Ange­stoßen durch die stei­gende Nach­frage aus der Indus­trie wurde die Ausle­gung der Verzah­nungs­teile der Kronen­rad­ge­triebe und deren Ferti­gungs­technik stetig weiter verbes­sert. 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.

Winkel­ge­triebe neu gedacht

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.

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.

Bei den Kronen­rad­ge­trieben EtaCrown und EtaCrown­Plus aus dem Modu­laren Antriebs­system von ebm-papst ist das anders (Bild 1): 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: AZ-1379-19, Sach­be­ar­beiter: J.-F. Hoch­rein) umfang­reiche Forschungen rund um die Verzah­nungs­technik betrieben.

Bild 2: Die Hüll­schnitt­kurve gibt die Geome­trie der Kronen­rad­flanke wieder. (Grafik | ebm-papst)

Bild 3: Die Lini­en­last zeigt die auf Milli­meter normierte Kraft an der Flan­ken­linie des Kronen­rad­zahns. (Grafik | ebm-papst)

Bild 4: Die Gleit­ge­schwin­dig­keiten zeigen an, wie groß die Abwälz­ge­schwin­dig­keiten an der Kronen­rad­flanke sind. (Grafik | ebm-papst)

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 (Bild 2) oder die Lini­en­last (Bild 3) zeigt die auf Milli­meter normierte Kraft an der Flan­ken­linie des Kronen­rad­zahns. Die Gleit­ge­schwin­dig­keiten (Bild 4) zeigen an, wie groß die Abwälz­ge­schwin­dig­keiten an der Kronen­rad­flanke sind. Die Werte werden auf leis­tungs­fä­higen Prüf­ständen vali­diert und dienen schluss­end­lich auch der Ferti­gungs­op­ti­mie­rung.

Verbes­serte Schmie­rung

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.

Bild 5: ebm-papst entwi­ckelte einen paten­tierten Trenn­ein­satz für das Gehäuse. (Grafik | ebm-papst)

Bild 6: Der Trenn­ein­satz hält das Schmier­mittel dort, wo es hinge­hört, nämlich an der Verzah­nung der Zahn­räder. (Grafik | ebm-papst)

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 (Bild 5 und Bild 6).

Antriebe für Verpa­ckungs­technik und Intra­lo­gistik

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 (Bild 7). 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.

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.

Tür- und Toran­triebe

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 (Bild 8). 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.

Anwen­dungen in der Medi­zin­technik

In der Medi­zin­technik über­zeugen Kronen­rad­ge­triebe durch ihre hohe Zuver­läs­sig­keit, Lauf­ruhe und eine geringe Erwär­mung. Einge­setzt als Schie­be­hilfe im OP-Tisch lässt sich dieser auch ohne moto­ri­sche Unter­stüt­zung verschieben. EtaCrown und EtaCrown­Plus sind Teil des Modu­laren Antriebs­sys­tems von ebm-papst und können mit allen DC- und EC-Motoren sowie Bremsen und Gebern kombi­niert werden. Indi­vi­du­elle Antriebs­kom­plett­lö­sungen aus einer Hand mit aufein­ander abge­stimmten Kompo­nenten lassen sich im Online-Portal einfach zusam­men­stellen. Dank defi­nierter Vorzugs­typen sind ausge­wählte Antriebs­kon­fi­gu­ra­tionen inner­halb von 48 Stunden versand­fertig. So können beispiels­weise Bemus­te­rungen in kürzester Zeit reali­siert werden.