Zwischen Motor und Getriebe

Vollkommen unterschätzt habe ich das Maschinenelement Kupplung. Was ich bisher als Kaufteil nach Katalog angesehen habe, leistet ¿ richtig ausgewählt und eingesetzt ¿ hervorragende Arbeit in einem nicht gerade sanften Umfeld. Diese Überzeugung nahm ich mit nach Hause, nachdem ich in Bremen zu Besuch war. Dort führte mir der Getriebehersteller Tandler vor, wie in Zusammenarbeit mit den Kupplungsspezialisten von R+W Spitzentechnologie das Licht der Welt erblickt: Antriebstechnik vom Feinsten!

Wer Getriebe herstellt, der kann nicht nur ¿Blöcke¿, aus denen Wellenenden herausschauen und in deren Innerem Zähne ineinander greifen, nach Katalog anbieten. Kundenwünsche und das Anpassen an die gegebenen Besonderheiten der Praxis stehen auch in dieser Branche im Mittelpunkt. Und dann will natürlich jedes Getriebe auch angetrieben werden. Manchmal indirekt, oft aber direkt vom Servomotor ¿ wobei schon prompt das Thema ¿Kupplung als Bindeglied¿ auftaucht.

Kupplung: Na und . . . ?

¿Kupplung, was soll da schon dran sein? Zusammenstecken und fertig.¿ So, oder ähnlich, werden Sie vielleicht reagieren. Und auch ich habe schon einfache Lösungen gesehen: Motor mit Welle und Passfeder ¿ Getriebe mit Hohlwelle und Innennut ¿ Schrauben durch die Flansche ¿ fertig! Ein Zehntel Spiel zwischen den Zähnen der Zahnräder, damit sich alles leicht drehen lässt; drei Zehntel Luft im Durchmesser der Wellen, so fluchten die immer; Passfedernut in der Hohlwelle zwei Zehntel breiter, dann klemmt nichts beim Montieren; ordentlich Fett in den Getriebekasten, dann halten sich auch die Geräusche in Grenzen.

Das geht natürlich auch. Aber nur für Simpelantriebe, bei denen es ausreicht, dass sich irgendwas mit bestimmter Drehzahl bewegt. ¿So können Sie einen Betonmischer antreiben, nicht aber Druck- und Schneidwerke in der Papier verarbeitenden Industrie, bei denen um jeden Tausendstel Millimeter gekämpft wird.¿ Ein eindeutiges Statement von Rüdiger Spalteholz, der im Hause Tandler für die Bereiche Kundendienst und Arbeitsorganisation zuständig ist und der gerade die Präzision des Gesamtsystems aus Antrieb, Kupplung und Getriebe bis zur Perfektion treibt.

Ein Einsatzbeispiel für diese Getriebe macht deren Leistungsvermögen deutlich. Zeitungen, Zeitschriften, Prospekte, Tapeten, Tüten, Tragetaschen, Folien und Verpackungen aller Art werden aus Rollenware verarbeitet. Riesige Rollen, oft mehrere Tonnen schwer, werden maschinell abgerollt, x-mal mit Walzen und Rollen umgelenkt, dabei durch bis zu elf Druckwerke geschleust und zum Schluss mit Längs- und Querschneidern auf Format geschnitten. Das ist an sich nichts Besonderes, währe da nicht die Schwindel erregende Bahngeschwindigkeit von bis zu 400 Metern pro Minute! Die Bahnen schießen also durch die Anlagen! Quer zur Bewegungsrichtung der Bahn müssen die Druckwerke und Querschneider angesteuert werden ¿ und das auf wenige Hundertstel Millimeter genau!

Meist sind solche Maschinen so aufgebaut, dass eine durchgehende Welle, die so genannte Königswelle, den Arbeitstakt durch ihre Drehzahl vorgibt. Von dieser Königswelle werden die Antriebe von Druck- und Schneidwerken abgezweigt ¿ mit Spiralkegelgetrieben und Drehzahl-Überlagerungsgetrieben in allen nur erdenklichen Bauformen und Varianten. Welche Schwerstarbeit diese Getriebe aus Bremen im 24-Stunden-Dauerbetrieb leisten müssen, das wird schon deutlich, wenn die Bahngeschwindigkeit ¿nur¿ 250 Meter pro Minute beträgt. Muss ein Querschneider zum Beispiel drei Schnitte pro laufenden Meter machen, dann sind das schon 750 Schnitte pro Minute. Pro Schnitt, der immerhin bis zu einer Länge von einem Meter reichen kann, bleibt dem Schneidwerk nur die Zeit von 0,08 Sekunden. Das ist mit dem bloßen Auge nicht mehr zu erfassen!

Und spätestens beim Rundgang durch Fertigung, Qualitätssicherung und Montage begreife ich, was die Bremer unter Präzision verstehen. Mir war nicht bewusst, dass man solch einen Aufwand um Getriebe überhaupt treiben kann (oder vielleicht auch muss!).

Der Weg zur Präzision

¿Uns tut das manchmal richtig weh, doch auch bei Präzisionsgetrieben muss man über Spiel reden. Also, damit wir uns richtig verstehen: Ein Getriebe, das kein Spiel hat, das sitzt fest ¿ ist nicht oder nur mit größter Gewalt zu drehen. Es geht uns deshalb darum, die notwendigen Tausendstel Spiel so zu verwirklichen, dass sie sich im Gesamtsystem nicht zu einem größeren Fehler addieren können.¿ So definiert Spalteholz die Arbeit seines Teams und zeigt dem Redakteur aus Darmstadt den Weg zur Präzision: Die Zutaten sind gegossene Gehäuse, Deckel, Flanschlager und Lagerhalter. Hochgenau geschliffene Wellen tragen die Verzahnung. Hohlräder werden aus Bronze gefertigt. Die Dichtungsmaterialien sind auf das Einsatzgebiet abgestimmt. In der Regel laufen die Getriebe bei 80 Grad Celsius Betriebstemperatur.

Grundsätzlich kommen alle Guss-Werkstoffe, alle Stähle, alle Aluminium-Legierungen und Bronzen, genau auf das Einsatzgebiet und die zu erfüllenden Kundenforderungen abgestimmt, zum Einsatz. Dazu gehört auch, dass im Sonderfall ¿ nämlich bei mechanischer Belastung des Getriebe-Gehäuses ¿ dieses schon einmal aus dem Vollen gearbeitet wird. Das Bearbeiten erfolgt durch Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Läppen ¿ und auch durch Wärmebehandeln und Lackieren.

Auf das Fertigen eines präzisen und dichten Gehäuses für solche Getriebe brauche ich hier nicht näher einzugehen: Das ist Standard. Dazu soll nur erwähnt sein, dass ein Qualitätsgetriebe immer über ein innen lackiertes Gehäuse verfügt! Ist das nicht der Fall, so könnten sich feinste Partikel der Gussoberfläche lösen, Rückstände des Formsandes oder der Gießkerne ihr schädliches Werk in der Verzahnung treiben. Der Lack hat also einzig und allein die Aufgabe, eine in sich geschlossene, feste, saubere und partikelfreie Oberfläche zu bieten. Aber auch das ist Standard ¿ nur wissen viele Techniker nicht, weshalb solche Gehäuse oft dort so hübsch lackiert sind, wo eigentlich niemand hinschauen kann.

Auf gar keinen Fall zum Standard zählt das, was in Bremen mit Wellen, Rädern und Verzahnung passiert: Da treiben die einen Aufwand, den man sich kaum vorstellen kann. Als Beispiel soll hier das Herstellen eines ¿ganz normalen¿ Radsatzpaares folgen. Schon allein der Begriff ¿Radsatzpaar¿ deutet darauf hin, dass die hier gefertigte Präzision nicht von der Stange erreichbar ist: Nur ein ganz bestimmtes, aufeinander zugeschnittenes Pärchen kann die Anforderungen erfüllen. DIN/ISO 3962-67 definiert die Verzahnungsqualität in 12 Stufen. Qualität 1 sind die Meisterräder, sie sind zum Vermessen der gefertigten Verzahnungen bestimmt und weisen so geringe Toleranzen auf, dass sie in Serie gar nicht herstellbar sind. Die höchste Qualitätsstufe, die die Bremer in Serie fertigen, ist Stufe 4, in Ausnahmefällen sogar Qualität 3. Qualität 6 bis 8 gilt dort als Standard. Mit der für Radkörper üblichen Qualität zwischen Stufe 8 und 10 beschäftigt man sich bei Tandler erst gar nicht: ¿Das sollen andere machen, die nicht so präzise wie wir fertigen können.¿ Zwei Wege führen zum hohen Qualitätsziel.

Qualität 6 bis 8: Ausgangsmaterial ist hochfester oder einsatzhärtbarer Stahl. Dieser wird im Gesenk geschmiedet, damit der optimale Faserverlauf des Werkstoffs die Festigkeit nochmals erhöht. Dann folgt das Drehen, um Welle und Grundform der Verzahnung zu gestalten. Anschließend werden die Kegelräder geschliffen, damit eine präzise Aufnahme zum Fräsen der Verzahnung gegeben ist. Um eine Spiralverzahnung herstellen zu können, benötigt man Spezialmaschinen und kegelförmige Wälzfräswerkzeuge. Nach dem Fräsen folgt das Einsatzhärten. Da nach der Wärmebehandlung die Welle nicht mehr genau zur Verzahnung fluchtet (Härte-Verzug), wird nachgearbeitet. Hierzu nimmt man die Verzahnung in einem Meisterrad auf und schleift die Räder zur Verzahnung laufend.

Qualität 4: Es wäre Zufall, wenn mit dem bisher beschriebenen Verfahren tatsächlich die Stufe 4 erreicht werden könnte. Deshalb folgen nach dem Einsatzhärten andere Feinbearbeitungsschritte. Zuerst wird die Welle zwischen Spitzen aufgenommen und auf der Rundschleifmaschine komplett geschliffen. Da jetzt die Verzahnung nicht mehr zur geschliffenen Welle läuft, arbeitet man die gehärtete Verzahnung nach. Auf der Welle aufgenommen, kommt jetzt das Zyklo-Palloid-HPG-S-Verfahren zum Einsatz. Dabei wird die harte Verzahnung mit einem mehrgängigen Messerkopf auf Klingelnberg-Maschinen komplett nachgefräst.

Weshalb Getriebe am Servomotor?

Servomotore sind eine feine Sache, gut regelbar, gute Positionsbestimmung. Doch im unteren Drehzahlbereich, da fehlt ihnen die Kraft. Also lässt man den Motor ruhig mit hoher Drehzahl laufen, schaltet ein Planetengetriebe davor, und das macht aus der hohen eine niedrige Drehzahl mit Steigerung des Drehmoments. Unter dem Strich eine sehr wirtschaftliche Kombination, denn so kann der Hauptantrieb relativ klein ausgelegt werden. Hinzu kommt das Servomotor-Handicap: Die Dinger sind nun einmal sehr schlank und lang. Für Konstrukteure meist ein erhebliches Unterbringungs-Problem, da der Einbauraum immer begrenzt ist.

Hilfe bieten auch hier die Getriebespezialisten: Servomotor + Spiralkegelgetriebe + Planetengetriebe. Schon geht es mit Kraft um die Ecke. Und das bei beachtlichen 95 Prozent Wirkungsgrad, was die Wärmeentwicklung im Minimalbereich hält. Denn Leistungsverlust wird in mechanischen Systemen ja immer in Wärme (und Geräusch) umgesetzt.

Zwischen Motor und Getriebe finden wir die Kupplung als Bindeglied. Ansich gar kein Problem, wenn da nicht die Forderungen des Getriebebauers wären. Das wird ganz deutlich beim ¿Vor Ort Gespräch¿ in Bremen. Denn Spalteholz wendet sich mit einem Lächeln seinem Tischnachbarn Frank Kronmüller, Assistent der Geschäftsleitung bei R+W, zu: ¿Ganz leicht haben wir es Ihnen nicht gemacht, als Zulieferer in unser Haus kommen zu können...?¿ Doch Kronmüller bleibt ganz gelassen: ¿An Sonderwünsche haben wir uns gewöhnt, die machen inzwischen 90 Prozent des Umsatzes aus. Aber um Ihre technischen Ansprüche erfüllen zu können, da war schon einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten.¿

Kupplungen als Diplomaten

Kupplungen müssen nicht nur das Antriebsdrehmoment weiter leiten. Sie sind auch das ausgleichende Element zwischen Motor und Getriebe. Sie nehmen Fluchtungsfehler, Winkelfehler, Koaxialitäten und auch Montagefehler innerhalb bestimmter Grenzen auf. In diesem bestimmten Anwendungsfall kamen einige Besonderheiten hinzu:

1. Möglichst geringe Baulänge.

2. Absolut steife Kraftübertragung.

3. Rückstellfreier Ausgleich ohne Querkräfte.

4. Möglichst geringe Kupplungserwärmung.

5. Unwucht innerhalb engster Toleranzen.

6. Steckbarkeit der Verbindung, doch ohne jegliches Spiel unter Belastung.

7. Steckbarkeit ohne bestimmte Stellung von Motor oder Getriebe.

8. Einfachste Montage, nur Arbeiten in axialer Richtung.

9. Sichere Montage auch vor Ort, zum Beispiel durch Betriebsschlosser.

Viele dieser Forderungen erfüllen die R+W-Kupplungen schon in Standard-Ausführungen, doch einige Besonderheiten waren dennoch zu beachten. Kronmüller: ¿So war es zum Beispiel nur durch den Einsatz eines Sonderbalgs möglich, die Bauform extrem zu verkürzen.¿ Auch der Einwand, dass Sonderlösungen doch immer längere Lieferzeiten erfordern, wird von meinen Gesprächspartnern schnell vom Tisch geräumt. Spalteholz: ¿Auch wir haben ja Lieferzeiten, so rund vier Wochen, wenn wir nicht ab Lager ¿ dann natürlich schon mit Kupplung ¿ liefern können.¿ Kronmüller ergänzt: ¿Und wir wissen ja, was unser Kunde benötigt. Deshalb bevorraten wir einige der Spezialkupplungen, die dann auf Abruf am nächsten Morgen in Bremen sind¿.

Ein eingespieltes Team, wie ich als Außenstehender sofort sehe. Beide lächeln ¿ und gestehen ein, dass es in der Vergangenheit auch schon mal Nachtschichten und Feiertagsarbeit gegeben hat: Der Kunde ist halt König.

Die Kupplungen aus Klingenberg

R+W-Kunde Tandler gehört zu denen, die eine spezielle Variante des Kupplungsprogrammes beziehen. Das ist nicht die Ausnahme. Viele Kunden des Kupplungsherstellers beziehen Sonderlösungen. Das Standardprogramm umfasst steckbare Metallbalgkupplungen, einteilige Kupplungen, Sicherheitskupplungen, Elastomerkupplungen und Gelenkwellen bis 6 Metern Länge. Die steckbaren Kupplungen übertragen Drehmomente bis 500 Newtonmetern.

Die Getriebe aus Bremen

Spiralkegel-Getriebe übertragen die Drehmomente, von einer stumpfen oder durchgehenden Welle aus, im Winkel von 90 Grad. Sie dienen zur Kraft- und Drehzahlübertragung, wobei sie die Drehzahl reduzieren oder auch zum An- und Abschalten der Übertragung dienen. Eine Variante dieses Getriebes ist das zweistufige Spiralkegel-Getriebe. Zwei Stufen werden dann notwendig, wenn die Drehzahl stärker als 6:1 (ohne Achsversatz) reduziert werden muss. Denn die Geometrie der Zahnflanken erlaubt kein größeres Übersetzungsverhältnis. Um dennoch ans Ziel zu gelangen, greifen manche Konstrukteure vorschnell zum ¿Energiefresser¿ Schneckenrad-Getriebe (schlechter Wirkungsgrad!). Sehr viel günstiger verhält sich da die zweite Stufe im Spiralkegel-Aufbau ¿ immerhin bis 36:1 innerhalb eines Getriebeblocks in der gleichen Baugröße, wie es das einstufige Getriebe benötigt.

Ein aus mechanischer Sicht recht aufwendiges Getriebe ist das Drehzahl-Überlagerungs-Getriebe. Es dient der Abtriebs-Drehzahlkorrektur, die eine Phasenverschiebung innerhalb verketteter Einheiten ermöglicht. Es kann also eine durchgehende ¿Königswelle¿ mit konstant bleibender Drehzahl laufen, während es dieses Getriebe ermöglicht, die Abtriebsdrehzahl zu verändern und auch eine Phasenverschiebung vorzunehmen. Das Spiralkegel-Getriebe mit Drehzahlüberlagerung hat also während der Überlagerung keine feste, durch das Übersetzungsverhältnis vorgegebene, Abtriebsdrehzahl. Um das zu ermöglichen, arbeitet zusätzlich zu den Spiralkegel-Rädern ein Planetendifferenzial im gleichen Gehäuse. Dieser Planetenteil bekam eine dritte Welle, die zur Drehzahlregelung meist mit einem Servomotor angetrieben wird.

Eine andere Spezialität sind die Planetengetriebe, die den Servomotoren zu Kraft verhelfen. Hier leisten die R+W-Kupplungen ihr gutes Werk. Aus Bremen bekommen Sie nicht nur höchste Präzision und ausgefeilte Technologie, sondern Ihre Leistungserwartungen dürfen auch innerhalb einer großen Spannweite liegen.

Dieter Capelle / Juli 2000

Links: http://www.rw-antriebselemente.de, http://www.tandler.de