Hohlwellen-Antriebe

Galaktische Kinematik

Die Profilierung rotationssymmetrischer Werkstücke ist eine der Kernkompetenzen von Profiroll Technologies. Mit der Integration des Galaxie-Antriebssystems von Wittenstein in seine Rollex-Verzahnungswalzmaschinen konnte das Unternehmen die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöhen, gleichzeitig die Prozessqualität bei kritischen Bauteilen deutlich verbessern und so unter dem Strich die Produktivität um bis zu 40 Prozent steigern.

Dynamisierte Zähne, die um ein Polygon herum gruppiert sind, kennzeichnen die neue Getriebe-Kinematik Galaxie von Wittenstein. (Bild: Wittenstein)

Profiroll Technologies im nordsächsischen Bad Düben gehört zu den ersten Adressen, wenn es darum geht, rotationssymmetrische Werkstücke mit Hilfe moderner Kaltmassivumformungstechnologien zu bearbeiten. Hierfür hat das Unternehmen mit dem Profil- beziehungsweise Verzahnungswalzen ein wirtschaftliches Produktionsverfahren entwickelt, das auf Wunsch als Maschine zusammen mit Walzwerkzeugen und Zuführsystemen als Komplettlösung ausgeliefert wird. „Bei der Baureihe Rollex handelt es sich um Maschinen für das Walzen von Kerb- oder Steckverzahnungen auf symmetrischen Wellen zum Beispiel für Automobilkupplungen“, erläutert Dr. Stephan Kohlsmann, Geschäftsführer von Profiroll Technologies. „Unser Kaltwalzverfahren für Verzahnungen basiert auf dem Rundrollenprinzip, bei dem zwei Rundrollenwerkzeuge per CNC-Vorschub in das Werkstück eindringen. Die Werkstücke werden zentriert im Arbeitsraum positioniert. Dann setzt der Walzschlittenvorschub ein. Die Werkzeuge auf den Schlitten dringen in das Werkstück ein und formen die gewünschte Verzahnung aus. Nachdem alle Profile ausgeformt wurden, wird das Werkstück wieder aus dem Arbeitsraum bewegt, um vom Bediener gewechselt zu werden.“

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Allerdings kam es bei bestimmten Verzahnungsteilen in Abhängigkeit von der Walzgeschwindigkeit zu starken Vibrationen im gesamten Antriebsstrang. „Bislang bedeutete dies, dass bei solchen Bauteilen die Walzgeschwindigkeit deutlich reduziert werden musste, um deren Qualität und Maßhaltigkeit zu gewährleisten“, blickt Dr. Kohlsmann zurück. Als ursächliches Problem identifizierten seine Ingenieure das bisher in den Maschinen eingesetzte Zykloidgetriebe, das bei hohen Trägheitsmomenten insbesondere hinsichtlich der Verdrehsteifigkeit die Anforderungen der Verzahnungswalzmaschinen nicht erfüllen konnte und die starken Schwingungen und Vibrationen im Antriebsstrang verursachte. „Für die Produktivität ist dies natürlich gar nicht gut“, bestätigt Dr. Kohlsmann, „aber mit dem Umstieg auf eine der anderen bislang üblichen Getriebebaufunktionen war es auch nicht getan.“ Dies änderte sich mit dem Galaxie-Antriebssystem schlagartig.

Eine neuartige Getriebegattung mit dynamisierten Einzelzähnen und ein neuentwickelter Hochleistungsmotor verschmelzen zu einer Hohlwellen-Antriebseinheit von höchster Leistungsdichte. (Bild: Wittenstein)

Beim Galaxie-Antriebssystem handelt es sich um eine hochkompakte Hohlwellen-Antriebseinheit – bestehend aus einem neu entwickelten Hochleistungsmotor und einer patentierten Getriebe-Kinematik, bei der den Entwicklern ein echter Paradigmenwechsel gelungen ist. Erstmals verzichtet ein Getriebe auf ein Zahnrad – stattdessen erfolgt die Drehmomentwandlung über dynamisierte Einzelzähne, die um ein unrundes 3er-Antriebspolygon mit Nadellagerung herum gruppiert sind und entlang der Innenverzahnung des Hohlrades geführt werden. Dieses Prinzip führt dazu, dass fast alle Zähne gleichzeitig am Zahneingriff beteiligt sind – im Gegensatz zu einigen wenigen bei anderen Getriebeausführungen wie Stirnrad, Planetenrad, Hypoidgetriebe, Harmonic-Drive-Prinzip, Exzentergetriebe mit Evolvente und eben Zykloidgetriebe. Hinzu kommt, dass die Verzahnungsgeometrie erstmals als logarithmische Spirale ausgeführt ist, wodurch der Zahneingriff nicht mehr wie bei Getrieben mit Zahnrädern als Linienkontakt erfolgt, sondern als Flächenkontakt.

FEM-Vergleichsberechnungen mit einem schrägverzahnten Planetengetriebe zeigen laut Wittenstein etwa, dass bei gleichem Hohlwellendurchmesser die neue Galaxie-Getriebekinematik 6,5-mal mehr tragende Zahnfläche aufweist. Hieraus resultieren unter anderem die bis zu 170-prozentige Leistungssteigerung bei der Drehmomentwandlung und die bis zu dreifach höhere Überlastsicherheit. Zudem soll sich beim flächigen Multizahneingriff der Galaxie-Kinematik ein hydrodynamischer Schmierfilm aufbauen – und dies auch bei höchster Momentenbelastung schon ab geringen Drehzahlen. Dies minimiert mechanischen Verschleiß und Abrieb und hält ein einmal eingestelltes Verdrehspiel über die Lebensdauer konstant.

Technologische Tür öffnet sich
Die Maschinenkonstrukteure von Profiroll gehörten zu den ersten, die sich vom grundlegend neuen Konzept im Dauereinsatz in ihren Rollex-Maschinen überzeugen konnten. Im Rahmen eines gemeinsamen Pilotprojektes arbeiteten sich die Ingenieure von Wittenstein zunächst tief in das Verzahnungswalzen ein. Dadurch war es möglich, den Prozess im Zusammenspiel mit dem Galaxie-Antriebssystem zu verstehen und ihn so zu modellieren, dass die technischen Vorteile qualifizierbar und quantifizierbar wurden. Nach der Integration des neuen Antriebssystems wurde die Bearbeitungsgeschwindigkeit in Tests mit ausgewählten kritischen Teilen nach und nach gesteigert und lag am Ende bei mehr als 120 Prozent des bisherigen Ausgangswerts. Musterrechnungen ergaben, dass selbst bei einer vorsichtigen, lediglich 1,5-fachen Steigerung der Prozessgeschwindigkeit eine Steigerung der Produktivität um 40 Prozent erreicht wird. „Dementsprechend erhöhte sich bei konstanter Nebenzeit die Zahl bearbeitbarer Werkstücke von 4 Teilen pro Minute auf 5,1 Teile pro Minute – also um 29 Prozent“, bilanziert Dr. Kohlsmann. 

„Die Integration in die Verzahnungswalzmaschinen von Profiroll Technologies demonstriert, wie das Galaxie-Antriebssystem zum Enabler für neue Maschinengenerationen werden kann“, erklärt Volker Sprenger, Vertriebsleiter für die Galaxie-Systeme bei Wittenstein. Während in dieser Applikation die Verdrehsteifigkeit maßgebend war, so könnten in anderen Aufgabenstellungen Leistungsmerkmale wie die dreifach höhere Tragfähigkeit, Verschleiß- und Spielfreiheit, die dynamische Positioniergenauigkeit, die dreifach verbesserte Überlastfähigkeit oder der exakte Gleichlauf den Ausschlag zugunsten von Galaxie geben. „Konstrukteuren und Ingenieuren öffnet sich mit dem Galaxie-Antriebssystem eine technologische Tür, die es ermöglicht, Maschinen komplett neu zu überdenken und Entwicklungssprünge hinsichtlich Produktivität, Präzision und Dynamik zu realisieren“, schließt Sprenger. cs

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