Kommen wir zur Sache: Wenn Sie als Konstrukteur, Automatisierungstechniker oder Industrieprojektleiter sich jemals mit Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl beschäftigt haben, sind Sie wahrscheinlich schon einmal auf den Begriff Torsionssteifigkeit gestoßen. Und wenn Sie neu bei der Beschaffung dieses Materials sind, fragen Sie sich vielleicht: Was ist das überhaupt für diese Motoren und warum sollte es mich interessieren, insbesondere wenn ich Getriebemotoren für eine bestimmte Aufgabe auswähle? Als jemand, der seit Jahren Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl verkauft, verstehe ich, dass dies nicht nur ein zufälliges technisches Schlagwort ist – es ist der Stoff, der über die Leistung Ihres Projekts entscheidet, insbesondere wenn Sie mit langsam drehenden Anwendungen mit hohem Drehmoment arbeiten. Lassen Sie uns das so aufschlüsseln, als würden wir uns bei einem Kaffee unterhalten. Hier gibt es keine Lehrbücher, die übermäßig viel Fachjargon enthalten.
Lassen Sie uns zunächst die Grundlagen klarstellen. Ein Getriebemotor mit niedriger Drehzahl ist genau das, wonach es sich anhört: ein Motor gepaart mit einem Getriebe, das die Grundgeschwindigkeit des Motors deutlich verlangsamt und dabei das Drehmoment erhöht. Dabei handelt es sich nicht um schnell drehende Motoren mit hoher Drehzahl für Elektrowerkzeuge, sondern um die Arbeitspferde für Dinge wie Förderbandrollen, Industrietorantriebe, Drehtische für Verpackungslinien oder sogar kleine AGVs (autonom geführte Fahrzeuge), die schwere Dinge bewegen müssen, ohne auseinander zu zittern. Wenn Sie sich jemals unsere Produkte angesehen haben, haben Sie wahrscheinlich Optionen wie den kleinen Gleichstrommotor mit Getriebe, den 12-V-Gleichstrommotor mit Getriebe, den 6-V-Gleichstrommotor mit Getriebe oder unser komplettes Sortiment an Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl bei AB gesehen – diese sind alle genau für diese Art von Aufgaben konzipiert. Hier kommt die Torsionssteifigkeit ins Spiel, und sie ist viel wichtiger, als die meisten Leute auf den ersten Blick denken.
Was ist eigentlich Torsionssteifigkeit? Vereinfachen wir es auf etwas, das Sie sich vorstellen können. Wenn Sie ein Ende einer Metallstange greifen und das andere Ende drehen, wie weit verbiegt oder verdreht sich diese Stange, bevor sie anfängt, das an ihrem anderen Ende befestigte Ding zu bewegen? Das Drehmoment (Drehkraft), das erforderlich ist, um die Stange um ein Grad (oder für Ingenieure im Bogenmaß) zu verdrehen, ist ihre Torsionssteifigkeit. Bei Getriebemotoren gilt dies für den gesamten Antriebsstrang – den Anker des Motors, die Zahnräder, Wellen, Lager und sogar die Abtriebswelle des Getriebes, die mit allem verbunden ist, was Sie antreiben. Es ist die „Steifigkeit“ des gesamten Verdrehungssystems. Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl haben zusätzliche Untersetzungsstufen, oder? Sie verfügen also über mehr gestapelte Zahnräder, mehr Wellen, mehr Komponenten – all das trägt dazu bei, wie steif das gesamte Torsionssystem ist.
Warum ist dies nun speziell für Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl wichtig und nicht für normal schnelle Motoren? Nehmen wir an, Sie verwenden einen schnellen Motor, der mit 3.000 U/min dreht, und ein kleines Getriebe – die Untersetzung ist sehr gering. Die Torsionsflexibilität ist hier möglicherweise kein großes Problem, da der Motor so schnell dreht, dass jede kleine Drehung die Gesamtleistung nicht beeinträchtigt. Aber Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl? Sie drehen sich beispielsweise mit 10 U/min, 5 U/min, sogar maximal 1 U/min. Um schwere Lasten zu bewegen, wenden Sie ein enormes Drehmoment an, so dass eine kleine Verdrehung im Antriebsstrang des Getriebemotors zu einem großen Problem wird. Nehmen wir ein reales Beispiel, das ich letztes Jahr gesehen habe: Ein Kunde baute ein Fördersystem zum Verpacken schwerer Gläser und verwendete einen generischen Getriebemotor mit niedriger Drehzahl, der supergünstig war, aber eine geringe Torsionssteifigkeit aufwies. Das Förderband bewegte jeweils zehn Gläser, und jedes Mal, wenn der Motor startete oder stoppte, drehte sich der Antriebsstrang um ein ganzes Grad. Moment, das ist nicht viel, oder? Da sich der Motor jedoch nur mit 5 U/min dreht, begann das Förderband aufgrund dieser Drehung zu ruckeln, anstatt sich gleichmäßig zu bewegen. Die Gläser kippten, der Rahmen des Förderbands klapperte und innerhalb eines Monats waren die Zahnräder aufgrund der wiederholten Drehungen verschlissen. Sie kamen zu uns, wechselten zu unserer Reihe von Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl und das Problem war behoben. So groß ist das hier.
Lassen Sie uns etwas technischer vorgehen (aber bleiben Sie dennoch realistisch), wie die Torsionssteifigkeit für Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl berechnet wird. Die Formel müssen Sie sich nicht merken, aber die Kenntnis der Variablen wird Ihnen beim Einkaufen helfen. Die Torsionssteifigkeit (nennen wir sie kurz K) hängt im Wesentlichen von drei Dingen ab: Erstens von der Steifigkeit jeder einzelnen Komponente im Antriebsstrang. Jedes Zahnrad, jede Welle, jedes Lager hat seine eigene Torsionssteifigkeit, und man addiert sie, um die Summe zu erhalten. Zweitens ist das Untersetzungsverhältnis wichtig. Wenn Ihr Getriebemotor ein Untersetzungsverhältnis von 100:1 hat, wird die Torsionssteifigkeit der langsam laufenden Seite (der Abtriebswelle) mit dem Quadrat des Verhältnisses multipliziert. Warten Sie, lassen Sie mich das im Klartext erklären: Wenn die Welle eines Hochgeschwindigkeitsmotors eine Steifigkeit von 1.000 Nm/rad hat, beträgt die Steifigkeit der Abtriebswelle bei einer Untersetzung von 100:1 1.000 * (100)^2 = 10.000.000 Nm/rad. Das ist ein gewaltiger Unterschied, und deshalb haben Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl und höheren Untersetzungsverhältnissen steifere Antriebsstränge – wenn sie richtig konstruiert sind. Drittens ist die Materialauswahl riesig. Wir verwenden hochwertigen Stahl für unsere Getriebewellen und wärmebehandelte Legierungszahnräder in unserem kleinen Gleichstrommotor mit Getriebe, da billigere Motoren Kunststoffzahnräder oder dünne Aluminiumwellen verwenden, die viel flexibler sind. Das ist nicht nur eine Marketinglinie – wir haben ein Kunststoffzahnrad im Vergleich zu unserem Stahlzahnrad im selben Getriebe getestet: Das Kunststoffzahnrad hatte eine Torsionssteifigkeit, die 1/5 der Stahlzahnrad betrug. Bei Anwendungen mit schweren Lasten ist das eine Selbstverständlichkeit.
Was ist nun eine „gute“ Torsionssteifigkeit für einen Getriebemotor mit niedriger Drehzahl? Das ist eine Frage, die ich ständig bekomme, und die kurze Antwort lautet: Es hängt von Ihrer Anwendung ab. Es gibt keine allgemeingültige Zahl, aber lassen Sie uns einen Kontext geben. Für kleine, leichte Anwendungen – wie ein 6-V-Gleichstrommotor, der einen kleinen Drehteller für eine Museumsausstellung antreibt und weniger als 5 kg hebt – können Sie mit einer Torsionssteifigkeit im Bereich von 10 bis 50 Nm/Grad auskommen (Umrechnung von Nm/rad, um die Ablesbarkeit in der Praxis zu erleichtern). Aber für industrielle Hochleistungsanwendungen – wie ein Förderband, das Lasten von 500 kg bewegt, oder ein Roboterarm, der Teile hebt – benötigen Sie eine Torsionssteifigkeit von 100 Nm/Grad oder mehr. Unsere Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl für den industriellen Einsatz erreichen je nach Drehmomentnennwert etwa 200 bis 800 Nm/Grad.
Warten Sie, lassen Sie uns über die praktischen Auswirkungen einer zu geringen Torsionssteifigkeit sprechen, denn darauf werden Sie tatsächlich stoßen. Erstens, Positionierungsfehler. Wenn Sie einen Getriebemotor für etwas verwenden, das Präzision erfordert – wie einen Linearantrieb, der ein Teil jedes Mal um genau 10 mm bewegt, oder einen Roboterarm, der eine Komponente in einem winzigen Schlitz platzieren muss – führt diese Drehung zu einer falschen Position. Wenn Sie beispielsweise eine 10-Grad-Drehung am Ausgang benötigen und der Antriebsstrang sich um 1 Grad dreht, beträgt der tatsächliche Ausgang nur 9 Grad – das ist ein Fehler von 10 %, was für die meisten industriellen Automatisierungssysteme viel zu viel ist. Zweitens Resonanzprobleme. Resonanz entsteht, wenn die Eigenfrequenz Ihres Antriebsstrangs mit der Frequenz des Motoreingangs übereinstimmt, was zu starken Vibrationen führt. Flexible Antriebsstränge (geringe Torsionssteifigkeit) haben niedrige Eigenfrequenzen und schwingen daher leicht mit. Das ist das Ruckelproblem, das ich zuvor erwähnt habe, und es kann mit der Zeit sogar zum Bruch von Teilen führen. Drittens Verschleiß. Dieses Hin- und Herdrehen führt zu einer Belastung der Zahnräder, Wellen und Lager. Mit der Zeit führt dies zu abgebrochenen Zahnrädern, verbogenen Wellen oder defekten Lagern – was bedeutet, dass Sie Ihren Motor viel häufiger austauschen als nötig, was Ihr Wartungsbudget sprengt.
Wie wählt man nun einen Getriebemotor mit niedriger Drehzahl und der richtigen Torsionssteifigkeit aus, anstatt sich an einem billigen Motor zu verbrennen? Überprüfen Sie zunächst die technischen Daten. Ein seriöser Lieferant wird die Torsionssteifigkeit oder zumindest das Zahnradmaterial, das Untersetzungsverhältnis und das Wellenmaterial auflisten – das sind die Anhaltspunkte. Wenn in den Spezifikationen die Steifigkeit nicht erwähnt wird, ist das ein Warnsignal, insbesondere wenn es sich um ein supergünstiges Modell handelt. Zweitens: Passen Sie es an Ihre Anwendung an. Wenn Sie einen kleinen Türöffner für eine Privatgarage bauen, benötigen Sie nicht die höchste Steifigkeit auf dem Markt – wenn Sie jedoch ein Förderband für eine Fabrik bauen, die rund um die Uhr läuft, ist die Steifigkeit nicht verhandelbar. Drittens bitten Sie um Feedback aus der Praxis. Wenn ein Lieferant Ihnen von einem ähnlichen Projekt erzählen kann, das er mit demselben Motortyp durchgeführt hat, ist das viel besser, als sich nur die Zahlen anzusehen. Wir haben unseren 12-V-Gleichstrommotor mit Getriebe an ein Dutzend kleine Verpackungsunternehmen geliefert, und jedes von ihnen meldete keinerlei Positionierungsfehler oder vorzeitigen Verschleiß aufgrund der Steifigkeit.
Warten wir mal, klären wir mal mit einem weit verbreiteten Missverständnis auf: Torsionssteifigkeit ist nicht dasselbe wie Drehmoment. Viele Leute verwechseln das und es ist leicht zu verstehen, warum. Das Drehmoment gibt an, wie viel Kraft der Motor aufbringen kann, um eine Last zu bewegen – das ist wichtig dafür, wie schwer etwas gehoben werden kann. Die Torsionssteifigkeit gibt an, wie gut diese Kraft ohne Verdrehung auf die Last übertragen wird. Sie können zwei Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl und demselben Drehmoment, aber völlig unterschiedlicher Torsionssteifigkeit verwenden. Beispielsweise hat unser kleiner Gleichstrommotor mit Getriebe ein Drehmoment von 5 Nm und eine Torsionssteifigkeit von 25 Nm/Grad, während ein billiges Fremdmarkenmodell derselben Größe das gleiche Drehmoment von 5 Nm, aber nur eine Steifigkeit von 8 Nm/Grad hat. Das bedeutet, dass sich das billige Modell viel stärker verdreht, wenn Sie das Drehmoment von 5 Nm aufbringen, was zu all den Problemen führt, über die wir zuvor gesprochen haben.
Eine weitere Sache, die Sie berücksichtigen sollten: Wenn Sie den Getriebemotor an Ihre Last anschließen, wirkt sich diese Verbindung selbst auf die Gesamttorsionssteifigkeit aus. Wenn Sie eine wackelige, lose Kupplung zwischen der Abtriebswelle des Motors und Ihrem Förderband oder Aktuator verwenden, erhöht das die Flexibilität. Aber die Grundsteifigkeit des Getriebemotors ist immer noch der größte Faktor. Genau aus diesem Grund sind unsere Getriebemotoren optional mit Präzisionskupplungen ausgestattet, so dass Sie keine Angst vor Steifigkeitsverlusten an der Verbindungsstelle haben müssen.
Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie wir die Torsionssteifigkeit unserer Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl testen, denn nur so wissen wir, dass unsere Produkte funktionieren. Wir ziehen keine Zahlen einfach aus der Luft. Wir montieren die Abtriebswelle des Motors in einem Prüfstand, bringen einen Drehmomentsensor an und wenden immer mehr Drehmoment an, um zu messen, wie stark sich die Welle verdreht. Wir wiederholen dies für verschiedene Übersetzungsverhältnisse und Motorspannungen, um sicherzustellen, dass jedes Gerät unseren Spezifikationen entspricht. Unseren industrietauglichen Getriebemotor mit niedriger Drehzahl testen wir mit 150 % des Nenndrehmoments, um sicherzustellen, dass er auch unter Überlastbedingungen steif genug ist – deshalb betreiben unsere Kunden ihn rund um die Uhr ohne Probleme.
Warum ist das für Sie als Lieferant von Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl wichtig? Fassen wir noch einmal zusammen: Wenn Sie die Torsionssteifigkeit ignorieren, kommt es zu Positionierungsfehlern, vorzeitigem Komponentenausfall, Ausfallzeiten und höheren langfristigen Kosten. Wenn Sie es richtig machen, erhalten Sie einen reibungslosen Betrieb, eine genaue Positionierung, weniger Wartung und einen Motor, der jahrelang hält. Die gute Nachricht ist, dass Sie nicht für jede Anwendung zu viel Geld für eine ultrahohe Steifigkeit ausgeben müssen – passen Sie die Steifigkeit einfach an Ihre spezifischen Bedürfnisse an. Wenn Sie etwas Leichtes bauen, funktioniert ein Basismodell. Wenn Sie schwere Industriearbeiten verrichten, investieren Sie in einen Motor mit solider Torsionssteifigkeit.
Hier ist die Sache: Ich bin schon lange genug in diesem Spiel, um zu wissen, dass Abstriche bei den Motorspezifikationen, insbesondere bei der Torsionssteifigkeit, immer wieder schmerzhaft sind. Dieser billige Motor, der im Voraus 20 US-Dollar weniger kostet, kostet Sie innerhalb eines Jahres 500 US-Dollar an Reparaturen und Ausfallzeiten. Unsere Getriebemotoren für niedrige Drehzahlen sind so konstruiert, dass die Torsionssteifigkeit ein zentrales und kein nachträgliches Merkmal ist – denn wir haben gesehen, welche Kopfschmerzen unsere Kunden haben, wenn sie sich für die günstige Option entscheiden.
Wenn Sie derzeit auf der Suche nach einem Getriebemotor mit niedriger Drehzahl sind und sich nicht sicher sind, welche Steifigkeit Sie benötigen, oder wenn Sie weitere Einzelheiten zu einem unserer Modelle erfahren möchten – sei es unser kleiner Gleichstrommotor mit Getriebe, der 12-V-Gleichstrommotor mit Getriebe, der 6-V-Gleichstrommotor mit Getriebe oder die komplette Reihe von Getriebemotoren mit niedriger Drehzahl – zögern Sie nicht, Kontakt mit uns aufzunehmen. Wir haben mit allen zusammengearbeitet, vom kleinen Bastler bis zum großen Industriehersteller, und können Ihnen dabei helfen, den richtigen Motor für Ihre genaue Anwendung auszuwählen, ohne dass Rätselraten erforderlich ist. Wir sind hier, um sicherzustellen, dass Ihr Projekt reibungslos läuft, und nicht, um Ihnen einen Motor zu verkaufen, der später noch mehr Probleme verursachen wird.
Letztlich ist Torsionssteifigkeit nicht nur ein technischer Begriff – sie ist der Unterschied zwischen einem Projekt, das wie geplant funktioniert, und einem, das ständig Kopfschmerzen bereitet. Nehmen Sie sich die Zeit, es zu verstehen, überprüfen Sie die Spezifikationen und wählen Sie einen zuverlässigen Lieferanten aus, der dieser Funktion Priorität einräumt. Dadurch sparen Sie auf lange Sicht Zeit, Geld und Frust.
Referenzen
- Norton, RL (2020). Maschinendesign: Ein integrierter Ansatz (5. Aufl.). Pearson-Ausbildung.
- Shigley, JE, Mischke, CR, & Budynas, RG (2004). Maschinenbaudesign (7. Aufl.). McGraw-Hill.
- Prüfnormen für die Torsionssteifigkeit von Getriebemotoren. Internationale Organisation für Normung (ISO 14782:2019).
