In Anlagen zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien – etwa Wickel-, Stapel-, Stanz-, Schneid- und Hochgeschwindigkeits-Handlingsystemen – müssen Servoantriebe häufig starten, stoppen, schnell reversieren und innerhalb kurzer Taktzeiten präzise positionieren.

Bei der Getriebeauswahl achten Konstrukteure üblicherweise auf Übersetzungsverhältnis, Nenndrehmoment, Spitzendrehmoment und Getriebespiel. Doch selbst wenn diese technischen Daten den Anforderungen entsprechen, können nach der Installation Probleme wie lange Einschwingzeiten, Vibrationen am Lastabtrieb oder ein instabiles Verhalten bei hohen Geschwindigkeiten auftreten.

Neben den Servoparametern und der mechanischen Montage sollte deshalb eine häufig unterschätzte Kenngröße geprüft werden: die Torsionssteifigkeit.

Was ist der Unterschied zwischen Torsionssteifigkeit und Getriebespiel?

Sowohl Getriebespiel als auch eine begrenzte Torsionssteifigkeit können eine Winkelabweichung zwischen Antriebs- und Abtriebsseite verursachen. Es handelt sich jedoch um zwei unterschiedliche Effekte.

Getriebespiel: Leerweg beim Richtungswechsel

Das Getriebespiel entsteht hauptsächlich durch Zahnflankenspiel, Lagerspiel und Passungstoleranzen zwischen den Bauteilen. Wenn der Motor seine Drehrichtung ändert, kann sich die Antriebsseite bereits bewegen, während der Abtrieb zunächst stillsteht. Erst nachdem das interne Spiel überwunden wurde, folgt die Last der Bewegung.

Die Auswirkungen des Getriebespiels sind besonders deutlich bei:

• häufig reversierenden Mechanismen

• Indexier- und Positioniersystemen

• industriellen Bildverarbeitungssystemen

• oszillierenden Servomechanismen

• Anlagen mit häufig wechselnder Lastrichtung

Vereinfacht gesagt bestimmt das Getriebespiel, wie groß der Leerweg beim Richtungswechsel ist.

Torsionssteifigkeit: elastische Verformung unter Last

Zahnräder, Wellen, Planetenträger und Lager in einem Getriebe sind keine vollkommen starren Bauteile. Bei der Übertragung von Drehmoment verformen sie sich geringfügig elastisch. Dadurch entsteht eine Winkelabweichung zwischen Antrieb und Abtrieb.

Je höher die Torsionssteifigkeit ist, desto geringer fällt die Verformung bei gleicher Belastung aus. Bei niedriger Torsionssteifigkeit wird die Positionsverzögerung auf der Lastseite entsprechend größer.

Die Torsionssteifigkeit bestimmt somit, wie stark sich das Getriebe unter Belastung verdreht.

Ein Planetengetriebe kann ein sehr geringes Getriebespiel aufweisen und trotzdem nicht ausreichend torsionssteif sein. Die Angabe „spielarm“ allein reicht daher nicht aus, um das dynamische Verhalten bei schnellen Start-Stopp-Bewegungen vollständig zu beurteilen.

Warum stellen schnelle Start-Stopp-Bewegungen höhere Anforderungen an die Steifigkeit?

Bei konstanter Drehzahl überträgt ein Getriebe hauptsächlich Prozesslasten und überwindet Reibungswiderstände. Während einer schnellen Beschleunigung oder Verzögerung muss es zusätzlich das durch die Lastträgheit entstehende dynamische Drehmoment aufnehmen.

Je kürzer der Maschinentakt, je größer das Lastträgheitsmoment und je kürzer die Beschleunigungszeit, desto höher ist in der Regel das auf das Getriebe wirkende Spitzendrehmoment. Diese Drehmomentschwankungen führen im gesamten Antriebsstrang zu wiederholten elastischen Verformungen.

Unter solchen Bedingungen können sich Getriebe und Last ähnlich wie ein Feder-Masse-System verhalten. Ist die Steifigkeit nicht ausreichend, können nach schnellen Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen Schwingungen, Überschwingen und verlängerte Einschwingzeiten auftreten.

Das erklärt, warum manche Maschinen bei der Inbetriebnahme mit niedriger Geschwindigkeit einwandfrei funktionieren, bei höheren Taktzahlen jedoch Vibrationen oder Positionierungsprobleme zeigen. Das Getriebe kann die Last zwar antreiben, aber möglicherweise die Verformung unter dynamischer Belastung nicht ausreichend begrenzen.

Wie lässt sich prüfen, ob die Torsionssteifigkeit ausreicht?

Die Torsionssteifigkeit eines Planetengetriebes sollte nicht allein danach beurteilt werden, ob das Nenndrehmoment den Anforderungen entspricht. Entscheidend ist auch das tatsächliche Bewegungsprofil der Maschine.

1. Positionierverhalten bei unterschiedlichen Lasten vergleichen

Das System sollte ohne Last sowie unter Normal- und Maximallast geprüft werden. Dabei ist zu beobachten, ob sich die Positionsabweichung am Lastabtrieb deutlich verändert.

Wenn die motorseitige Positionsrückmeldung korrekt bleibt, der Positionsfehler am Endpunkt jedoch mit zunehmender Last größer wird, kann eine relevante elastische Verformung im Antriebsstrang vorliegen.

Diese Verformung muss nicht ausschließlich vom Getriebe stammen. Auch Kupplung, Zahnriemen, Abtriebswelle, Montageplatte und Maschinenrahmen können dazu beitragen.

2. Unterschiedliche Beschleunigungs- und Verzögerungswerte testen

Innerhalb der zulässigen Betriebsgrenzen kann zunächst die Beschleunigung reduziert werden. Anschließend wird geprüft, ob sich Vibrationen, Überschwingen und Einschwingzeit deutlich verbessern. Danach kann die Beschleunigung schrittweise erhöht und das Verhalten der Lastseite dokumentiert werden.

Wenn eine höhere Beschleunigung zu größeren Positionsabweichungen, stärkeren mechanischen Schwingungen oder längeren Einschwingzeiten führt, sollten folgende Punkte geprüft werden:

• Torsionssteifigkeit des Planetengetriebes

• Abstimmung von Motor- und Lastträgheitsmoment

• Steifigkeit von Kupplung und Abtriebsstruktur

• Verformung von Maschinenrahmen und Montagefläche

• Verhältnis zwischen Eigenfrequenz und Bewegungsprofil des Systems

Solche Vergleichstests liefern meist aussagekräftigere Ergebnisse als die alleinige Beobachtung bei konstanter Drehzahl.

3. Reversierbetrieb und Belastung in gleicher Richtung unterscheiden

Tritt der Fehler hauptsächlich beim Richtungswechsel auf, sollten zuerst Getriebespiel und Verbindungsspiel geprüft werden.

Vergrößert sich die Positionsabweichung dagegen bereits bei steigender Last oder Beschleunigung, ohne dass die Bewegungsrichtung wechselt, liegt die Ursache eher in der Torsionssteifigkeit oder in der elastischen Verformung der Gesamtstruktur.

In realen Anlagen treten Getriebespiel und elastische Verformung häufig gleichzeitig auf. Deshalb lassen sich nicht alle Positionsfehler mit nur einer Kennzahl erklären.

4. Einschwingzeit nach der Positionierung beobachten

Bei Stapel-, Bildverarbeitungs- und Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Systemen muss die Zielposition nicht nur erreicht werden. Die Mechanik muss sich anschließend auch schnell stabilisieren.

Zeigt der Servoantrieb bereits „Position erreicht“ an, während die Mechanik am Endpunkt noch leicht schwingt, kann der Antriebsstrang elastische Energie speichern und wieder freisetzen.

Selbst wenn die endgültige Positioniergenauigkeit innerhalb der Toleranz liegt, reduziert eine zu lange Einschwingzeit den möglichen Maschinentakt.

Welche Folgen hat eine unzureichende Torsionssteifigkeit?

Lastabhängige Positionierfehler

Durch unzureichende Torsionssteifigkeit verursachte Fehler sind nicht konstant. Mit steigender Last nimmt normalerweise auch die elastische Verformung zu. Daher kann dieselbe Sollposition unter Leerlauf- und Volllastbedingungen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen.

Ein solcher variabler Fehler ist schwieriger zu kompensieren als eine konstante Positionsabweichung.

Vibrationen nach schnellen Start-Stopp-Bewegungen

Planetengetriebe, Lastträgheit und angeschlossene Strukturen können zusammen ein elastisches Schwingungssystem bilden. Nach schneller Beschleunigung oder Verzögerung können am Abtrieb Überschwingen, Rückschwingen oder periodische Vibrationen entstehen. Dadurch verlängert sich die Einschwingzeit.

Schwierige Einstellung des Servoreglers

Bei geringer mechanischer Steifigkeit kann eine höhere Reglerverstärkung Vibrationen oder hörbare Resonanzen verursachen. Eine Verringerung der Verstärkung kann diese Symptome reduzieren, verschlechtert jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit und das Folgeverhalten.

Probleme, die zunächst wie eine unzureichende Reglerabstimmung erscheinen, können ihre Ursache daher im mechanischen Antriebsstrang haben.

Erhöhte Stoßbelastung und Materialermüdung

Bei häufigen Richtungswechseln wird durch die elastische Verformung wiederholt Energie gespeichert und freigesetzt. Ist gleichzeitig Getriebespiel vorhanden, kann beim Überwinden des Spiels zusätzlich eine Stoßbelastung entstehen.

Langfristig kann dies das Ermüdungsrisiko für Zahnräder, Lager, Kupplungen und Befestigungselemente erhöhen.

Was sollte bei der Getriebeauswahl berücksichtigt werden?

Für Lithium-Ionen-Batterieanlagen mit schnellen Start-Stopp-Bewegungen sollten folgende Kriterien gemeinsam bewertet werden:

• Getriebespiel und Torsionssteifigkeit

• Nenndrehmoment und zulässiges Spitzendrehmoment

• Lastträgheitsmoment und Beschleunigungszeit

• Drehmoment-Verdrehwinkel-Kennlinie des Herstellers

• Steifigkeit von Kupplung, Abtriebswelle und Maschinenrahmen

• zulässiger Positionierfehler am Endpunkt

• maximal zulässige Einschwingzeit

Eine höhere Steifigkeit ist nicht grundsätzlich immer besser. Sie muss zu Positioniergenauigkeit, Maschinentakt, Einbauraum und Kosten der Anwendung passen.

Das Ziel besteht nicht nur darin, einen Getriebeschaden zu vermeiden. Der gesamte Antriebsstrang muss auch bei maximaler Last und höchster Betriebsgeschwindigkeit stabil arbeiten.

Fazit

Das Getriebespiel beschreibt den Leerweg beim Richtungswechsel. Die Torsionssteifigkeit gibt dagegen an, wie stark sich das Getriebe unter Last elastisch verdreht.

Bei schnell getakteten Lithium-Ionen-Batterieanlagen löst ein geringes Getriebespiel daher nur einen Teil der Anforderungen. Eine ausreichende Torsionssteifigkeit ist ebenso entscheidend für Positioniergenauigkeit und dynamische Stabilität.

Treten bei höherer Last oder Beschleunigung Positionsfehler, Vibrationen, Überschwingen oder längere Einschwingzeiten auf, reicht eine Anpassung der Servoparameter möglicherweise nicht aus. Auch die Steifigkeit des gesamten Antriebsstrangs – einschließlich Getriebe, Kupplung, Abtriebsstruktur und Maschinenrahmen – muss bewertet werden.

Ein richtig ausgewähltes Planetengetriebe muss nicht nur das erforderliche Drehmoment übertragen. Es muss auch die elastische Verformung bei schnellen Start-Stopp-Bewegungen und wechselnden Lasten innerhalb der zulässigen Grenzen halten.

Benötigen Sie Unterstützung bei der Auswahl eines Planetengetriebes?

Wenn Ihre Lithium-Ionen-Batterieanlage bei schnellen Start-Stopp-Bewegungen, häufigen Richtungswechseln oder wechselnden Lasten Positionsfehler, Vibrationen, Überschwingen oder zu lange Einschwingzeiten aufweist, kontaktieren Sie INCT.

Anhand Ihrer Last-, Drehzahl-, Beschleunigungs-, Getriebespiel- und Genauigkeitsanforderungen unterstützt INCT Sie bei der Auswahl eines geeigneten Planetengetriebes und einer anwendungsspezifischen Antriebslösung.