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antriebstechnik 1-2/2021

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antriebstechnik 1-2/2021

DIREKTANTRIEBE

DIREKTANTRIEBE ELEKTRISCHE KLEINANTRIEBE MIT DEM ROLLSTUHL AUF DIE RENNSTRECKE Der Cybathlon ist ein einzigartiger Wettkampf, bei dem sich Menschen mit Behinderungen mittels moderner technischer Assistenzsysteme beim Absolvieren alltagsrelevanter Aufgaben messen. In den hochtechnisierten Hightech-Rollstühlen und der darin verbauten Robotik übernehmen elektrische Kleinantriebe eine ganze Reihe wichtiger Funktionen. Unfall, Krankheit, Krieg oder Alltagsgebrechen, eine Behinderung kann jeden treffen. Deshalb haben Menschen schon seit langem nach Lösungen gesucht, um den Betroffenen das Leben zu erleichtern. Als Vorreiter gelten die Chinesen, die bereits um 1300 v. Chr. eine Art Sessel mit Rollen genutzt haben sollen. Seither haben sich Rollstühle enorm weiterentwickelt und sind heute Hightech-Geräte, die ständig verbessert werden. Der Cybathlon, den die ETH Zürich ins Leben gerufen hat und seit 2016 wie die Olympischen Spiele alle vier Jahre stattfindet, soll zu dieser Weiterentwicklung beitragen. Auch zwischen den Veranstaltungen gibt es immer wieder Rennen, meist im Rahmen von Fachmessen. DIE CYBATHLON RENNSTRECKE In der Kategorie Wheelchair Race absolvieren Piloten mit einer schweren Gehbehinderung in einem motorisierten Rollstuhl eine definierte Hindernisstrecke. Die einzelnen Stationen enthalten beträchtliche Herausforderungen, z. B. Treppen, Rampen, Slalomstre- cken oder ganz allgemein unebenes Terrain. Mit bislang zwei Goldtrophäen ist dies die Paradedisziplin des Teams HSR Enhanced der Hochschule für Technik Rapperswil in der Schweiz. Der Antriebshersteller Faulhaber ist dabei mit an Bord – mit Hochleistungsmotoren im Rollstuhl sowie als Sponsor des HSR- Teams. „Als 2016 der erste Cybathlon in Zürich ausgerichtet wurde, haben wir ziemlich spät davon erfahren“, erinnert sich Prof. Dr. Christian Bermes vom Institut für Laborautomation und Mechatronik der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR). „Es blieben uns gerade mal zehn Monate, um aus dem Nichts einen wettbewerbsfähigen Rollstuhl zu entwickeln. Aber die Aufgabe war reizvoll, die technische Herausforderung ausgesprochen interessant.“ STETIG HÖHERE ANFORDERUNGEN Das Hochschulteam, das sich dann schnell zusammenfand, holte sich gleich in 2016 beim ersten Anlauf die Goldmedaille beim Cybathlon. Ein Erfolg, den das Team drei Jahre später bei den 14 antriebstechnik 2021/01-02 www.antriebstechnik.de

DIREKTANTRIEBE 01 Cybathlon-Pilot Florian Hauser in seinem Wettkampf-Rollstuhl, der von einem Ingenieursteam der Hochschuhe Rapperswil ständig weiterentwickelt wird Cybathlon Wheelchair Series im japanischen Kawasaki bestätigte. Aber ausruhen auf ihren Lorbeeren kommt nicht in Frage – und das nicht nur wegen der starken Konkurrenz. Wie im Motorsport reagiert die Regelsetzung auf den technischen Fortschritt, und die Messlatte wird ständig höher gelegt. „In Zürich waren nur drei Treppenstufen zu bewältigen“, erinnert sich Bermes. „In Kawasaki waren es schon sechs. Die Tür durfte dort nicht mehr vom Fahrer selbst, sondern nur von einem Roboterarm geöffnet und nach der Durchfahrt wieder geschlossen werden.“ Die einzelnen Aufgaben enthalten also beträchtliche technische Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Für das Treppensteigen z. B. haben die verschiedenen Teilnehmerteams ganz unterschiedliche Ansätze entwickelt. Einige von ihnen setzen bspw. auf Raupen, die auch die Fortbewegung auf flachem Untergrund bewältigen. HSR Enhanced verwendet dagegen ein hybrides Antriebskonzept mit Raupen für die Treppe und einzeln lenkbaren Rädern, die den Rollstuhl auf ebenem Gelände sehr wendig machen. EINSETZBAR ALS RAD- ODER RAUPENFAHRZEUG Für die Treppe gibt es das absenkbare Zusatzmodul „Herkules“ unter dem Fahrgestell, das den Rollstuhl für die Treppe von einem Rad- in ein Raupenfahrzeug verwandelt. Damit der Pilot auch in der Schräglage sicher sitzt, wird der Fahrersitz und damit der Schwerpunkt verschoben. Die Verlagerung hat zudem Einfluss auf die Traktion und das Fahrverhalten, kommt dem Fahrer aber auch in Alltagssituationen entgegen: Ist der Sitz vorn, sind seine Füße unten, und er kann bequem an einen Tisch heranfahren. In der hinteren Position – der Standard für die Fahrt auf ebenem Untergrund – liegen die Beine oben, was die Kombination aus Pilot und Rollstuhl kürzer und kompakter macht. Motoren von Faulhaber kommen im Treppenmodul, bei der Sitzverstellung und bei der Einzelradlenkung zum Einsatz. Für die Absenkung des „Herkules“ werden zwei leistungsstarke grafitkommutierte Motoren der Baureihe CR verwendet, die das Gesamtgewicht von rund 180 kg von den Rädern auf die Raupen heben. Der gleiche Motortyp verschiebt mit Getriebe und Spindel versehen auch den Sitz. Die DC-Motoren mit Grafitkommutierung sind mit Durchmessern von 38 mm kompakt und leicht. Durch die Konstruktion als Glockenankermotor mit der patentierten, freitragenden Rotorspule mit Schrägwicklung, die um einen ruhenden Magneten rotiert, kann fast der gesamte Motordurchmesser für die elektrische Spulenwicklung genutzt werden. Dadurch sollen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen erreichen. Für die Lenkbewegung der Räder sorgen vier bürstenlose Motoren der BXT-Serie mit passendem Getriebe. Sie liefern mithilfe ihrer innovativen Wicklungstechnik und Auslegung ein hohes Drehmoment von 10,2 mNm und das bei 14 mm Höhe und 22 mm Durchmesser. Mit einer Drehzahl von bis zu 10 000 min -1 können sie die www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/01-02 15

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