Effizientes, wirtschaftliches Winkelgetriebe Wieso Kronenradgetriebe heute wirtschaftlicher denn je sind

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Heute sind Kronenradgetriebe deutlich effizienter geworden. Durch optimierte Verzahnungsformen und fortschrittliche Fertigungstechniken erzielen sie hohe Wirkungsgrade – ein erfolgreicher Wettstreit gegen Schnecken- und Kegelradgetriebe.

Kombiniert mit modernen EC-Motoren entstehen so kompakte und robuste Antriebssysteme, die Leistung auch bei beengten Einbauverhältnissen wirkungsvoll „um die Ecke“ bringen. Typische Anwendungen finden sich bei Umreifungsmaschinen ebenso wie bei Fahrerlosen Transport- und Shuttlesystemen, bei Tor- und Schranken-Antrieben oder in OP-Tischen als Schiebehilfe.

 Aber immer noch denken die meisten im Zusammenhang mit Winkelgetrieben als erstes an Kegelrad- oder Schneckengetriebe. Allerdings nimmt man bei deren Einsatz auch immer Nachteile in Kauf: Schneckenradgetriebe haben prinzipbedingt einen Achsversatz zwischen eintreibender und abtreibender Welle und arbeiten mit vergleichsweise schlechten Wirkungsgraden, sodass die Motoreinheit der Antriebseinheit oft größer dimensioniert werden muss.

 Kegelradgetriebe sind in der Untersetzung üblicherweise auf maximal 5:1 beschränkt und daher meist auch nicht die ideale Wahl. Ihre Wirkungsgrade sind zwar recht hoch, allerdings ist sowohl die Herstellung der Verzahnungsteile als auch die Montage, speziell das Ausrichten der Verzahnungsteile zueinander, vergleichsweise aufwendig, was sich natürlich im Preis niederschlägt. Wer ein besonders wirtschaftliches und effizientes Winkelgetriebe sucht, sollte sich deshalb mit der Kronenradtechnologie beschäftigen.

Kronenradgetriebe: Hohe Effizienz bei großer Untersetzung

Wenn man sich den Aufbau der verschiedenen Winkelgetriebe näher anschaut, versteht man schnell, warum Kronenradgetriebe für viele Anwendungen eine gute Lösung sind. Die Zahnräder von Kegelradgetrieben haben eine Kegelform. Die Getriebefunktion ist nur dann einwandfrei, wenn sich die Mittellinien der Kegelräder genau in einem Punkt schneiden. Schon alleine die Wärmeausdehnung im Betrieb kann die Funktion daher beeinträchtigen. Schneckenradgetriebe sind da weniger empfindlich, aber bei ihnen ist die Richtung des Kraftflusses sehr ungünstig.

Das Drehmoment bewirkt in erster Linie eine Zug- bzw. Druckbelastung des Schneckenritzels. Da das Ritzel auf dem Schneckenrad gleitet, werden so je nach Untersetzung bis zu 2/3 der eingebrachten Antriebsenergie in Wärme umgewandelt. Der Motor und das Getriebe müssen daher größer dimensioniert werden als eigentlich notwendig, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Zusätzlich ist axiale Belastung der Schnecke durch entsprechend dimensionierte Axiallager aufzufangen.

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Bei den Kronenradgetrieben EtaCrown und EtaCrownPlus aus dem modularen Antriebssystem von Ebm-Papst ist das anders: Das evolventische Antriebsritzel baut zylinderförmig und der Kontakt zwischen Ritzel und Abtriebsrad ist ein Wälzkontakt, es treten kaum Reibungsverluste auf. Der Wirkungsgrad liegt daher auch bei hohen Untersetzungen im Bereich von 90 %. Die Motorleistung steht so fast vollständig der Antriebsaufgabe zur Verfügung. 10 % Verlustleistung gegenüber bis zu 75 % bei herkömmlichen Schneckenradausführungen (abhängig von der gewählten Untersetzung) sind auch bei kleinen Antrieben ein enormes Sparpotential. Oft kann man den Antriebsmotor zudem kleiner dimensionieren und Bauraum sowie Kosten sparen.

Optimierte Verzahnungstechnik und patentierte Schmierung

Die Kronenradgetriebe decken in unterschiedlichen Baugrößen die Untersetzungen im einstufigen Bereich bis 10:1, zweistufig bis 113:1 und dreistufig bis 289:1 ab. Dabei erfüllen die Getriebe höchste Anforderungen. So hat Ebm-Papst gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Maschinenelemente (FZG) der TU München im Rahmen eines Förderprojekts (Bayerische Forschungsstiftung) umfangreiche Forschungen rund um die Verzahnungstechnik betrieben. In diesem Zusammenhang wurde eine Software entwickelt, mit deren Hilfe sich erstmals für die Auslegung wichtige Parameter realistisch berechnen lassen, wie Geometriebestimmungen oder Zahnkontaktanalysen unter Last.

Hüllschnittkurven beispielsweise geben die Geometrie der Kronenradflanke und deren Grenzbereiche wieder oder die Linienlast zeigt die auf Millimeter normierte Kraft an der Flankenlinie des Kronenradzahns. Die Gleitgeschwindigkeiten zeigen an, wie groß die Abwälzgeschwindigkeiten an der Kronenradflanke sind. Die Werte werden auf leistungsfähigen Prüfständen validiert und dienen schlussendlich auch der Fertigungsoptimierung.
 Auch die Schmierung wurde verbessert. Normalerweise gibt es bei Getrieben immer das Problem, dass das Schmiermittel aus den Verzahnungsbereichen der Getriebezahnräder nach und nach verdrängt wird und sich in benachbarten Bereichen ansammelt. Die Verzahnungen werden dadurch über die Lebensdauer nicht optimal geschmiert, was zu einem übermäßigen oder vorzeitigen Verschleiß führen kann. Bei der Weiterentwicklung der Kronenradgetriebe ließ sich das jetzt verhindern: Ein patentierter Trenneinsatz im Gehäuse hält das Schmiermittel dort, wo es hingehört, nämlich an der Verzahnung der Zahnräder.

Lagerhaltung reduziert, Logistik vereinfacht

Typische Anwendungsbereiche für die vielseitigen Winkelgetriebe finden sich in Verpackungstechnik und Intralogistik, zum Beispiel bei fahrerlosen Transportsystemen (AGV, Automated Guided Vehicles), mobilen Robotern oder Shuttles. Hohe übertragbare Drehmomente, Langlebigkeit sowie die kompakten Abmessungen sprechen für den Einsatz eines Kronenradgetriebes. Da beim EtaCrown der Motor mit Antriebsritzel und die Abtriebsachse in einer Ebene liegen, lässt sich das Getriebe problemlos auch spiegelverkehrt einbauen, das reduziert die Lagerhaltung und vereinfacht die Logistik.

Motor-Getriebe-Kombination gut in Türprofile integrierbar

Weitere Anwendungen, für die sich die Kronenradgetriebe eignen, gibt es viele. Typische Gründe für ihren Einsatz sind außer den hohen Wirkungsgraden das hohe übertragbare Drehmoment und die fehlende Selbsthemmung. Bei Schranken und Zugangskontrollsystemen beispielsweise lassen sich die Getriebe im Notfall auch bei hoher Untersetzung problemlos manuell zurückdrehen, ohne dass Komponenten zur Entkopplung notwendig sind, um den Antrieb vor Beschädigung zu schützen.

Durch die versatzlose Bauweise ist die Motor-Getriebe-Kombination zudem gut in den Türprofilen integrierbar. Es gibt keine Motorüberstände. Das vermeidet Aussparungen oder zusätzliche Abstandsflansche zur Überbrückung von Abständen. Die Symmetrie in der Getriebekonstruktion macht Versionen für linken oder rechten Anschlag überflüssig. Die Bremse kann direkt an der Antriebswelle oder aber wie gewohnt an der B-Seite des Motors montiert werden, was den Aufbau vereinfacht und das Antriebssystem kompakter macht.

Friedrich Obermeyer, Technologie & Methoden im Bereich Industrielle Antriebstechnik, und Patrick Schumacher, Leiter Produktmanagement Industrielle Antriebstechnik, arbeiten bei Ebm-Papst St. Georgen.