen leicht auswaschen, ausdampfen oder verhärten, was die Lebensdauer des Lagers erheblich verkürzt. Hier rechtzeitig eingreifen und ein schadhaftes Lager austauschen zu können, schützt ein Unternehmen nachhaltig vor Produktionsstillständen. In der Fachsprache wird dies als "Predictive Maintenance" bezeichnet - also der "vorsorgliche Austausch" eines gefährdeten Bauteils. Mit Hilfe moderner Sensorik kann dieser Zeitpunkt sehr genau berechnet werden, so dass stets ein bedarfsgerechter Austausch möglich wird.

Antriebstechnik in Fahrzeugen

Im Jahr 1885 stellte Carl Benz den Patent-Motorwagen vor. Das leichte Dreirad war nicht weniger als das erste Auto der Welt. Seit über 100 Jahren ist der Verbrennungsmotor nun das Maß aller Dinge bei der Entwicklung von kraftbetriebenen Fahrzeugen aller Art. Vom kleinsten Moped bis zum größten Arbeitsfahrzeug sind es die Benzin- oder Dieselmotoren, welche die Kraft für die Antriebstechnik bereitstellen. Jedoch haben die Emissionen den Motor schwer in Verruf gebracht. Die unvermeidlichen Abgase machen, trotz modernster Reinigungstechnik, die traditionellen Antriebskonzepte immer schwerer vermittelbar. Die Zukunft in der Antriebstechnik für Fahrzeuge heißt deshalb heute anscheinend: Elektroantriebe.

Das ist keineswegs selbstverständlich, denn es gibt durchaus Alternativen zu den heute so favorisierten Elektrofahrzeugen a la Tesla, die mit ihren Lithium-Ionen Akkus so beeindrucken können. Andere Möglichkeiten wären:

• Direktverbrennung von Wasserstoff in Hubkolbenmotoren

• Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebe

• Traditionelle Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen

• Druckluft- und Schwungscheiben-Antriebe

In all diesen Bereichen ist in den letzten Jahrzehnten sehr viel geforscht worden. Dennoch sieht es gegenwärtig danach aus, als würden die Lithium-Ionen-Antriebe zum neuen Standard. Die Auswahl der Elektromobile nimmt zu und auch die Produkte der etablierten europäischen Hersteller haben die Aufholjagd mit Tesla aufgenommen.

In der Schweiz macht das Elektro-Mini-Stadtauto Microlino von sich reden, das die Mikromobilität revolutionieren will.

Die Antriebe in der Schifffahrt sind ebenfalls unter starker Kritik. Die Zweitakt-Dieselmotoren, die heute noch im Großschiffbau eingesetzt werden, sind für den größten Teil der Schadstoffausstoße verantwortlich. Hier sollen Gasantriebe die Schiffe deutlich umweltfreundlicher machen.

Auf dem Vierwaldstättersee fährt seit 2018 ein hybrid angetriebenes Passagierschiff. Es verbraucht dank eines kombinierten Antriebs mit Diesel- und Elektromotoren einen Fünftel weniger Treibstoff als eines mit reinem Dieselantrieb.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.maschinenmarkt.ch

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