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antriebstechnik 1-2/2016

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GETRIEBE UND

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN 100 000 Umdrehungen pro Minute High-Speed-Getriebe für hohe Leistungs - anforderungen und extreme Einsatzbedingungen Maria Hergesell Getriebe mit hohen Drehzahlen bewegen sich hinsichtlich Schmierung, Lagerung, Betriebstemperatur und Wellendynamik in Grenzbereichen. Daher erfordern derartige High-Speed-Getriebe bezüglich der Auslegung eine hohe Entwicklungs- und Fertigungskompetenz. Dr.-Ing. Maria Hergesell ist Leiterin Technologiemanagement bei der Wittenstein Bastian GmbH in Fellbach Eine typische High-Speed-Getriebeanwendung ist z. B. die Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus einer in heißem Gas laufenden Turbine. Die hohen Drehzahlen von bis zu 100 000 U/min müssen hier über ein Getriebe reduziert werden, um die mechanische Leistung direkt nutzen zu können oder über einen Generator in Strom zu wandeln. Hierfür sind spezielle Getriebe zu entwickeln, die exakt auf die spezifischen Anforderungen zugeschnitten sind. Das Unternehmen Wittenstein Bastian entwickelt und fertigt solche High-Speed- Getriebe und setzt sie z. B. in Energierückgewinnungssystemen, im Rennsport oder bei angetriebenen Werkzeugen ein. Die Entwicklung der Getriebe beginnt mit der technischen Detailklärung in Zusammenarbeit mit dem Anwender. Dabei sind neben dem technischen Vertrieb auch Vertreter des Engineering-Teams und der Produktion beteiligt. Eine mit dem Anwender abgestimmte Spezifikation bildet die Basis für die Entwicklung. Hier werden vor allem die Auslegungsziele definiert und priorisiert. Für Energiegewinnungssysteme ist der Wirkungsgrad des Getriebes von hoher Bedeutung. Zudem muss eine ausreichende Tragfähigkeit sichergestellt werden: Üblich ist in dieser Branche eine Betriebsdauer von mind. 15 Jahren. Bei den anliegenden Drehzahlen und den damit verbundenen Lastwechselzahlen ist eine lebensdauerfeste Auslegung der meisten Komponenten daher unumgänglich. Bei mobilen Anwendungen ergeben sich zusätzliche Forderungen, wie eine kompakte Bauweise und ein geringes Gewicht. Bei Energierückgewinnungssystemen, die in der Nähe von Personen betrieben werden, ist zudem auf die Geräuschanregung zu achten. Von der Idee bis zur Serie Die Entwicklung eines Sondergetriebes geschieht bei Wittenstein Bastian in enger Abstimmung zwischen Engineering-Team und Produktion, die in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander arbeiten. Die Verzahnung von Entwicklung und Fertigung beginnt jedoch schon innerhalb der Engineering-Abteilung. Diese besteht aus 10 Ingenieuren, die 36 antriebstechnik 1-2/2016

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN 01 High-Speed- Getriebe für unterschiedliche Anforderungen ihren Ausrich tungs schwer punkt in einem der folgenden drei Bereiche haben: Konstruktion von Getrieben, Berech nung von Stirnrädern, Kegelrädern und weiteren Maschinenelementen oder spanende Fertigungstechnologien und Wärmebehandlung. Bei der Konzeption eines High-Speed- Getriebes stellt die hohe Drehzahl besondere Anforderungen an die Auswahl von Verzahnung, Werkstoff und Lager. Nach dieser Phase werden die Maschinenelemente dimensioniert. Hierbei werden klassische Maschinenelemente wie Wellen, Welle-Nabe-Verbindungen - z. B. evolventische Mitnehmerverzahnung, Passfeder, Presssitz, Schweißverbindung - oder Lager nach gängigen analytischen oder numerischen Methoden ausgelegt. Für die Optimierung von Stirn- und Kegelrädern hinsichtlich Tragfähigkeit, Wirkungsgrad und Geräuschanregung sind langjährige Erfahrungen und fundiertes Grundlagenwissen über Verzahnungskorrekturen vorhanden. Die Berechnung findet mithilfe von Programmen wie Kisssoft, FVA-Workbench, Bearinx oder Ansys statt. Für die Bestimmung der optimalen Verzahnungskorrekturen des High-Speed-Getriebes werden automatisierte Massenrechnungen verschiedener Korrekturvarianten unter Berücksichtigung von Wellen- und Gehäuseverformungen sowie Lagerspielen berechnet und über einen Filter-Algorithmus hinsichtlich Tragfähigkeit, Geräuschanregung und Toleranzempfindlichkeit bewertet. So können bei vergleichbaren Aufgabenstellungen schon Geräuschverbesserungen von über 10 dB an existierenden Getrieben realisiert werden. Die Modellierung der Bauteile geschieht mithilfe des 3D-CAD-Systems NX von Siemens. Aus den virtuellen Modellen der Getriebe werden in Zusammenarbeit mit Produktion und Qualitätssicherung fertigungs gerechte Zeichnungen abgeleitet. Auf Basis der 3D- Modelle können via CAD-CAM-Schnittstelle auch die Aufwände und Fehlerquellen in der Vorbereitung unterschiedlicher Fertigungsschritte reduziert werden, z. B. beim Drehen, Fräsen oder Rundschleifen. Durch diese Möglichkeiten werden die Aluminium- Gehäuseteile der ersten Prototypen des Getriebes, ohne die zeitintensive Ableitung von detaillierten Fertigungszeichnungen, in einem Arbeitsgang aus dem Vollen gefräst. Bei der Entwicklung wird von Anfang an die zukünftige Fertigung und Montage im Auge behalten. Die zulässigen Fertigungstoleranzen sowie die notwendigen Anlage- und Spannflächen werden gemeinsam mit der Produktion definiert. So sind bei High-Speed-Getrieben aufgrund der hohen dynamischen Zusatzkräfte nur geringe Rundlaufabweichungen zulässig. Zum Teil müssen die Wellen zusätzlich im montierten Zustand gewuchtet werden. Bei der Auslegung und Fertigung von Prototypen wird, soweit möglich, auf vorhandene Werkzeuge und Spannmittel zurückgegriffen, um die mitunter hohen Lieferzeiten von 8-16 Wochen zu umgehen. Erfordert die Konstruktion zwingend gesonderte Verzahnungsgeometrien, wird auf die flexibelsten Fertigungsverfahren, wie das Profilschleifen antriebstechnik 1-2/2016 37

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