Einbauraumsparende Planetengetriebe mit Verzahnungs- und Lagerungsoptimierung Indikator für Innovationskraft – KEM
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Indikator für Innovationskraft

Einbauraumsparende Planetengetriebe mit Verzahnungs- und Lagerungsoptimierung
Indikator für Innovationskraft

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Egal ob Neuprojektierung oder Re-Designs von Anlagen – man ist immer bestrebt, die wirtschaft-lichste Lösung zu finden. Der Trend geht zu immer kompakteren Einheiten, die schneller und leistungsfähiger sein müssen. Folglich müssen auch die Antriebe – bestehend aus Steuerung, Motor und Getriebe – effizienter werden. Planetengetriebe in elektromotorisch angetriebenen Achsen müssen Bewegungen und Kräfte wirtschaftlich und in hoher Qualität übertragen. Dabei stehen hohe Leistungsfähigkeit und-dichte sowie besonders die Baugröße im Vordergrund, wobei die Leis-tungsdichte den Zusammenhang zwischen Leistung und Baugröße wiederspiegelt.

Der Autor Dipl.-Ing. Bernd Cihlar ist Leiter der Abteilung Konstuktion und Entwicklung bei der Fa. Neugart GmbH in Kippenheim. Er ist maßgeblich an deer Entwicklung neuer Produkte im Unternehmen beteiligt.

Die Firma Neugart, Kippenheim, Hersteller der schon für hohe Ansprüche hinsichtlich Genauigkeit, Wirkungsgrad, Abtriebsdrehmoment sowie Verdrehspiel und -steifigkeit ausgelegten PLS-Getriebebaureihe trägt den Marktanforderungen für spielarme Planetengetriebe durch einen Quantensprung erneut Rechnung: das neu entwickelte Standard-Getriebe PLS High Performance.
Mehr Leistung versus geringere Baulänge
Immer öfter stehen die Konstrukteure vor der Aufgabe, kompaktere, leistungsfähigere, leichtere und dennoch wirtschaftliche Antriebe zu projektieren. Das Ziel ist es also immer, den Motor und das Getriebe zu verkürzen und dennoch höhere Leistungen zu übertragen. Diese Forderungen stehen meist im Konflikt zueinander. Denn wenn sich die Leistung erhöhen sollte, musste bisher immer auch ein größerer Motor und ein größeres Getriebe verwendet werden, was in vielen Fällen nicht wirtschaftlich war.
Zumindest von der Seite des Getriebes gibt es jetzt aber die Möglichkeit, wesentlich mehr Leistung bei gleicher Baugröße und gleichem Gewicht zu übertragen. Aus diesem Grund kann auf das nächstgrößere Getriebe verzichtet und somit eine Kostenersparnis von bis zu 30 Prozent erzielt werden. Dies ist nicht nur bei der Neuprojektierung wichtig, sondern auch beim Re-Design bestehender Anlagen. Oftmals ist ein Re-Design die kostengünstigere Alternative zur Neubeschaffung. Allerdings sollten hierbei so wenig wie möglich Modifikationen gemacht werden müssen und dennoch eine Leis-tungssteigerung erzielt werden. Auch hier eignet sich die neu entwickelte High-Performance-Getriebebaureihe von Neugart ganz besonders, da sie die gleichen Anschlussmaße wie die PLS-Baureihe besitzt.
Damit ist es Neugart erneut gelungen, die Marktanforderungen zu erfüllen, ja teilweise zu übertreffen.
Hundert Prozent mehr Leistung
Zur Hannover-Messe 2001 hatte Neugart das neue High-Performance-Planetengetriebe in der Baugröße 115 vorgestellt (Bild 1). Die Baugrößen 70, 90 und 142 sind inzwischen ebenfalls verfügbar. Bei dem PLS 115 HP handelt es sich um das erste Getriebe in dieser Klasse. Der entscheidende Unterschied liegt im Getriebeaufbau. Neben der Verzahnungsoptimierung bewirken die verwendeten vorgespannten Kegelrollenlager eine erhebliche Verbesserung der Leistungsdaten. Das Ergebnis ist eine Verdoppelung der Leistungsdichte und der Abtriebsdrehmomente. Die maximalen Abtriebsdrehmomente der ein- und zweistufigen Getriebe liegen bei 520 Nm. Dies bedeutet eine Erhöhung um 100 Prozent. Die größeren vor und hinter dem Planetenrad angeordneten Kegelrollenlager bringen eine wesentlich verbesserte Kippsteifigkeit und deutlich höhere zulässige Ra-diallasten. Damit erhöhen sich die zulässigen Radiallasten um 70 Prozent auf 9000 N. Diese Angaben beziehen sich auf die Mitte der Abtriebswelle und auf eine Lebensdauer von min. 20 000 h. Durch die steifere Lagerung konnte außerdem die Geräuschemission unter Ra-diallast weiter gesenkt werden.
Die neuen Planetengetriebe High Perfomance Getriebe (PLS-HP) entsprechen den Forderungen der Maschinen- und Anlagenbauer nach kleineren, kompakteren und dennoch leistungsfähigeren Komponenten.
Mit den hier erzielten Leis-tungsdaten besteht in vielen Fällen sogar die Möglichkeit, Getriebe der nächstgrößeren Baugröße mit Hilfe der High-Performance-Technologie durch kleinere Baugrößen zu ersetzen. Dazu tragen auch folgende Neugart-Innovationen entscheidend bei:
Der neue Getriebeaufbau ermöglicht erheblich verlängerte Wartungsintervalle. Neben der optimalen Getriebekonfigura-tion trägt dazu das patentierte NIEC-System (Neugart Integrated Expansion Chamber) bei (Bild 2). Dieses System wurde entwickelt um Druckerhöhungen, die sich durch steigende Temperaturen ergeben, zu verhindern. Für die Temperatur innerhalb eines Getriebes sind hauptsächlich Drehzahl und Drehmoment ausschlaggebend, da in Abhängigkeit von übertragener Leistung und Wirkungsgrad Verlustwärme entsteht. Hinzu kommen die Reibung aller Dichtlippen und Lager sowie die Umgebungs-temperatur. Steigender Druck führt aber auch zu höherer Dichtkantenanpressung des Radialwellendichtringes, damit wiederum zu mehr Wärmeentwicklung und so gleichzeitig nochmals zur Druckerhöhung. Die Folge daraus ist ein erhöhter Verschleiß der Dichtkante. Je stärker der Druck ansteigt, desto geringer ist in Folge dessen die zulässige Wellendrehzahl.
Durch das NIEC-System entsteht ein quasi druckloses Sys-tem, in dem die Dichtungen nur mit ihrer Vorspannkraft angepresst werden. Dieser Effekt wird mit einer im Getriebe untergebrachten Membran erreicht, die sich bei Überdruck in eine Ausgleichskammer aufstülpt und so eine Volumenvergrößerung im Getrieberaum schafft. Auf Grund der wesentlich geringeren Reibung der Radialwellendichtringe erhöht sich deren Lebensdauer, was eine erheblich ausgedehnte Getriebegebrauchsdauer und deutlich längere Wartungsintervalle zur Folge hat.
Diese positiven Eigenschaften machen das NIEC-System zum festen Bestandteil in der Standardausführung der High-Performance-Getriebe.
Präzise Klemmung PCS
Eine weitere Innovation die im Zuge dieser Getriebe-Neuentwicklung eingebaut wurde, ist eine verbesserte Klemmverbindung für höchste Genauigkeitsansprüche (Bild 3). Die Spannung in der Klemmverbindung erfolgt über mehrere geschlossene Schlitze, wodurch eine präzise zylindrische Klemmung erreicht wird.
Die Stellung zwischen Klemmring, Buchse und Motorwelle ist bei der Montage jetzt unerheblich. Deshalb gehört die verbesserte Klemmverbindung künftig nicht nur bei den High-Performance-Getrieben zur Standardausführung. Die PCS Klemmung fließt außerdem in das übrige Getriebeprogramm ein.
Engineeringleistung für Sondergetriebe
Nicht nur in den Standardgetriebebaureihen erfüllt der Getriebespezialist Neugart höchste Marktanforderungen. Gerade auch wenn es darum geht, Sondergetriebe für und mit den Kunden zu entwickeln, sorgt man permanent dafür, aktuellste Entwicklungen zu berücksichtigen und in die Kundenlösungen zu integrieren. Hierbei werden Anforderungen aus allen Teilbereichen des Anlagenbaus wie z. B. für Druckmaschinen, Spritzgussmaschinen und Lackierroboteranlagen realisiert.
Planetenversatzgetriebe
Anforderungsprofil: Um auf dem Weltmarkt ein attraktives Roboterlackiersystem anbieten zu können, muss die Antriebseinheit außer einer hohen Leistungsdichte bei geringem Gewicht auch einen geringen Achsabstand der Abtriebs-achsen zum Düsenkopf aufweisen. Dies ist deshalb notwendig, da für die erforderlichen Freiheitsgrade gleich drei bis vier Antriebseinheiten je Roboter zum Einsatz kommen. Bei einem Redesign eines Lackierroboters sollten bestehende CNC-Antriebe für die Dreh- und Schwenkachsen des Sprühkopfes optimiert werden. Besonders sollten eine Gewichtsreduzierung, eine Verkürzung der Getriebelänge, sowie eine Erhöhung des Nenndrehmomentes erreicht werden. Ebenso wurde eine Vereinfachung der Montage bzw. Demontage gefordert.
Projekt:
Damit die gewünschten Anforderungen erfüllt werden konnten, waren konstruktiv ein kombiniertes Getriebe aus Stirnrad- und Planetenstufe auszulegen. Hierbei mussten, außer den üblichen Kriterien wie Lebensdauer und Überlastsicherheit, auch der vom Kunden angegebene begrenzte Einbauraum und das geforderte geringe Verdrehspiel eingehalten werden.
Eine zusätzliche Anforderung war auch, dass der Motor für Instandsetzungsarbeiten von hinten axial vom Getriebe getrennt werden muss, ohne die Möglichkeit zu besitzen, die radiale Klemmschraube der Ritzelverbindung lösen zu können. Als Grundlage für die Auslegung des Getriebes wurde für die Leistungsdaten ein Lastenheft erstellt. Aufgrund dieser Leis-tungsdaten erfolgte die Berechnung mit Hilfe modernster Berechnungssoftware. So wurde z. B. zur Simulation der Biegespannung an der Abtriebswelle die FEM eingesetzt, da herkömmliche Berechnungsprogramme nicht in der Lage sind, die spe-ziellen Geometrien zu berechnen. Der Projektablauf erfolgte nach den durch die ISO 9001 festgelegten Vorgaben der Fa. Neugart.
Im Ergebnis erfolgte die Fertigung mehrerer Prototypen, die beim Kunden auf einem speziellen Prüfstand einem Dauertest unterzogen wurden. Nach diesem „Prüfen auf Herz und Nieren“ wurden die Getriebe zur Untersuchung der Bauteile zerlegt. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Zustände der Bauteile nach den im Test aufgetretenen Belastungen den theoretisch vorhergesagten Zuständen entsprachen.
Lösung:
Mit einer Planeten-Stirnradgetriebekombination (Bild 4) wurde der geforderte Achsversatz realisiert. Durch die Optimierung der Verzahnung und Lagerung konnten 100 Prozent höheren Leis-tungsdaten erzielt werden. Die Getriebebaulänge wurde um 30 Prozent reduziert. Daraus resultierend wurde das Gewicht ebenfalls um ca. 30 Prozent verringert. Auch eine erhöhte Lebensdauer von 25 000 Stunden verbesserte die Gesamtleistung des Sondergetriebes.
Winkelgetriebe für Drehtürenantrieb
Anforderungsprofil:
Aufgrund der zu hohen Vielfalt an Getriebelösungen für eine Drehtürbaureihe wurde eine Optimierung der Getriebe angestrebt. Ziel war es eine einzige Getriebelösung zu entwickeln, die alle unterschiedlichen Drehtüren bedienen kann.
Das Projekt: Das Winkelgetriebe sollte flachbauend und extrem geräuscharm konstruiert werden. Außerdem sollte das Gewicht so gering wie möglich gehalten werden. Die Anforderungen des Kunden erlaubten keinen Einsatz von standardisierten Winkelplanentengetrieben. Eine große Herausforderung für die Konstruktion war die Geräuschentwicklung zu minimieren, den Bauraum zu verkleinern und das Drehmoment zu erhöhen.
Lösung:
Es wurde ein Planetengetriebe mit nachgeschaltetem, extrem flachen Winkelsatz konstruiert (Bild 5). Die Forderung der niedrigen Geräuschentwicklung wurde durch konstruktive Maßnahmen zur vollsten Zufriedenheit des Kunden gelöst.
Der Bauraum und das Gewicht konnten verringert werden. Es wurde ein Zentralantrieb entworfen, bei dem das Getriebe direkt mit dem Motor verbunden ist und die Vielfalt von Getriebelösungen ersetzt.
Getriebelebensdauer
Die Lebensdauer eines Getriebes hängt von den Belastungsdaten, der Verzahnung, der Lagerung der Planeten, der Abtriebswellenlagerung und dem eingesetzten Schmierstoff ab. Die Verzahnung ist bei Neugart immer dauerfest, d. h. die Anzahl der Überrollungen, und somit die Drehzahl, spielt keine Rolle für die Lebensdauer. Bei der Lagerung jedoch besteht ein enger Zusammenhang zwischen Drehzahl und Belastung. Die Drehzahl geht bei der Berechnung nach L10h linear, die Belastung mit ca. der dritten Potenz ein. Daraus resultieren bei halbierter Drehzahl eine Lebensdauer-Verdoppelung, bei halbierter Belastung eine Lebensdauer-Verachtfachung. So sind bei entsprechender Drehzahl- und Belastungswahl beliebige Lebensdauern erreichbar. Um z.B. von einer Lebensdauer von 20 000 h auf 30 000 h (z.B. in Prospekten) zu kommen, reicht bei gleicher Drehzahl eine Reduzierung der Belastung um ca. 15 Prozent.
Internet
Ausführliche Informationen
Neugart Planeten-getriebe
Engineering für Sondergetriebe
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