Ohne Schnecke um die Ecke

Getriebe - Kronradgetriebe sind eine elegante Lösung zur Übertragung von Drehmomenten entlang nicht paralleler Achsen. Bisher verhinderte die aufwendige Fertigung eine weitere Verbreitung dieser Getriebeform. Ein jahrelanges Entwicklungsprojekt verspricht jetzt Fortschritte.

30. Mai 2007

Ein Bestandteil vieler Maschinen sind Winkelgetriebe zur Wandlung von Drehbewegungen und Drehmomenten entlang zweier nicht paralleler Achsen. Die gebräuchlichsten Bauprinzipien dazu sind Kegelrad- und Schneckengetriebe, die jedoch unterschiedliche Nachteile mit sich bringen. Eine alternative Möglichkeit bieten Kronradgetriebe, die die Drehmomente ohne Achsversatz übertragen und sehr ruhig laufen. Kennzeichen dieser Getriebe ist ein zylindrisches Ritzel mit gleichmäßiger Zahnbreite, das mit einem Planrad, dem so genannten Kronrad, zusammenwirkt, dessen Geometrie über die Zahnbreite variiert. Durch diesen Aufbau lässt sich das Ritzel entlang der Antriebsachse verschieben, ohne das Laufverhalten zu beeinflussen. Bei einem geradverzahnten Ritzel entstehen dabei auch unter Last keine axialen Kräfte. Eine besondere Abstützung des zylindrischen Ritzels ist also nur bei Schrägverzahnung erforderlich.

Obwohl dieses Bauprinzip schon vor Jahrhunderten etwa in Wind- und Wassermühlen zum Einsatz kam, finden sich Kronradgetriebe heute nur in wenigen Anwendungen, etwa bei Heimwerkergeräten oder in Hochleistungskupplungen im Fahrzeugbau. In mechanischen Armbanduhren dienen sie zudem als Teil der Hemmung. Eine weitere Verbreitung verhinderte bisher vor allem die aufwendige Fertigung der Kronräder durch spanende Verfahren wie Abwälzfräsen und Abwälzschleifen, die teuer und zudem patentrechtlich geschützt sind. Einen neuen Weg eröffnet jetzt das neue Kronradgetriebe EtaCrown des Antriebstechnikspezialisten Zeitlauf aus Lauf an der Pegnitz. Es ist das Ergebnis eines rund zehnjährigen Kooperationsprojekts mit Hochschulen, Softwarespezialisten und Werkzeugherstellern und kombiniert die Vorteile des Kronradgetriebes mit einem extrem hohen Wirkungsgrad, sehr ruhigem Lauf und einer langen Lebensdauer.

Anlass für das jahrelange Projekt war unter anderem die Tatsache, dass für kleine Zähne zahlen und für schrägverzahnte Eingriff e keine Geometrieberechnung existierte. Die Berechnung der Festigkeit beruhte zudem auf den Verhältnissen bei Kegelrädern. Die Franken wandten sich deshalb an Wissenschaftler der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) in Aachen, die eine Software zur Berechnung der Geometrie, der Überdeckung und der Festigkeit entwickeln sollten.

Zur Analyse der komplexen Kinematik folgte eine CAD-Simulation des Zahneingriff s mit und ohne Last durch das Aachener Ingenieurbüro Isatec. Als Basis diente eine verifizierte Ritzelgeometrie und eine über Messnormale ausgeleitete Istgeometrie eines Planrades. Entwickelt hatte die Software zur Beschreibung der Kronradlücke sowie der Kontaktpunkte mit dem erzeugenden und dem abwälzenden Ritzel die Aachener Ingenieurgesellschaft Esco. Dieselbe Software lieferte zudem die geometrischen Vorgaben zur Herstellung des Kronrades, da die bekannten Messmaschinen keine Kronräder vermessen können. Die Bereitstellung der Sollgeometrie in Form einer Vektorgrafik dagegen ermöglichte den Bau einer 3D-Verzahnungsmessmaschine, mit der sich die Kronradlücke vermessen lässt.

Hergestellt wird das optimierte Kronrad auf dem Wege des Hochgeschwindigkeitsstoßens. Im Vergleich zu spanenden Fertigungsverfahren bietet diese Technik eine hohe Variabilität bei relativ niedrigen Herstellkosten ohne aufwendige Sonderwerkzeuge und liefert zudem eine hohe und gleichmäßige Produktqualität ohne Beschränkungen von Lebensdauer und Laufruhe. Die passenden Stoßmesser entwickelte der schweizerische Werkzeughersteller Schnyder auf der Basis von Standardstoßrädern für Innenverzahnungen.

Das Resultat der jahrelangen Entwicklungskooperation ist eine Kronradgetriebereihe für Abtriebsleistungen bis 160 Watt mit einem Wirkungsgrad bis zu 96 Prozent und sehr ruhigem Lauf. Der hohe Wirkungsgrad reduziert nicht nur den Energieaufwand für Antrieb und Kühlung, sondern erlaubt zudem, die Größe des Antriebsmotors zu reduzieren. Gegenüber Schneckengetrieben reduziert das kompakte Design den notwendigen Bauraum um mehr als 30 Prozent. Da Motor- und Abtriebswelle des Getriebes in einer Ebene liegen, lassen sich die Antriebe zudem problemlos spiegelverkehrt einbauen. Dies bietet zum Beispiel Vorteile in der Türantriebstechnik, wenn zwei Antriebe gegenüberliegend eingesetzt werden. Für solche Einsatzfälle bietet das Getriebe zudem einen wichtigen Sicherheitsvorteil, da keine ungewünschte Selbsthemmung auftritt, sodass sich das Getriebe bei Stromausfall problemlos und ohne Zusatzbauteile zur Entkopplung manuell zurückdrehen lässt.

Zeitlauf-Geschäftsführer Thomas Horz freut sich, dass das neue Winkelgetriebe exakt im Jahr des 50-jährigen Firmenjubiläums präsentiert werden kann und ist überzeugt: Nach intensiver Entwicklungsarbeit werden wir mit EtaCrown auf dem Markt der Antriebstechnik für neue Standards sorgen - das gibt uns gleich doppelten Grund zum Feiern.

FAKTEN

¦ Die Zeitlauf GmbH in Lauf a. d. Pegnitz wurde 1957 als Hersteller von Zeitschaltuhren gegründet.

¦ Heute produziert das Unternehmen vor allem Getriebemotoren für eine Vielzahl von Anwendungen.

¦ Weit verbreitet sind die Antriebslösungen zum Beispiel in Aufzugs- und U-Bahn-Türen oder in Fotokopierern.

Friedrich Obermeyer, Zeitlauf/bt

Erschienen in Ausgabe: 04/2007