ETA-Drive: Neue Schnecken-Stirnradgetriebereihe mit besonderen Leistungsmerkmalen

Antriebstechnik, Heft 02/2000
Autor: Dipl.-Ing. Kaj Sellschopp (ZAE)

1. Allgemeine Entwicklungstendenzen im Hinblick auf Kosten und Qualität

Die Optimierungspotenziale im Maschinen- und Anlagenbau sind in vielen Bereichen bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Ein Großteil dieser Potentiale steckt in der elektrischen und mechanischen Antriebstechnik. Hier liegt häufig ein entscheidender Schlüssel zur technisch-wirtschaftlichen Optimierung des gesamten Produktes. Platzsparende Bauweisen, hohe Be- und Verarbeitungsgeschwin-
digkeiten, gute Regelbarkeit, geräusch- und verlustarmer Betrieb und eine lange, servicearme Gebrauchsdauer bei günstigen Preisen sind die am häufigsten genannten Kriterien bei den Anwendern. Daneben spielen eine qualifizierte technische Unterstützung bei Projektie-
rungen, Berechnungen, Prüfstandversuchen sowie ein zuverlässiger Lieferservice seitens der Lieferanten eine wachsende Rolle.

2. Getriebebauformen und ihre Eigenschaften

Aufgrund der differenzierten Anforderungen der industriellen Antriebstechnik haben sich im Laufe der Zeit zahlreiche Gertriebebauformen entwickelt, die jeweils ihre besonderen Vor- und Nachteile aufweisen. Den weitaus größten Anteil der Verzahnungen bilden hier Stirn-, Kegel- und Schneckenradsätze mit evolventischen Zahnprofilen, die je nach Anforderungen auch zu mehrstufigen Getrieben kombiniert werden. Alle Verzahnungen haben aufgrund ihrer Verbreitung einen hohen technischen Standard erreicht. Dies betrifft die rechnerische Auslegung, die Werkstoff- und Schmierstoffauswahl und die Fertigung gleichermaßen, wenn auch in vielen der Bereiche ständig weiter geforscht wird. Die wichtigsten Merkmale sind in den nachfolgenden Absätzen aufgeführt.

Verzahnungen von Stirn- , Kegel- und Schneckenradsätzen

Bild 1: Verzahnungen von Stirn- (a), Kegel- (b) und Schneckenradsätzen (c)

Stirnradgetriebe

Für Stirnradgetriebe (Bild 1a) wurden in der Vergangenheit die weitaus meisten Forschungs- und Normungsarbeiten durchgeführt. Stirnradgetriebe haben in achsparalleler und koaxialer Bauweise weite Verbreitung in allen Bereichen des Maschinenbaues gefunden. Die Optimierung von Trag- und Laufverhalten wird rechnerisch heute sehr gut beherrscht. Die moderne Fertigung ermöglicht faktisch jede denkbare Flankenkorrektur bei höchsten Qualitätsansprüchen durch Schleif- oder Hontechnologien. Übersetzungen in einer Stufe liegen in der Größenordnung 1:1 bis 10:1. Bei sehr hohen Übersetzungen sind folglich bis zu vier und mehr Getriebestufen erforderlich, welches wiederum negativen Einfuß auf Wirkungsgrad, Laufgeräusch und Verdrehspiel ausüben kann. Eine herausragende Rolle bei gehobenen Anforderungen an Leistungsdichte und Übertragungsverhalten spielen die Planetengetriebe, die in zahlreichen Variationen am Markt angeboten werden.

Kegelradgetriebe

Auch auf dem Gebiet der Kegelradgetriebe (Bild 1b) - mit und ohne Achsversatz - wurde in den vergangenen Jahren viel Arbeit geleistet. Als Winkelgetriebe spielt diese Getriebebauform neben Schnecken-
getrieben eine große Rolle im Maschinen- und Kraftfahrzeugbau. Die rechnerische Optimierung von Kegelrädern hat ebenfalls einen hohen Standard erreicht, wobei der Geräuschoptimierung ein besonderer Stellenwert zukommt. Zirka 80% aller feinbearbeiteten Kegelradsätze sind heute noch geläppt, was einen paarweisen Einbau erfordert. In der Fertigung spielt das Schleifen von Kegelrädern eine zunehmende Rolle. Neuerdings wird auch das Honen von Kegelrädern für die Serienfertigung weiterentwickelt. Um hohe Übersetzungen zu realisieren, wird ein Kegelradsatz, der eine maximale Übersetzung von etwa 10:1 ermöglicht, sehr oft mit Stirnradstufen kombiniert, was zu ähnlichen Nachteilen wie bei den mehrstufigen Stirnradgetrieben führen kann.

Schneckengetriebe

Schneckengetriebe (Bild 1c) sind aufgrund ihrer einfachen und preiswerten Bauweise sowie ihrer Robustheit in vielen Bereichen des Maschinenbaues bevorzugt anzutreffen. Die Berechnungsverfahren und die Normung wurden deshalb in den letzten Jahren auch hier deutlich weiterentwickelt. In der Fertigung können dank moderner Verzahnungsmaschinen sehr hochwertige Radsätze für den Einsatz in anspruchsvollen Präzisionsantrieben erstellt werden. Dies hat unter anderem auch dazu beigetragen, daß Schneckengetriebe heute in Bereichen eingesetzt werden können, die früher teilweise anderen Bauformen vorbehalten waren, wie zum Beispiel in Werkzeug-, Druck-, Verpackungsmaschinen und Handhabungseinrichtungen. Werkstoff-, Fertigungs- und insbesondere auch die Schmierstoffqualitäten lassen die ehemals begründeten Fragen nach Betriebsverschleiß und Wirkungsgrad bei Übersetzungen, wie sie bei Stirn- und Kegelrädern üblich sind, in den Hintergrund treten. Die Gleitanteile in der Verzahnung machen sich in modernen Getrieben erst bei Übersetzungen größer 20:1 in einer Stufe - und dann auch nur bei extrem niedrigen Drehzahlen - bemerkbar. Zur Optimierung eines Antriebes bieten sich auch für die Schneckengetriebe etwaige Kombinationen mit Stirnrädern an, die zu Schnecken-Stirnradgetrieben oder Stirnrad-Schneckengetrieben führen. Insbesondere Schnecken-Stirnradgetrieben verbinden vorteilhaft große Übersetzungsbereiche mit einem exzellenten Laufverhalten. Dabei liegt der entscheidende Vorteil darin, daß eine verhältnismäßig kleine, schnelllaufende Schneckenstufe im Eingang verwendet werden kann, was nicht nur technische, sondern ebenso auch preisliche Vorteile durch Einsparung hochwertiger Schneckenradbronze mit sich bringt. Bei Bedarf können in Sonderfällen Schnecken-Stirnradgetriebe gezielt mit selbstbremsenden und selbsthemmenden Verzahnungen ausgeführt werden. Schnecken-Stirnradgetriebe bieten durch ihre Konzeption die Möglichkeit, Eigenschaften wie Lebensdauer, Wirkungsgrad, Geräuschverhalten und Verdrehspiel gezielt zu optimieren.

3. Allgemeine Bewertungs- und Prüfverfahren für die neuen Getriebe

Für ZAE, als Hersteller von Hochleistungs-Schneckengetrieben jeder Ausführung, waren die erkennbaren Vorteile der Schnecken-Stirnradgetriebe der Auslöser für die Entwicklung einer ganz neuen Getriebereihe. Einen Ansatzpunkt bildete dabei die Entwicklung von Sondergetrieben in Großserien für namhafte Kunden. Die überaus positiven Ergebnisse auf dem Prüfstand und in den nachfolgenden Feldversuchen veranlasste das Unternehmen, die Entwicklung der neuen Baureihe zu forcieren. Die Pflichtenhefte enthielten zahlreiche Entwicklungsziele, die im Laufe des Projektes zu verifizieren waren.

Hierzu zählten zahlreiche allgemeine Vorgaben wie Baugröße, Gewicht, Anschlussmaße, Adaption, geringstmögliche Herstellkosten und auch Design.

ZAE-Leistungsprüfstand mit 11kW Leistung und bis zu 1500Nm Drehmoment

Bild 2: ZAE-Leistungsprüfstand mit 11kW Leistung und bis zu 1500Nm Drehmoment

Auf eigenen Leistungsprüfständen und in dem großen Prüffeld der Bundeswehrhochschule in Hamburg wurden Leistungsprüfungen durchgeführt, um Bruchlast, Zeit- und Dauerfestigkeit, Wirkungsgrad, Erwärmung und Geräuschemission zu untersuchen. Die gesetzten hohen Ziele wurden sogar noch übertroffen. Inzwischen liegen zudem zahlreiche Anwendererfahrungen vor, bei denen diese Getriebe seit mehr als 20.000h im harten industriellen Dauereinsatz problemlos laufen.

Neben dem Leistungsvermögen spielt bei der Getriebeentwicklung auch das Übertragungsverhalten eine entscheidende Rolle, welches sich auf Funktionsprüfständen ermitteln lässt. Zu diesen Eigenschaften zählen Trägheitsmoment, Anlaufwirkungsgrad, Leerlaufreibmoment, Gleichlauf, Verdrehspiel sowie Steifigkeit und Dämpfung des Getriebes.

4. Schwerpunkteentwicklung Lebensdauer, Wirkungsgrad, Geräusch, Verdrehspiel, Dämpfung

Schwerpunkt der Entwicklung war insbesondere, ein Getriebe mit hoher Lebensdauer, günstigen Wirkungsgraden, niedrigem Geräuschpegel, minimalem Verdrehspiel und günstigem Dämpfungsverhalten auf den Markt zu bringen.

Lebensdauerbestimmende Faktoren eines Getriebes

Bild 3: Lebensdauerbestimmende Faktoren eines Getriebes

Die hohe Lebensdauer der Getriebe bezieht sich in erster Linie auf die Verzahnungen mit entsprechender Verschleiß-, Grübchen-, Fress- und Fußfestigkeit. Verschleiss und Grübchen werden durch günstige Werk- und Schmierstoffe auf ein absolutes Minimum reduziert. Ein Verschleiss an den optimal ausgelegten Schneckenstufen ist auch nach vielen tausend Betriebsstunden kaum messbar. Auch bietet die gewählte Verzahnungsgeometrie ein hohes Maß an Bruchsicherheit, wie experimentell auf den Prüfständen nachgewiesen werden konnte. Eine hohe Verzahnungsqualität in Verbindung mit einer sorgfältigen Montage sichert die geforderte Leistung und Zuverlässigkeit. Auch Lager und Dichtringe wurden ensprechend den gestellten Anforderungen optimiert. Alle Komponenten sind so dimensioniert, dass sie als Gesamtsystem eine sehr hohe Lebensdauer erreichen. Bei Nennbelastung werden stets mehr als 12.000 Betriebsstunden erreicht.

Teil- und Vollastwirkungsgrad eines Getriebes

Bild 4: Teil- und Vollastwirkungsgrad eines Getriebes

Einen besonderen Aspekt stellt bei der neuen Getriebereihe der vieldiskutierte Wirkungsgrad dar. Ziel war hier die Erreichung von Werten, die vergleichbar sind mit denen von Kegel-Stirnradgetrieben gleicher Übersetzung und Leistung. Nun sind die Wirkungsgrade nicht allein von der Art und Ausführung der Verzahnungen abhängig, sondern gleichermaßen von zahlreichen weiteren Faktoren wie Temperatur, Drehzahl, Drehmoment, Lagerungen, Dichtringen und Schmierstoff. Insbesondere der lastabhängige Wirkungsgradverlauf liefert Aufschluss über Grundverluste, sowie Teil- und Volllastwirkungsgrade. Dieses typische Verhalten aller Getriebebauformen wird häufig vernachlässigt und kann beim Anwender zu Unzufriedenheit führen, wenn bei Nennung des Wirkungsgrades nicht der jeweilige Betriebspunkt berücksichtigt wurde. Die objektiven Messergebnisse auf den Prüfständen der ZAE konnten belegen, dass das neue Schnecken-Stirnradgetriebe in Punkto Wirkungsgrad im Vergleich erwartungsgemäß günstig abschneidet. Die Wirkungsgrade erreichen bis zu 95%, je nach Gesamtübersetzung. Die Übersetzung der Getriebe kann dreistufig und ohne äußerliche Veränderung auf über 1.000:1 gebracht werden, was bei anderen Getriebekonzepten kaum möglich ist.

Da die schnelllaufende Schneckenstufe sehr laufruhig ist und die eher zu Geräuschen neigenden nachgeschalteten Stirnradstufen deutlich langsamer laufen, zeichnet sich das Getriebeprinzip durch besonders niedrigen Geräuschpegel aus. Maßnahmen wie Verzahnungsoptimierungen und -qualitäten, Lagerungen und Gehäusekonstruktion tun ihr übriges hinzu. Somit sind die Getriebe wesentlich leiser als vergleichbare andere Industriegetriebe und können bevorzugt in geräuschsensiblen Bereichen wie beispielsweise der Medizin- oder Bühnentechnik eingesetzt werden.

Ein weiteres herausragendes Merkmal der neuen Getriebereihe ist das standardmäßig geringe Verdrehflankenspiel, welches bei reinen Schneckengetrieben oder Stirnrad-Schneckengetrieben nur mit Zusatzaufwand zu erreichen ist. Die Getriebe können aufgrund der Fertigungsqualitäten von Stirnradsätzen und Gehäusen bereits standardmäßig auf 10' begrenzt werden. In Sonderfällen kann dieser Wert jedoch noch deutlich reduziert werden.

5. ZAE-Getriebereihe 012 bis 513 

Schnecken-Stirnrad-Getriebe der Größe 113

Bild 5: Schnecken-Stirnrad-Getriebe der Größe 113

Das Getriebeprogramm besteht wahlweise aus zwei- oder dreistufigen Ausführungen. Es stehen derzeit fünf ZAE-Baugrößen zur Auswahl, die einen weiten Drehmomentbereich abdecken. Die Baugrößen sind mit den Standardübersetzungen und Drehmomenten in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.

Übersetzung

Stufenzahl 012 112/113 212/213 312/313 512/513
 

Nenndrehmomente [Nm] bei n1 = 1500 1/min

<10 bis 20 2 205 162 328 604 1909
20 bis 30 2 205 <343 714 1175 3723
30 bis 40 2 205 354 746 1219 3723
40 bis 50 3 * 205 381 746 1219 3723
50 bis 70 3 * 205 381 746 1219 3723
70 bis 100 3 * 205 381 746 1219 3723
100 bis 200 3 * 205 381 746 1219 3723
200 bis 300 3 * 205 381 746 >1219 3723
400 bis 500 3 * 205 381 746 1219 3723
700 - 1000 3 --- 381 746 1219 3723
> 1000 3 --- --- --- 1219 3723

* Größe 012 nur 2-stufig, Standardübersetzung bis i = 423:1

Tabelle: Übersetzungen, Baugrößen und Nennmomente der neuen Getriebereihe

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