Keine Vibrationen bei hohen Geschwindigkeiten

Bei der Baureihe Rollex handelt es sich um Maschinen für das Walzen von Kerb- oder Steckverzahnungen auf symmetrischen Wellen. Mit dem neuen Antriebssystem gehören ungünstige Vibrationen der Vergangenheit an. Profiroll Technologies

Um rotationssymmetrische Werkstücke mit moderner Kaltmassivumformtechnik zu bearbeiten hat Profiroll Technologies ein wirtschaftliches Produktionsverfahren mit Profil- und Verzahnungswalzen entwickelt. „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 der Profiroll Technologies. Das 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.

Vibrationen im Antriebsstrang als Produktivitäts-Bremse

Bei bestimmten Verzahnungsteilen kam es jedoch bei hoher 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 Ursache identifizierten seine Ingenieure das bisher in den Maschinen eingesetzte Zykloidgetriebe, das bei hohen Trägheitsmomenten nicht verdrehsteif genug blieb und so die starken Schwingungen und Vibrationen im Antriebsstrang verursachte. „Für die Produktivität ist dies natürlich gar nicht gut“, erläutert Dr. Kohlsmann, „aber mit dem Umstieg auf eine der anderen bislang üblichen Getriebebaufunktionen war es auch nicht getan.“ Das hat sich mit dem Einsatz des Galaxie Antriebssystems geändert.

Im Antriebssystem verschmelzen eine neue Getriebegattung mit dynamisierten Einzelzähnen und ein neu entwickelter Hochleistungsmotor zu einer Hohlwellen-Antriebseinheit mit hoher Leistungsdichte. Wittenstein

Dynamische Einzelzähne machen den Unterschied

Beim Galaxie Antriebssystem handelt es sich um eine kompakte Hohlwellen-Antriebseinheit – bestehend aus einem neu entwickelten Hochleistungsmotor und einer neuen und patentierten Getriebe-Kinematik. Das Getriebe verzichtet auf ein Zahnrad – stattdessen erfolgt die Drehmomentwandlung über dynamisierte Einzelzähne, die um ein unrundes Dreier-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 als logarithmische Spirale ausgeführt ist, wodurch der Zahneingriff nicht mehr, wie bei Getrieben mit Zahnrädern, als Linienkontakt erfolgt, sondern als Flächenkontakt. FEM-Vergleichsberechnungen (Finite Elemente Methode) mit einem schrägverzahnten Planetengetriebe zeigen, dass bei gleichem Hohlwellendurchmesser die neue Getriebekinematik 6,5-mal mehr tragende Zahnfläche aufweist. Hieraus resultieren die bis zu 170%ige Leistungssteigerung bei der Drehmomentwandlung und die bis zu dreifach höhere Überlastsicherheit. Zudem baut sich beim flächigen Multizahneingriff der Kinematik ein hydrodynamischer Schmierfilm auf –auch bei hoher Momentenbelastung ab geringen Drehzahlen. Dies verringert mechanischen Verschleiß und Abrieb und hält ein einmal eingestelltes Verdrehspiel über die Lebensdauer konstant. Zusätzlich ist das Antriebssystem leise und bleibt es auch bei hoher Belastung.

Dynamisierte Zähne, die um ein Polygon herum gruppiert sind, kennzeichnen die neue Getriebe-Kinematik. Wittenstein

Spielfreies Getriebe

Um den Faktor 5,8 höher ist die Verdrehsteifigkeit des Antriebssystems im Vergleich mit anderen Getriebegattungen. Das Konstruktionsprinzip der Getriebe-Kinematik macht dies möglich. Zwischen dem Zahnträger und der Innenverzahnung des Hohlrades ist nur ein kleiner Spalt vorhanden. Durch diesen kurzen Abstand gibt es kaum noch eine Biegelänge. Zudem verbessern die Zähne – durch ihre zylindrische Führung im Zahnträger – von selbst ihre Ausrichtung und das Eingreifen in die Innenverzahnung. Dadurch wird prinzipbedingt eine optimale Breitenlastverteilung erreicht. Das Ergebnis: Ein völlig spielfreies Getriebe. Selbst bei Wechselbelastung im Nulldurchgang bleibt eine hohe Steifigkeit erhalten – ohne dass sich dabei die maximal übertragbaren Drehmomente reduzieren.

Die neue Getriebekinematik weist etwa 6,5-mal mehr tragende Zahnfläche auf als vergleichbare, schrägverzahnte Planetengetriebe. Hieraus resultiert eine Leistungssteigerung um 170 % bei der Drehmomentwandlung. Wittenstein

Bearbeitungsgeschwindigkeit gesteigert

Im Rahmen eines gemeinsamen Pilotprojektes arbeiteten sich die Ingenieure von Wittenstein zunächst in das Verzahnungswalzen ein. Dadurch war es möglich, den Prozess im Zusammenspiel mit dem Antriebssystem zu verstehen und ihn so zu modellieren, dass sich die technischen Vorteile qualifizieren und quantifizieren ließen. 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 % vom bisherigen Ausgangswert. Musterrechnungen ergaben, dass auch bei einer vorsichtigen, lediglich 1,5-fachen Steigerung der Prozessgeschwindigkeit die produktive Hauptbearbeitungszeit pro Teil um 40 % sinkt. „Dementsprechend erhöhte sich bei konstanter Nebenzeit die Zahl bearbeitbarer Werkstücke von vier Teilen pro Minute auf 5,1 Teile pro Minute – also um 29 %“, bilanziert Dr. Kohlsmann.

(mf)