antriebstechnik 7/2022

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Getriebeabgang) fiel die Wahl auf Rillenkugellager. Mit entsprechenden Sicherheiten ist der radiale Bauraum nun abhängig von den größten Rillenkugellagern, die die Hersteller mit den genannten Anforderungen anbieten. Mit einem Bohrungsdurchmesser von 70 mm und einem Außendurchmesser von 90 mm bei einer Grenzdrehzahl von 9.000 1/min konnten bei einem namhaften Hersteller entsprechende Rillenkugellager bezogen werden. Die Maße der Lager geben nun die Randbedingungen für die Hohlradabmessungen vor. Im Anschluss startet über „Matlab“ ein iterativer Prozess der Umlaufgetriebeauslegung für alle drei Planetensätze. Ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung ist die notwendige Eingangsdrehzahl zur Erreichung der Nenndrehzahl der Frässcheiben. Aufgrund der hohen Übersetzungen von Planetengetrieben ist es entscheidend, dass die Sonnenräder möglichst hohe Zähnezahlen aufweisen. Andernfalls findet sich kein entsprechender Antrieb, der so hohe Drehzahlen bewerkstelligt. Unter Berücksichtigung von Bauraum-Randbedingungen, Zähnezahl- und Grenzzähnezahl-Bedingungen konnte eine Lösung mit vertretbaren Zahnradgrößen gefunden werden. PROJEKTPARTNER IM FORSCHUNGSVORHABEN „EKONT“ (FÖRDERKENNZEICHEN 15S9416B) nHTWG Konstanz nKIT-TMB nContec Maschinenbau & Entwicklungstechnik GmbH nSAT Kerntechnik GmbH Mit Hilfe eines Winkelschleifers als Antrieb mit 11.500 1/min Maximaldrehzahl können auf der Abtriebsseite 4.000 bzw. 5.000 1/min Frässcheiben-Drehzahl erreicht werden, was im Rahmen liegt (Umfangsgeschwindigkeiten ähnlich). Die niedrigere Abtriebsdrehzahl bezieht sich auf das mittlere Umlaufgetriebe mit Planetenradpaaren. Da der Hohlrad-Teilkreisdurchmesser festgelegt war musste das Sonnenrad etwas kleiner ausfallen, damit die Planetenradpaare genügend Platz finden. Ein Nachteil des geringen radialen Bauraums und der vergleichsweise niedrigen Übersetzungen ist die entsprechend hohe Drehzahl der Planetenräder. Alle zwölf Planetenräder konnten mit derselben Zähnezahl ausgelegt werden, rotieren allerdings mit 14.900 1/min bzw. 18.600 1/min. Diese Drehzahlen sind mit herkömmlichen Lagern nicht darzustellen, weshalb spezielle Gleitlager-Bundbuchsen gemeinsam mit dem Hersteller ausgelegt wurden. Über ein spezielles, hitze- und druckbeständiges Fett wird im laufenden Betrieb eine zusätzliche Schmierwirkung realisiert. Die Lagerung der zentralen Antriebswelle, auf der die Sonnenräder montiert sind, wird auf der Festlagerseite über ein Nadel-/ Schrägkugellager und auf der Loslagerseite über ein Nadellager ohne Innenring realisiert. Dies ermöglicht die Aufnahme von Axialkräften, welche durch einen Riementrieb auf der Eingangseite zustande kommen können. Die Antriebswelle wurde aus 1.4545 gefertigt und aus Materialgründen geteilt ausgeführt. Alle Getriebedaten sind in der Tabelle übersichtlich dargestellt. Eine große Herausforderung für die Konstruktion des Getriebes war das Gehäuse-Design. Die Abtriebe sind radial angeordnet, sodass in diese Richtung keine Befestigungsmöglichkeiten bestehen. Gelöst wurde dieses Problem durch eine gesteckte, axiale Montage des Getriebes. Montagegerecht wurden sämtliche Lagersitze und Zahnräder so ausgeführt, dass das Getriebe über drei zentrale, gehärtete Wellen und Schrauben durchgängig befestigt werden kann. Dabei werden vier einzelne Gehäusesegmente nacheinander axial Getriebedaten Antrieb Einheit Beschreibung Ergänzende Daten n Antrieb 11.500 1/min Eingangsdrehzahl P Antrieb 1.900 W Eingangsdrehzahl Verzahnung Durchmesser [mm] 2 m 0,7 - Modul TK KK FK Z S 1,3 50 - Zähne Sonnenräder 1 und 3 35 36,4 33,25 11.500 Z S 2 40 - Zähne Sonnenrad 2 28 29,4 26,25 11.500 Z p1,3 = Z p2b 14.840 31 - Zähne Planetenräder 21,7 23,1 19,95 18.550 = Z p2a 14.840 Z H1,3 -112 - Zähne Hohlräder 1, 2 und 3 78,4 77 80,15 = Z H2 Drehzahl [1/min] Abtriebe Drehzahl [1/min] Umfangsgeschwindigkeit [m/s] F A1 270 mm Frässcheiben- 5.134 23,1 F Durchmesser A2 285 mm 24,4 F B 300 mm 4.107 -20,5 i 1,3 -2,24 - Übersetzung ins langsame der Planetensätze 1 und 3 i 2 2,8 - Übersetzung ins langsame des Planetensatzes 2 Abmessungen b total 150 mm Breite über alles d max 130 mm Maximaler Durchmesser (ohne Frässcheiben) 44 antriebstechnik 2022/07 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 04 Größenverhältnisse 05 Funktionstest und Einbau des bestückten Getriebes 06 Versuch aufgeschoben, auf die im Wechsel die Abtriebe samt Hohlrad über jeweils zwei Radialkugellagersitze folgen. Abschließend wird das Getriebe über drei lange Schrauben, die vorbei an den Planetenrädern durch alle Gehäuseteile geführt werden, verspannt. Bild 03 zeigt die Montage des realen Getriebes. Diese Form der geteilten Gehäuse-Konstruktion und Montage ist nur dann möglich, wenn die Teilkreisdurchmesser der Hohlräder konstant bleiben. Über mehrere Passstifte werden die einzelnen Gehäusesegmente rotatorisch bestimmt. Aus Gewichtsgründen sind alle Gehäusekomponenten aus hochfestem Aluminium (EN AW-7075) gefertigt. Dies senkt das Gesamtgewicht und sorgt für Korrosionsbeständigkeit. Das fertiggestellte Getriebe ist sehr kompakt (siehe Tabelle und Bild 04) und passt wortwörtlich in eine Hand. PROTOTYP Für einen ersten Funktionstest wurde das Getriebe über ein Dreibacken-Drehfutter eingespannt und mit einer mittleren Drehzahl beaufschlagt. Auf Bild 05 sind die Außengewinde auf den Abtrieben 1 und 3 gut zu erkennen. Über ein eingefrästes Profil können die Frässcheiben auf die Abtriebe aufgeschoben und mit einer Mutter fixiert werden. Die gegenläufige Frässcheibe in der Mitte (Abtrieb 2) wird über eine Art Bajonettverschluss über zueinander zulaufende Seitenflanken durch Klemmwirkung mit dem Getriebe verbunden. Entscheidend für den Betrieb des Getriebes ist die Eingangsdrehrichtung. Entsprechend der Drehrichtung werden die Gewinderichtungen und die Öffnung des Bajonettverschlusses ausgerichtet. Im Anschluss an erste Vorversuche wurde der Prototyp auf einem eingehausten, automatisierten Prüfstand getestet. Bild 06 zeigt den für die Innenkantenbearbeitung ausgerichteten Prototypen und das Schnittergebnis nach dem Versuch. ERSTE ERKENNTNISSE Erste Versuchsergebnisse zeigen bei gegenläufigen Antrieben im direkten Vergleich zu gleichläufigen Antrieben einen bis zu 30 % niedrigeren Kraftaufwand pro Abtragsleistung3 insbesondere beim Eintauchen des Werkzeugs. Dies kann die Maschinenauslegung und den Werkzeugverschleiß positiv beeinflussen. Zugleich steigt die Vorschubkraft, was allerdings von der Verteilung und Anzahl der Frässcheiben sowie von der jeweiligen Abtragstiefe abhängt: Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Frässcheiben steigt die Vorschubkraft bei 5 mm Abtragstiefe um ca. 10 N an. Bei einer Abtragstiefe von 15 mm um ca. 20 N. 3 Abtragsleistung ist der Volumenstrom des abgetragenen Betons in cm³/s; bezogen auf den Kraftaufwand ergibt sich eine normierte Größe des Kraftaufwands pro Abtragsleistung (N*s)/cm³. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Das neu entwickelte Naben-Getriebe macht es möglich, auf kleinem Bauraum mit lediglich einem Antrieb Werkzeuge mit hohen Drehzahlen in gegenläufigen Drehrichtungen zu betreiben. Durch das geteilte Gehäuse-Design ist das Getriebe sowohl axial als auch radial skalierbar. Die gegenläufige Rotation wird dabei durch drei Planetensätze mit starren Planetenträgern (mittleres Umlaufgetriebe mit Planetenradpaaren) realisiert. Die Sonnenräder werden angetrieben, die Abtriebe verlaufen radial über die Hohlräder. Mögliche Anwendungsbereiche sind neben der Dekontamination in Kernkraftwerken auch konventionelle Abtragsarbeiten, bspw. der flächige Abtrag von Asbestfasern oder auch großflächige Beton- und Straßenbelags-Fräsarbeiten. Die Untersuchung des neuartigen, gegenläufigen Fräsprozesses ist Bestandteil der Forschung. Literaturverzeichnis: Dietrich, P. (2019). Masterthesis: „Untersuchung, Analyse und Vergleich der aktuellen Techniken zum Rückbau von Kernkraftwerken unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten“. Labor für Maschinenkonstruktion und Produktentwicklung – HTWG Konstanz, Baden Württemberg, Deutschland. Ruoss, F. (Dezember 2016). Zahnradberechnung für Ravigneaux-Planetengetriebe. (Antriebstechnik e.V., Hrsg.) Antriebstechnik (19174), S. 62-66. DER AUTOR Philipp Dietrich, M.Eng., am Labor für Maschinenkonstruktion und Produktentwicklung der HTWG Konstanz bei Prof. Dr.-Ing. Dr.sc.agr. Kurt Heppler www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2022/07 45