Antriebssysteme für FTS

Andreas Mühlbauer,

Antrieb mit Anspruch

Fahrerlose Transportsysteme sollen schnell, energiesparend, leistungsstark und leise sein. Zudem muss das gesamte System möglichst kompakt ausfallen – und damit auch der Antriebsstrang. Die Schwarzwälder Getriebe- und Motorenhersteller Framo Morat und Dunkermotoren haben solche kompakte Antriebssysteme entwickelt und leisten somit einen Beitrag zu mehr Produktivität und Wirtschaftlichkeit.

© Bild: istock

Fahrerlose Transportsysteme (FTS) sind äußerst wirtschaftlich und produktiv. Beispielsweise verteilen sie kommissionierte Waren in weitläufigen Lager- und Speditionshallen. Die häufig als Automatic Guided Vehicle (AGV) bezeichneten Fahrzeuge dienen auch dazu, in Montage- und Fertigungshallen einzelne Bauteile und vorgefertigte Komponenten zu weiteren Montage- und Bearbeitungsstationen zu transportieren. Meist arbeiten sie autark. Mit ausgeklügelter Sensorik orientieren sie sich in der Umgebung. Ihre Fahrwege und -ziele sind in einem eingebauten Rechner programmiert und gespeichert. Die elektrische Leistung für den Fahrantrieb stellen im Fahrzeug mitgeführte Akkumulatoren bereit.

Besonders wirtschaftlich arbeiten die AGV, wenn sie lange Fahrwege und -zeiten ohne wiederholtes Aufladen der mitgeführten Energiespeicher erreichen. Das stellt besondere Forderungen an die Konstruktion und die Ausführung. Insbesondere müssen die Fahrzeuge und ihre Komponenten leicht und kompakt sein. Vom Antriebssystem fordern die Hersteller eine hohe Leistungsdichte und Energieeffizienz. Insbesondere in den zunehmend kleineren Shuttle-Fahrzeugen für Verteilsysteme in Warenlagern steht für die Antriebe nur wenig Bauraum zur Verfügung. Die üblichen Antriebseinheiten mit axial angereihten Elektromotoren und mehrstufigen Stirnrad- und Planetengetrieben lassen sich dort aufgrund ihrer Baulänge nicht integrieren.

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Den Forderungen der AGV-Hersteller entsprechend haben der Eisenbacher Getriebehersteller Framo Morat und der Bonndorfer Motorenhersteller Dunkermotoren ein besonders kompaktes Gleichstrom-Antriebssystem entwickelt und verwirklicht. Eine Besonderheit ist das von Framo Morat konzipierte Nabengetriebe. Wie Wolfgang Sühling erläutert, wird diese Getriebebauform erstmals in einem Fahrantrieb für AGV verwendet. Sühling leitet beim Eisenbacher Getriebehersteller die Entwicklung kundenspezifischer Antriebe. „Neben der kompakten Bauweise hat diese Getriebeausführung weitere entscheidende Vorteile, insbesondere für die in Shuttle-Fahrzeugen häufig eingebauten Rad- und Zahnriemenantriebe“, sagt er.

Steif und langlebig: Nabengetriebe von Framo Morat bewähren sich als Radantrieb für AGV durch die vorteilhafte Anordnung von Lagern sowie An- und Abtriebswellen. © (Bild: Framo Morat)

Getriebe und Lagerung müssen großen Lasten widerstehen
Bei konventionell ausgeführten Rad- oder Riemenantrieben, in denen eine Planetengetriebe- oder Stirnradgetriebeeinheit zum Einsatz kommt, wirken aufgrund der Lasteinleitung in die auskragende Welle große Radiallasten auf die Lagerung. Dem müssen die im Getriebe eingebauten Wälzlager widerstehen.

Die üblichen Wellenlagerungen mit Rillenkugellagern oder mit vorgespannten Kegelrollenlagern haben allerdings einige entscheidende Nachteile. „Bei eng hintereinander angeordneten Rillenkugellagern führen am auskragenden Wellenende wirkende Radiallasten zu hohen Lagerbelastungen. Aufgrund des Lagerspiels in Verbindung mit dem konstruktionsbedingt kurzen Lagerabstand kommt es außerdem zu einer Schrägstellung der Abtriebswelle und einzelner Getriebekomponenten, zum Beispiel der Planetenträger. Dadurch verschleißen die Getriebe rasch und gewährleisten nicht die geforderte Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Außerdem verursacht die Schrägstellung eine erhöhte Geräuschemission. Paarig vorgespannte Kegelrollenlager nehmen zwar problemlos größere Radiallasten auf, haben aber speziell im Teillastbereich größere Lagerverluste als Rillenkugellager. Zudem bauen sie größer und sind schwerer als Rillenkugellager“, erläutert Sühling weiter. Deshalb suchten die Getriebespezialisten im Schwarzwald nach einer Alternative zu den üblichen, am Elektromotor angeflanschten Stirnrad- und Planetengetrieben.

Die im Gleichstrommotor integrierte Elektronik ermöglicht eine Vernetzung der Antriebssysteme über unterschiedliche Feldbussysteme. © (Bild: Dunkermotoren)

Kompakte Bauform bewältigt Radialkräfte
Im nun realisierten Nabengetriebe nehmen Standard-Rillenkugellager die hohen radialen Lasten auf. „Die Bezeichnung dieser Getriebebauart weist schon auf die besonderen Konstruktionsmerkmale hin. Das komplette Getriebe lässt sich in einer schmalen Radnabe unterbringen“, sagt Sühling. Antriebs- und die Abtriebswelle sind bei dieser Getriebebauform koaxial ineinander angeordnet. Die radialen Kräfte werden über die Hohlwelle nahezu mittig zwischen den beiden Kugellagern eingeleitet. Der kleine Abstand zwischen den Kugellagern wirkt sich positiv auf die Biegesteifigkeit der hohlen Abtriebswelle aus. Diese biegt sich kaum durch.

Zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle überträgt ein Planetengetriebe die Drehmomente. Es sorgt für die erforderlichen Übersetzungsverhältnisse zwischen Antriebs- und Abtriebsseite. Diese betragen bei den angebauten, elektronisch angesteuerten DC-Motoren von Dunkermotoren meist zwischen 20 und 30. Wegen der nur unwesentlichen Schrägstellung des Planetenträgers läuft das Getriebe sehr geräuscharm.

Wegen ihrer kompakten Bauweise und ihres hohen Wirkungsgrads eignen sich aus Gleichstrommotoren sowie Kegelrad- und Nabengetrieben aufgebaute Antriebssysteme für mobile Anwendungen. © (Bild: Dunkermotoren)

Hoher Wirkungsgrad und Effizienz
Um das gesamte Antriebspaket besonders kompakt auszuführen, verbindet ein Kegelradgetriebe den DC-Motor mit der Eingangswelle des Nabengetriebes. „Mit dieser Kombination realisieren wir kleinen Bauraum und hohe Energiedichte“, sagt Stefan Tröndle, Product Manager bei Dunkermotoren in Bonndorf. „Aus der Kombination unserer bürstenlosen, elektronisch angesteuerten DC-Motoren mit über 90 Prozent Wirkungsgrad und den sehr leichtgängigen, verlustarmen Kegelrad- und Planetengetrieben verwirklichen wir für das komplette Antriebssystem einen sehr hohen Wirkungsgrad und somit eine hohe Energieeffizienz. Damit trägt dieses Antriebssystem entscheidend dazu bei, dass die Shuttle-Fahrzeuge besonders wirtschaftlich arbeiten.“

Die Antriebseinheiten werden nach individuellen Forderungen der FTS-Hersteller konfiguriert. Dabei sorgt das Baukastensystem für kurze Lieferzeiten und wirtschaftliche Investitionen. Aus standardisierten, modularen Komponenten kombinieren die beiden Antriebshersteller das jeweilige Antriebssystem. Dunkermotoren bietet dafür elektronisch kommutierte DC-Motoren der Baureihe BG. Je nach Ausführung arbeiten diese mit 10 bis 24 V Gleichspannung. Bei 24 V Versorgungsspannung stellen sie auf Dauer 1.100 W Antriebsleistung bereit, kurzzeitig erreichen sie bis zu 2.600 W.

Neben den Ausführungen mit integrierter Kommutierung gibt es auch Varianten mit eingebauter Drehzahlregelung oder mit Positionierelektronik. In der Elektronik lassen sich beispielsweise komplette Fahrprofile speichern. Für die Datenkommunikation mit übergeordneten Steuerungen sorgen CANopen, Profibus oder EtherCAT. Als modulare Komponenten bietet Dunkermotoren die passenden Bremsen. Optional steht die Funktion Safe-Torque-Off (STO) zur Verfügung. Das gewährleistet einen sicheren Betrieb der Antriebe, um in kritischen Situationen Gefahren für Sachen und Personen zu vermeiden. Die von Framo Morat konzipierten Nabengetriebe basieren auf Getriebebauteilen der Standardbaureihen mit nominalen Abtriebsdrehmomenten von bis zu 350 Nm. Die Außenkontur der Abtriebswelle sowie die Drehmoment- stütze gestaltet der Eisenbacher Getriebehersteller individuell entsprechend der Forderungen der Auftraggeber, beispielsweise mit einer Standardverzahnung für Zahnriemen, mit einer kundenspezifischen Welle-Nabe-Verzahnung oder als glatte Welle mit Flanschbohrungen für eine Radfelge.

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