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Getriebeauslegung Harter Anschlag kein Grund für k. o. des Getriebes

| Autor / Redakteur: Hans-Erich Maul / Stefanie Michel

In manchen Fällen müssen motorisch angetriebene Getriebe am Abtrieb durch einen Anschlag begrenzt werden. Eine richtige Dimensionierung erlaubt es, die Getriebe an einem „harten Anschlag“ zu blockieren und trotzdem eine hohe Lebensdauer zu erreichen.

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Legt man Getriebe mit einem harten Anschlag, 
wie bei dieser Scheiben­wischeranwendung, entsprechend aus, 
erzielt man eine hohe 
Lebensdauer.
Legt man Getriebe mit einem harten Anschlag, 
wie bei dieser Scheiben­wischeranwendung, entsprechend aus, 
erzielt man eine hohe 
Lebensdauer.
(Bild: ©Britta Kromand - stock.adobe.com )

Ein harter Anschlag kann das System Getriebe entweder zerstören oder es zum Klemmen bringen. Manchmal hält das System den Belastungen aber auch unbeschädigt stand. Gerade in Anwendungen wie Scheibenwischer, Ventilbetätigungen im Maschinenbau oder Klappenschließsystemen müssen die Getriebe gegen einen harten Anschlag fahren, dennoch soll ihre Lebensdauer darunter nicht leiden. Deshalb will dieser Beitrag die Dimensionierung solcher Getriebesysteme betrachten.

Die Größe der am Anschlag entstehenden Kräfte ist von der Dimensionierung der Federkonstanten des Übertragungssystems, den Schwungmassen und dem Motorblockademoment abhängig. Sind die Massen im Verhältnis zum Motorblockademoment klein und das Getriebe genügend überdimensioniert, tritt keine Zerstörung ein. Dennoch kann das Getriebe klemmen, sodass der Motor mit dem relativ kleinen Startmoment nicht mehr in der Lage ist, das Getriebe aus der Klemmlage herauszufahren. Sind Softwarelösungen nicht möglich, muss durch Dimensionierung und Zusatzbauteile das Klemmen vermieden werden. Die Hauptproblematik in Versuchen mit koaxialen hochuntersetzenden Getrieben ist, dass das Klemmen oft nur gelegentlich auftritt.

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Getriebe kann in jeder Stellung blockiert werden

Zahnradgetriebe lassen sich vereinfacht auf ein Hebelgetriebe zurückführen. Die Hebellängen stellen die wirksamen Wälzkreisradien der Getriebe dar. Je nach Ausführung der Längen können einfache niedriguntersetzende beziehungsweise hochuntersetzende Getriebe entstehen.

Grundsätzlich ist zu unterscheiden,

  • ob das Getriebe immer nur in den Endstellungen des Abtriebs in den harten Anschlag fährt (Fall 1) oder
  • ob das Getriebe in jeder beliebigen Stellung am Abtrieb blockiert werden kann (Fall 2).

Sind es nur die Endstellungen, so kann durch geschickte Wahl eines Anschlages an einer Stelle des Getriebes mit niedrigem Drehmoment und niedriger Schwungmasse blockiert werden, ohne eine Verklemmung des Systems. Hier wird deshalb nur der zweite, schwierigere Fall behandelt.

Die Hebel (Zahnradgetriebe) gehen beim Fahren in den harten Anschlag in ein verspanntes, durchgeschlagenes Kniehebelsystem über. Die Größe der Verspannung hängt nun von den Hebelverhältnissen am Getriebe ab. Wirken das Motorblockademoment und das Bremsmoment der Schwungmasse an einem kleinen Hebelarm, so verspannt sich das Getriebe sehr stark und die Kniehebeltotlage ist sehr ausgeprägt. Sind wie bei den Exzentergetrieben, Akbargetrieben und Wolfromgetrieben die Antriebshebelarme sehr klein, wird die Verspannung umso größer.

Für das Verklemmen des Getriebes sind mehrere Parameter maßgebend:

  • Unterschied zwischen Motorblockademoment und Motorstartmoment,
  • Verhältnis der Schwungmasse des Getriebes zum Motorstartmoment,
  • Hebelarm, an dem das Motorlösemoment wirkt,
  • Versatz der Ebene des Angriffspunkts der Blockadekraft zum Antriebelement,
  • Hebelarm der Blockadekraft des verspannten Getriebes,
  • Anzahl der wirkenden Kniehebelsysteme,
  • Art der Verzahnung: bei Evolventenverzahnung für ins Langsame oder ins Schnelle gestaltet, bei Zykloidenverzahnung mit rollender oder gleitender Paarung der Verzahnungselemente.

Zusammenhang zwischen Getriebebauart und Klemmen

Planetengetriebe (Bild 1): Der Antriebshebelarm, an dem das Motormoment wirkt, ist relativ groß und damit das verspannte Kniehebelsystem in der Verspannung niedrig. Es stellt ein inneres Kniehebelsystem dar. Mehrstufige Planetengetriebe steigern die Verspannung des Kniehebelsystems mit der Stufenzahl gleichmäßig an. Dadurch klemmen diese Getriebe nicht und können ohne Weiteres vom Anschlag zurückgefahren werden. Diese Getriebe sind nicht selbsthemmend.

Wellgetriebe (Bild 2): Der Antriebshebelarm, an dem das Motorblockademoment wirkt, ist relativ groß und damit die Verspannung des Getriebes klein. Das Wellgetriebe stellt ein äußeres Kniehebelsystem dar, welches relativ leicht aus der Blockadestellung herausgefahren werden kann. Diese Getriebe sind nicht selbsthemmend.

Exzentergetriebe (Bild 3): Der Antriebshebelarm, an dem das Motormoment wirkt, ist klein und damit die Verspannung bei großer Schwungmasse groß. Diese gehen beim Fahren gegen den Harten Anschlag in eine Totlage und neigen zum Klemmen. Diese Getriebe erzeugen sehr hohe Kräfte, die von den Dehnungen und den Reibungsverhältnissen des Systems aufgefangen werden müssen. Bei sehr stabiler Bauweise ist es prinzipiell möglich, das Getriebe aus der Totlage wegen des an der kleinen Exzentrizität des Getriebes wirkenden großen Motordrehmomentes „herauszufahren“. Bei Exzentergetrieben mit Evolventenverzahnung kann die Verzahnung das Herausfahren aus der Klemmstellung begünstigen. Bei Zykloidenverzahnung können die Gleitpaarungen der Verzahnung rollend ausgeführt werden und dadurch das Klemmen verringern. Exzentergetriebe sind nur bei sehr kleinen Untersetzungen nicht selbsthemmend.

Akbargetriebe (Bild 4): Das Motormoment wirkt an der Exzentrizität des Antriebsexzenters. Diese Exzentrizität stellt wie beim Exzentergetriebe einen sehr kleinen Hebelarm dar, weshalb die Akbargetriebe sehr schnell verklemmen. Die Verspannung des Getriebes wird dadurch erhöht, dass die Angriffspunkte der Exzenterumfangskraft und der Blockadekraft in unterschiedlichen Ebenen versetzt angeordnet sind und an einem inneren und einem äußeren Kniehebelsystem wirken – in der Antriebsebene das innere, das äußere in der Abtriebsebene. Dann ist das Motordrehmoment nicht mehr in der Lage, das Getriebe aus der verklemmten Lage herauszufahren. Bezüglich der verwendeten Verzahnung gilt das Gleiche wie bei den Exzentergetrieben. Akbargetriebe sind selbsthemmend.

Wolfromgetriebe (Bild 5): Wie beim Akbargetriebe wirkt ein inneres und ein äußeres Kniehebelsystem, welches das Getriebe stark verspannt. Es fehlt aber im Gegensatz zum Akbargetriebe der kurze Hebelarm der Exzentrizität, an der das Motorlösemoment wirkt. Deshalb lassen sich die Wolfromgetriebe auch nur sehr schwer aus der verklemmten Stellung herausfahren. Wolfromgetriebe können selbsthemmend und auch nicht selbsthemmend gestaltet werden.

Gegenmaßnahmen gegen das Klemmen:

  • stabiler Leichtbau hält die Kräfte und Schwungmassen klein;
  • „weich“ und federnd gestalteter Anschlag: durch eine zusätzliche Feder, durch ein Festkörpergelenk, durch die federnde Gestaltung eines Getriebegliedes sowie durch Dämpfungselemente am Anschlagglied, um die Verspannung des Kniehebelsystems zu verringern.

Die gezeigten Untersuchungen ergeben, dass es möglich ist, bei richtiger Dimensionierung und Gestaltung der Getriebe an einem „harten Anschlag“ zu blockieren und trotzdem eine hohe Lebensdauer und Nachhaltigkeit zu erreichen.

* Hans-Erich Maul ist Geschäftsführer der Maul Konstruktionen GmbH in 52146 Würselen, Tel. (0 24 05) 4 08 16-50, info@maul-konstruktionen.de

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