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Getriebemotoren

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Die meisten Gleichstrom-Elektromotoren, für den Hobby-Bereich arbeiten mit Versorgungsspannungen zwischen 1,5 und 24 Volt und liefern 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute. GetriebemotorEin frei laufender Motor zieht wenig Strom. Wird er belastet, kann die Stromaufnahme dagegen leicht das Zehnfache des Leerlaufstroms betragen. Bei der Betriebsspannung, die vom Hersteller angegeben ist, arbeitet der Motor am wirtschaftlichsten.

Durch Veränderung der Betriebsspannung kann die Drehzahl des Motors variiert werden, allerdings ist eine Mindestspannung erforderlich, damit der Motor überhaupt arbeitet. Dagegen kann eine zu hohe Betriebsspannung den Motor zerstören. In der Robotik werden selten hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten benötigt. Die nach außen wirkende Drehzahl lässt sich beispielsweise durch ein Zahradgetriebe verringern (Übersetzung).

Antriebe mit Zahnrädern, Ketten oder Riemen werden als Getriebe bezeichnet. Sie sitzen zwischen dem Antriebsmotor und der angetriebenen Maschine und übersetzen Drehzahlen, Drehmomente, ändern eventuell die Drehrichtung oder wandeln eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung um.


Übersetzung

ZahnradübersetzungIm Prinzip dreht dabei ein kleines Zahnrad, dass direkt auf der Motorwelle sitzt, ein großes Zahnrad. Für eine Umdrehung des großen Zahnrades muss sich dass kleine mehrmals drehen. Das Verhältnis der Umdrehungszahlen hängt vom Verhältnis der Zahnzahlen ab. Auf der Abbildung treibt das kleine Zahnrad mit 8 Zähnen das große mit 40 Zähnen an. Damit sich das große Zahnrad ein Mal dreht, muss sich das kleine 40 / 8 = 5 Mal drehen. Die Drehzahl des großen Zahnrads beträgt daher ein Fünftel der Drehzahl des kleinen Zahnrads. Das Verhältnis der Drehzahl n1 des antreibenden Zahnrades zur Drehzahl n2 des angetriebenen Zahnrades bezeichnet man als Übersetzungsverhältnis. Es ist gleich dem umgekehrten Verhältnis der Zahnzahlen z1, z2: n1 / n2 = z2 / z1.

Drehmoment

Die Wahl des richtigen Motors für den Roboter hängt unter anderem davon ab, wie kräftig der Motor sein muss. Da der Motor eine Drehbewegung ausführt, ist hierbei sein Drehmoment wichtig. Das Drehmoment ist die Drehkraft, die der Motor in einem bestimmten Abstand von seiner Welle aufbringen kann. Wenn an der Motorwelle eine Rolle fest angbracht ist, über die der Motor beispielsweise ein Gewicht zieht, bedeutet dies:

Drehmoment = Kraft × Radius der Rolle.

Entsprechendes gilt, wenn statt der Rolle ein Hebelarm verwendet wird.

Wenn der Motor ein Drehmoment von 10 Nm (Newtonmeter) besitzt, kann er ein Gewicht von 10 N über eine Rolle mit Radius 1 m ziehen: 10 N ×1 m = 10 Nm. (10 Newton entsprechen etwa dem Gewicht einer Masse von 1 kg auf unserem Planeten.)

Der Motor kann auch ein Gewicht von 20 N ziehen. Dann aber über eine Rolle mit einem Radius von maximal 0,5 m: 20 N × 0,5 m = 10 Nm; usw.

Auch bei der Fortbewegung arbeitet das Drehmoment des Antriebsmotors gegen verschiedene Kräfte. Dazu gehören die Reibungswiderstände, das Robotergewicht beim Überwinden einer Steigung und die Massenträgheit beim Beschleunigen.

Leistung

Damit der Motor mechanische Arbeit verrichten kann, wird ihm pro Sekunde eine gewisse elektrische Energie zugeführt. Das ist die elektrische Leistung Pe in der Einheit Watt oder die angelegte Spannung multipliziert mit der Stromstärke:

Pe = U × I.

Die pro Sekunde vom Motor verrichtete Arbeit Pm, also seine mechanische Leistung ist gleich seinem Drehmoment M multipliziert mit seiner Winkelgeschwindigkeit ω (Drehwinkel in rad pro Sekunde):

Pm = M × ω.

Aufgrund der Reibungsverluste, elektrischer Erwärmung usw. wird nur ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung in mechanische Leistung umgesetzt. Dies wird durch den Wirkungsgrad η ausgedrückt:

Pm = η × Pe
 

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