Getriebe: Selbsthemmung oder Rückdrehbarkeit

Thema:

• Was bedeutet "Selbsthemmung" oder "Rückdrehbarkeit"?
• Wie kann beurteilt werden, ob ein Getriebe oder eine Antriebseinheit "selbsthemmend" oder "rückdrehbar" ist?
• Für welche Arten von Anwendungen ist "Selbsthemmung" oder "Rückdrehbarkeit" ein wichtiger Aspekt?
  
  

Allgemeine wichtige Bemerkungen:

• Das Drehmoment, das an die Abtriebswelle eines Getriebes angelegt wird, muss niedriger sein als das im Datenblatt des Getriebes angegebene maximale Drehmoment.

  • Achtung: Höhere Drehmomente können das Getriebe beschädigen!
    
    

• Unterscheiden Sie Selbsthemmung und Rückdrehbarkeit am nackten Getriebe und am kompletten Antrieb mit Getriebe, Motor und möglicherweise weiteren mechanischen Elementen.

  • Das nackte Getriebe kann rückdrehbar sein, während die gesamte Einheit dies nicht ist.
    

Lösung:

1.) Selbsthemmende Getriebe bzw. Motorkombination

1.a.) Bedeutung:

Selbsthemmung bedeutet, dass sich die Abtriebswelle des Getriebes beim Anlegen eines Drehmoments nicht mehr dreht und somit blockiert ist. Die Selbsthemmung bezieht sich also immer auf einen statischen Zustand.

Rückdrehbar bedeutet, dass sich die Abtriebswelle des Getriebes beim Anlegen eines Drehmoments drehen kann und somit nicht blockiert wird. Die Rückdrehbarkeit ist also immer für eine dynamische Situation gedacht.

1.b.) Spezielle Definitionen

• Intrinsisch selbsthemmendes Getriebe
  
  • Dies ist ein Getriebe, bei dem das Drehmoment in Rückwärtsrichtung innerhalb des Reibungsbereiches liegt, während es in Vorwärtsrichtung ausserhalb des Reibungsbereiches liegt.
  • Intrinsisch selbsthemmende Getriebe können nicht durch eine konstante Kraft von der Last bewegt werden. Sie können jedoch zurück driften, wenn das Getriebe Vibrationen ausgesetzt ist.
  • Typische selbsthemmende Getriebe sind Schneckengetriebe oder lineare Spindelgetriebe, wenn der Vorwärtswirkungsgrad unter 50 % liegt. Hingegen sind Planeten- oder Stirnradgetriebe, auch mit 5 Stufen, nie selbsthemmend, obwohl sie meist funktionell selbsthemmend sind.
  • Bei den maxon Getrieben sind nur die metrischen oder trapezförmigen Spindelgetriebe selbsthemmend.
    
    
• Funktional selbsthemmendes Getriebe:
  • Bei funktionell selbsthemmenden Antrieben ist das höchste zu erwartende und zulässige Drehmoment auf der Lastseite (Abschaltmoment) zu gering, um das Reibungs- und/oder Rastmoment der Primärseite zu überwinden.
  • Funktionale Selbsthemmung wird oft mit 4- oder 5-stufigen Planetengetrieben erreicht.
    Eine sichere Selbsthemmung kann jedoch nicht gewährleistet werden.

1.c.) Anwendungen

Selbsthemmung ist wünschenswert bei Anwendungen...

• bei denen der häufigste Betriebszustand der Stillstand ist (ohne Energie)
• die Lasten gegen die Schwerkraft oder eine andere konstante äussere Kraft heben und/oder halten müssen
• wo die Kosten für ein Bremssystem eingespart werden sollen

1.d.) Zusätzliche Hinweise

• Viele Antriebe mit Getrieben höherer Untersetzung sind funktionell selbsthemmend, weil die Last nicht in der Lage ist, das Primärreibungs- und/oder das Rastmoment zu überwinden. Es ist jedoch aus mehreren Gründen schwierig, diese Eigenschaft wirklich zu gewährleisten.
  
  • Funktionale Selbsthemmung wird oft mit 4- oder 5-stufigen Planetengetrieben erreicht.
    
    

• Eine sichere Selbsthemmung kann jedoch nur bei kundenspezifischen Antriebskonstruktionen gewährleistet werden.
  
  

2.) Rückdrehbare Getriebe bzw. Motorkombination

2.a.) Bedeutung

Ein Getriebe wird als rückdrehbar bezeichnet, wenn es von der Getriebewellenseite mit einem Drehmoment angetrieben werden kann, das kleiner ist als das maximale Dauerdrehmoment (oder das kurzzeitig zulässige Drehmoment). Die Rückdrehbarkeit ist also immer für eine dynamische Situation gedacht.

2.b.) Rückdrehbar oder nicht?

Ob ein Getriebe oder eine Motor-Getriebe-Kombination rückdrehbar ist oder nicht, hängt ab ...

• vom Getriebedesign und Untersetzungsverhältnis
• von der Zahngeometrie, die die Reibung und die Reibungsart beeinflusst. Die ziehende Reibung ist in Vorwärtsrichtung dominant und unterscheidet sich von der schiebenden Reibung in Rückwärtsrichtung.
• vom mechanischen Spiel zwischen den Getriebeteilen und der Neigung der schwimmenden Getriebestufen
• vom Getriebewirkungsgrad, der die Reibung im Getriebe sowie die Viskosität der Schmierung und deren Temperaturabhängigkeit widerspiegelt
• von der Reibung und dem Rauschen am Getriebeeingang, d.h. die Motorreibung
  ⇒ Graphitbürsten weisen eine höhere Reibung auf als Edelmetallbürsten
  ⇒ Motoren mit Eisenkernwicklung haben Rastmoment, dies führt zu erhöhter Selbsthemmung

2.c.) Anwendungen

Die Rückdrehbarkeit ist bei Anwendungen wünschenswert, ...

• wo der Mechanismus bei Stromausfall oder aus Wartungsgründen von Hand bewegt werden soll.
• wo der Antrieb als Generator verwendet wird. Die Einheit wird ständig vom Getriebeausgang angetrieben.
• wo Roboter mit Menschen zusammenarbeiten (Cobot)
• in denen externe Kräfte abgeschätzt werden müssen, z.B. Kontaktkräfte von Laufrobotern in unstrukturierter Umgebung (unebener Boden)

2.d.) Zusätzliche Hinweise

• maxon Planetengetriebe sind für den Vorwärtsbetrieb optimiert und nicht speziell für Rückdrehbarkeit konstruiert.

Ein paar Faustregeln

• Einheiten mit Standard-Planetengetrieben mit 1 oder 2 Stufen gelten im Allgemeinen als rückdrehbar.  Die mechanische Fehlausrichtung zwischen Motor und 1-stufigen Getrieben kann jedoch zu einem klemmenden oder ruckartigen Verhalten in Vorwärtsrichtung und einer verringerten Rückdrehbarkeit in Rückwärtsrichtung führen.
  
  
• maxon Planetengetriebe mit dem Vermerk "UP - Ultra Performance" sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades in der Regel rückdrehbar.
  
  
• Planetengetriebe mit 3 Stufen können selbsthemmend oder rückdrehbar sein.
  
  
• Planetengetriebe mit 4-5 Stufen werden typischerweise als "funktional selbsthemmend" innerhalb des zulässigen Drehmomentniveaus eingestuft, es sei denn, es ist eine spezielle rückdrehbare Konstruktion vorhanden.
  
  
• Ein Stirnradgetriebe ist immer rückdrehbar.  Auch mit mehr als 3 Stufen.

Querverweise:

• maxon's Schulungsvideo: "Ein maxon Getriebe auswählen."
• maxon's Katalog -> http://epaper.maxongroup.de
  
  • "Technik kurz und bündig: maxon gear"
    -> Seite 72/73 im maxon Katalog 2023/2024
  • "Standardspezifikation Nr. 102"
    -> Seite 89 im maxon Katalog 2023/2024
  • "Erklärungen zur maxon Terminologie gear und screw drive"
    -> Seite 368 im maxon Katalog 2023/2024