Krane und Hebezeuge Neue Möglichkeiten für Kleinsthebezeuge

Sicher, kompakt und preiswert, dazu der Wunsch stufenloser drehzahlvariabler Steuerung – Anforderungen an einen Kettenzug oder ein Kleinsthebezeug, die sich scheinbar gegenseitig ausschließen. Durch die Entwicklung eines selbstbremsenden Getriebes fand Abus Kransysteme eine Lösung.

Anbieter zum Thema

Klinkhammer Intralogistics GmbH

Baß Antriebstechnik GmbH

WITTENSTEIN SE

ABUS Kransysteme GmbH

Sicherheitstechnisch ist es unabdingbar, ein Hubwerkgetriebe so zu gestalten, dass ein ungewolltes Absacken der angeschlagenen Last wirkungsvoll verhindert wird. Es bedarf also einer mechanischen oder elektrischen Möglichkeit, die in der Last gespeicherte potentielle Energie zu halten. Wenn zusätzlich die Anforderung besteht, die Größe des Hubwerks so gering wie möglich auszuführen und zudem aus Preisgründen vornehmlich mit Bauteilen aus Großserienfertigungen gearbeitet werden soll, ist das Ziel mit konventionellen Mitteln zunächst nicht zu erreichen.

Dennoch sah das Pflichtenheft zur Entwicklung eines Kleinsthebezeugs beim oberbergischen Kranhersteller Abus Kransysteme GmbH die Kombination der scheinbar schwer vereinbaren Anforderungen eines sicheren, aber auch kleinen und preisgünstigen Hebezeugs vor. Weiterhin bestand der Wunsch, den zu entwickelnden Kettenzug stufenlos drehzahlvariabel zu steuern. Denn nur so konnte das angestrebte Marktsegment – Montagetätigkeiten und ambitioniertes Heimwerken – abgedeckt werden.

Für die Entwickler galt es also, verschiedene Motoren, Getriebe und Bremsen zu kombinieren und in Hinblick auf die Anforderung zu analysieren.

Hinzu kam der Wunsch, den Wirkungsgrad des Antriebs zu maximieren, was wiederum den Nutzungseigenschaften des Hebezeugs zu Gute kommen sollte - schließlich führt getriebeseitig ein erhöhter Wirkungsgrad zu geringerem Verschleiß durch Reibung und damit zu reduzierter Wärmeentwicklung, was sich positiv auf die maximale Einschaltdauer des Zugs auswirkt.

Völlig neues Antriebskonzept für Hebezeuge

Das üblicherweise in größeren Seil- und Kettenzügen genutzte Antriebskonzept schied von vorneherein aus. Die dreiphasigen Asynchronmotoren konnten zwar durch Polschaltung mit zwei verschiedenen Drehzahlen betrieben werden, stufenlose Drehzahländerung war und ist jedoch nach wie vor nur durch den Einsatz eines Frequenzumrichters möglich. Im Hinblick auf das Bestreben, einen preisgünstigen Kleinkettenzug zu bauen, schied diese Variante aus.

Bezüglich der Massenfertigung zeigte sich ein 230-Volt-Universalmotor als gangbare Alternative. Eine einfach zu realisierende Drehzahlregulierung durch eine Phasenanschnittsteuerung war nicht nur praktikabel, sondern auch preiswert. Dadurch konnte bei diesem Projekt allerdings die in herkömmlichen Kranen genutzte Bremssteuerung nicht zur Anwendung kommen. Normalerweise werden die Sternpunkte der beiden Motorwicklungen des Asynchronmotors, die sowohl im Haupt- wie auch im Feinhub Strom führen, zum Speisen eines 230-Volt-Einweggleichrichters genutzt, der eine elektromagnetische Bremse lüftet.

Auf eine vergleichsweise einfache Art und Weise wäre die Ermittlung des Bremszeitpunktes bei einem Universalmotor jedoch nicht möglich gewesen – zumindest nicht ohne eine aufwendige Regel- und Bremselektronik mit Drehzahlermittlung. Ein völlig neues Bremskonzept für Hebezeuge war also nötig.

Scheibenwischer – Basis eines neuen Bremskonzepts

Der Ansatz der Entwickler war sowohl pragmatisch wie simpel: Könnte nicht ein einfacher herkömmlicher Scheibenwischerantrieb aus dem Kfz-Bereich die Forderung erfüllen? Durch das Schneckengetriebe mit Selbsthemmung dieses Antriebssystems wäre schließlich keine separate Bremse nötig: Durch die Reibung im Inneren des Schneckengetriebes ist – selbst bei Drehmomenten durch angehängte volle Nennlast am Getriebeausgang - keine Bewegung des Schneckenrades möglich, weil die Reibkräfte an den Flanken der Zahnräder proportional zum aufgebrachten Moment sind.

Die Reibung kann nur durch ein Lösen der Verklemmung von der Antriebsseite her überwunden werden. Zudem ermöglicht ein Schneckengetriebe große Übersetzungen bei kleinen Abmessungen - eine weitere Forderung aus dem Pflichtenheft.

Schnell zeigte sich jedoch, dass mit Großserienantrieben aufgrund des geringen Wirkungsgrads kein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen war: Die immense Reibarbeit erzeugte einen starken Verschleiß und eine hohe Wärmeentwicklung. Getestete bauliche Veränderungen am Getriebe – eine Gratwanderung zwischen ausreichender Selbsthemmung auf der einen und geringer Reibung auf der anderen Seite – führten wiederum zum Sondergetriebe, das sich nicht für die Großserienfertigung eignete.

Getriebe mit selbstbremsender Charakteristik löst das Problem

Erfolgversprechender schien ein Getriebe mit selbstbremsender Charakteristik. Der Ansatz war eine Stirnrad-Getriebekombination mit Scheibenbremse und mechanischer Auslösung. Durch Betätigung von Kipphebeln im Inneren sollte die Bremse zu dem Zeitpunkt lüften, an dem ausreichend Moment am Antrieb anliegt.

Das Getriebe besteht aus einer gelagerten Getriebewelle, auf der das Antriebszahnrad sitzt. Es ist axial nicht verschiebbar, kann sich aber frei auf der Welle drehen. Auf dem Zahnrad sitzen eine Druckfeder und ein zweiteiliger Bremsbelagträger, der kraftschlüssig mit der Welle verbunden ist. Die ringförmige Bremsscheibe liegt zwischen den beiden Belaghälften und ist über Bolzen drehfest, aber axial verschiebbar am Gehäuse befestigt.

Die eigentliche Kraftübertragung vom frei drehenden Antriebszahnrad auf die Bremse und somit auf den Abtrieb findet durch die Kipphebel statt, die beide Bauteile miteinander verbinden. Eine Seite der Kipphebel wird in drei radial angebrachte konische Bohrungen in der Zahnradstirnfläche eingesetzt, die andere, stempelförmig ausgebildete, endet genau zwischen den Bremsbelagträgern.

Im Stillstand, also ohne anliegendes Moment am Antrieb, liegen die Kipphebel parallel zur Getriebewelle. Die Druckfeder zwischen Zahnrad und Bremskörper drückt in diesem Zustand mit der nötigen Haltekraft über die Bremsbeläge auf die Bremsscheibe, um die Bremse geschlossen zu halten. Da die Bremseinheit im späteren Getriebe am Anfang des Kraftflusses angeordnet ist, liegen im Vergleich zum Lastmoment am Abtrieb nur kleine Momente und Kräfte vor.

Motor-Getriebekombination mit hohem Wirkungsgrad

Sobald der Läufer des Universalmotors in Rotation versetzt wird, übt er ein Moment auf das Zahnrad aus. Genau zu diesem Zeitpunkt kippen die Kipphebel in den konischen Löchern radial weg. Durch die Stempelform üben sie so nach dem Hebel-Prinzip eine Kraft zwischen den beiden Bremsbelagträgern aus und pressen sie gegen die Federkraft auseinander. Die Haftreibung lässt nach, die Bremse ist gelöst. Der Kraftfluss verläuft jetzt vom Zahnrad über die Kipphebel auf den doppelten Bremsbelagträger, der formschlüssig mit der Welle verbunden ist.

Da die Bremse mechanisch durch das eingeleitete Moment gelüftet wird, lässt die Haltekraft genau dann nach, wenn ausreichend Moment zur Verfügung steht, um die Last zu heben. Der Wirkungsgrad einer solchen Motor-Getriebekombination hat sich als deutlich höher herausgestellt als der eines selbsthemmenden Getriebes, was somit zu geringem Verschleiß, weniger Abwärme und damit verbundener kleinerer Dimensionierung der Baugruppen führte.

Geringe Einbußen des Wirkungsgrads im unteren Teillastbereich sind für die Auslegung des Getriebes unerheblich, da die Dimensionierung auf den Volllastbetrieb abgestimmt ist. Die Leistung eines solchen Getriebes stellte sich mehr als ausreichend heraus. Besonders im niedrigen Drehmomentbereich liegt die Leistung deutlich über der eines selbsthemmenden Getriebes.

Neue Produktentwicklung mit Standardkomponenten

Mit der Lösung des Bremsproblems begann bei Abus die Entwicklung des Kleinstkettenzugs Abucompact. Sowohl für Motor und Getriebe, als auch für die stufenlose Drehzahlsteuerung in Form einer Thyristorschaltung, konnte auf Standardbauteile zurückgegriffen werden. Um einige Sicherheitsbauteile erweitert, ergaben sie einen Kettenzug mit sehr geringen Abmessungen in industrieller Qualität. Bei der Wahl der Bremsbeläge erwiesen sich die bisher eingesetzten Beläge in ihren Eigenschaften als hervorragend; ihre Lebensdauer liegt deutlich über der theoretischen Nutzungsdauer des Kettenzugs. Sowohl die Bremse, als auch die als Hubbegrenzung und mechanische Überlastsicherung eingesetzte Rutschkupplung sind wartungsfrei.

Der Hauptaspekt, die sicherheitstechnische Betrachtung des Bremssystems, galt somit als erfüllt: Bauartbedingt kann die Bremse nur dann lüften, wenn ein Drehmoment anliegt, das ausreicht, um die Last zu halten oder zu heben. Durchrutschen oder Absacken – sowohl beim Anfahren als auch beim Bremsen – sind ausgeschlossen. MM

(ID:209956)