Potentiale und Herausforderungen von Zahnradgetrieben

Die Antriebstechnik zählt innerhalb des Maschinenbaus zu den größten Branchensegmenten. In diesem Segment wird in Deutschland mit ca. 90.000 Mitarbeitern ein Umsatz von über 15 Mrd. Euro erwirtschaftet. Damit ist die Antriebstechnik auch im Hinblick auf die Beschäftigung die wichtigste Sparte des deutschen Maschinenbaus. Getriebe und Getriebemotoren bilden die zentrale Produktgruppe der Antriebstechnik.

Zur Wandlung von Drehmoment und Drehzahl spielen Zahnräder seit über tausend Jahren eine entscheidende Rolle. Bereits weit vor der Industrie 1.0 kamen Verzahnungen aus Holz in Göpeln oder Mühlen zum Einsatz - allerdings ohne besonderen Anspruch auf hohe Leistungsdichte und Laufruhe. Im Rahmen der Industrialisierung wurden die Getriebezüge in Maschinen immer aufwändiger. Mittels etlicher Zahnräder kann so zum Beispiel die komplexe Kinematik einer Druckmaschine leistungsfähig und hochgenau dargestellt werden.

Durch den Einsatz von Direktantrieben verändern sich die Antriebe moderner Maschinen jedoch kontinuierlich. Oft kommen diese heute anstelle von Getriebezügen lediglich mit hochgenauen Direktantriebe an jeder Achse aus. Bei oberflächlicher Betrachtung dieser Entwicklung entsteht der Eindruck, Zahnradgetriebe werden sukzessive durch Direktantriebe ersetzt, bzw. Getriebemotoren werden durch Torquemotoren verdrängt. Lässt sich daraus ableiten, dass die Zukunft von Zahnradgetrieben gefährdet ist?

Bei genauer objektiven Betrachtung der aktuellen Situation erkennt man schnell, dass das Gegenteil der Fall ist. Sowohl die Stückzahlen der Produktion als auch die Anzahl der Innovationen und Neuentwicklungen von Getrieben sinken keineswegs, sie steigen kontinuierlich an. Offensichtlich sind Zahnradgetriebe auch im Wettbewerb mit elektrischen Direktantrieben meist die erste Wahl.

Antriebssysteme müssen den laufend steigenden Anforderungen bezüglich Leistungsdichte, Effizienz und akustischem Verhalten genügen. Die Kombination hoch- und höchst-drehender Elektromotoren mit entsprechend hoch übersetzenden Getrieben ist im Hinblick auf Leistungsdichte, Effizienz und Laufruhe vorteilhaft. Bei der Übertragung hoher Drehmomente ist und bleibt der mechanische Formschluss dem magnetischen Kraftfluss überlegen.

Heutige Getriebe sind das Ergebnis einer langjährigen Evolution. Über die letzten Jahrzehnte lässt sich eine kontinuierliche Steigerung von Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Laufruhe der Getriebe verzeichnen. Offensichtlich folgt die Entwicklung von Zahnradgetrieben einer Art Mooreschem Gesetz, also einer kontinuierlichen Steigerung der Leistungsfähigkeit ähnlich wie bei Computern. Unter dieser Annahme müsste die Leistungsfähigkeit von Zahnradgetrieben auch zukünftig weiter kontinuierlich steigen. Bei Betrachtung der Inhalte und Ziele der zahlreichen laufenden Forschungsprojekte, die sich mit der Optimierung von Zahnradgetrieben auseinandersetzen, erkennt man, dass die Potentiale von Zahnradgetrieben heute tatsächlich noch bei weitem nicht ausgeschöpft werden. Die Potentiale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Zahnradgetrieben lassen sich anhand der nachfolgenden Beispiele schnell aufzeigen.

Mit modernen Schmierstoffe vor allem in Kombination mit geeigneten Additiven lassen sich erstaunliche Reibungsreduzierungen und Leistungssteigerungen erreichen. DLC- (Diamond like Carbon) Beschichtungen können die Reibungszahl und damit den Wirkungsgrad von Getrieben darüber hinaus weiter beeinflussen, ebenso deterministische Zahnflankenstrukturierungen, die z.B. mit dem Laser aufgebracht werden können. Durch Optimierungen der Verzahnungshaupt- und -feingeometrie bis in den sub-μ-Bereich hinein kann Wirkungsgrad, Laufruhe und Leistungsdichte gesteigert werden, die Optimierungen lassen sich mit den entsprechenden Methoden wiederholbar in Abhängigkeit der Betriebs- und Umgebungsbedingungen bestimmen. Weiteres Potential ist durch Einsatz alternativer Werkstoffe zu erwarten. Forschungsprojekte, in denen innovative Werkstoffe in Kombination mit innovativer Wärmebehandlung erforscht werden, belegen, dass sich die Leistungsdichte zukünftiger Getriebe noch erheblich steigern lässt. Auch Forschungsergebnisse mit Kunststoffen und insbesondere mit Kunststoff-Faser-Verbundwerkstoffen lassen ein nennenswertes Potential erkennen. Schließlich eröffnet die Anwendung von Methoden der additiven Fertigung weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Zahnradgetriebe.

Viele Forschungsprojekte werden an universitären Forschungsstellen durchgeführt, zu einem großen Teil in Kooperation mit der Industrie. Die Ergebnisse sind dabei oft vielversprechend, so dass die entsprechenden Ideen und Methoden kontinuierlich der praktischen Anwendung zugeführt werden und fortlaufend weitere Innovationen entstehen.

In Zukunft gilt es, die erkennbaren Potentiale der Zahnradgetriebe zu heben und umzusetzen. So werden Zahnräder auch in Zukunft einen wichtigen Beitrag leisten, um die stetig steigenden Anforderungen an moderne Antriebe - Leistungsdichte, Effizienz und Laufruhe - wirtschaftlich und zuverlässig erreichen zu können.

Autor des Artikels:

Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl

Inhaber des Lehrstuhls für Maschinenelemente
Leiter der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG)