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Leise und langlebig auch bei hoher Radialbelastung:
Planetengetriebe mit doppelt gelagerter Abtriebswelle
- Bild 1: Performax® HRL zweistufig, der Trägerkäfig wird durch zwei Kugellager exakt geführt
In vielen Geräten sorgen heutzutage Kleinmotoren für Bewegung. Ihre hohe Leistung wird mit hohen Drehzahlen erkauft, daher sind Getriebe zur passenden Drehzahlreduzierung notwendig. Als kompaktes und langlebiges Bauelement hat sich dabei das Planetengetriebe in vielen Bereichen durchgesetzt. Ein Nachteil bei dieser Lösung ist die herkömmliche Lagerung der Abtriebswelle. Aufgrund des kompakten Aufbaus ist die Welle meist nur auf der Abtriebsseite gelagert. Größere radiale Belastungen führen dabei zu einer Verkantung der Welle und damit des Planetenträgers mit den Planetenzahnrädern. Das bedeutet größeres Laufgeräusch und höheren Verschleiß in der Getriebeendstufe. Ein anderes Konstruktionsprinzip beseitigt dieses Manko. Zwei Lager mit größerem Abstand zueinander nehmen auch hohe Radiallasten auf, die auf dem dazwischenliegenden Planetenträger gelagerten Zahnräder sind so von der radialen Belastung entkoppelt. Zuverlässigkeit und Lebensdauer steigen, das Betriebsgeräusch nimmt ab.
Im Kleinapparate- oder Büromaschinenbau sind kompakte Antriebe gefragt. Hohes Drehmoment bei kleinstem Bauraum, Temperaturbeständigkeit, optimierter Wirkungsgrad und Geräuscharmut sind die wichtigsten Vorgaben. Hochleistungsplanetengetriebe erreichen im Vergleich zu Schnecken- oder Stirnradgetrieben hohe Untersetzungsleistung bei kompakten Abmessungen und geringstem Verschleiß. Die große Packungsdichte der ineinander angeordneten Zahnräder erlaubt große übertragbare Drehmomente bei geringsten Abmessungen. Eine angepasste Verzahnungsgeometrie vermeidet örtliche Überlastung und eine bessere Verteilung der auftretenden Kräfte auf die Zahnradflanken. Schädliche örtliche Spannungsspitzen sind so ausgeschlossen. Diese Vorteile in Verbindung mit einem kostengünstig zu fertigenden modularen Getriebeaufbau nutzt ZEITLAUF® für seine Performax®-Getriebe. Sie vereinen hohe Leistung und Laufruhe. Durch ein neues, in einem Zusatzmodul integriertes Lagerkonzept der Abtriebswelle können nun auch hohe Radiallasten ohne Lebensdauereinbuße aufgenommen werden.
Kompakt und stark
Die Getriebe bieten eine sehr große Leistungsdichte und eine exzellente Laufruhe bei Untersetzungen von bis zu 17:1 in einer Stufe. Sie ermöglichen den Einsatz von einstufigen Getrieben dort, wo andere Getriebekonzepte bereits zweistufig ausgelegt werden müssen. Bei zweistufigen Ausführungen können so Untersetzungen von bis zu i = 204:1 erreicht werden. Die Leistungsverteilung auf viele Planeten ist dabei günstig; zudem „bauen” die einzelnen Zahnräder und Planetenträger auch noch platzsparend „ineinander” und erhöhen so die Leistungsdichte. Da Planetengetriebe sehr kompakt sind, lassen sich mehrere Untersetzungsstufen auf engstem Raum aneinanderbauen. Am motorseitigen Eingang sind die Drehzahlen hoch und die Drehmomente gering. Mit jeder weiteren Stufe steigt aber die Belastung der Zahnflanken an. Die hochbelastete Endstufe wird daher bei großer Untersetzung und entsprechender Drehmomentbelastung mit nadelgelagerten Planetenrädern aus Stahl ausgestattet.
Manko Radiallast überwunden
Neben der Belastung durch das Abtriebsdrehmoment müssen Planetengetriebe vor allem auch Radialbelastungen an der Abtriebswelle aufnehmen können. Bei herkömmlichem Aufbau ist nur am Getriebeausgang eine Lagerung vorgesehen. So entsteht ein Kippmoment, welches zum Verkanten der Welle führt. Dadurch kippt auch die mit der Abtriebswelle verbundene Trägerscheibe, welche die Planetenräder führt. Die Planetenräder stützen sich einseitig im Hohlrad ab, ungleiche Belastung und ein unterschiedliches Laufspiel der Räder über den Umfang ist die Folge. Dadurch ergibt sich ein erhöhtes Laufgeräusch und eine geringere Lebensdauer. Gerade bei Medizin- und Büromaschinen oder gehobenem Servicegerät wie Türöffnern ist Laufruhe und Zuverlässigkeit der verbauten Antriebe erstes Gebot. In Druckern, Kopierern oder Scannern und anderen Einsatzbereichen von Kleinmotoren setzt der Konstrukteur gerne auf laufruhigen Riemenantrieb oder Reibräder. Um aber die Antriebsleistung schlupffrei übertragen zu können, sind vergleichsweise hohe radiale Vorspannkräfte nötig. Diese führen dann zu einem höheren Laufgeräusch und vorzeitigem Getriebeverschleiß.
- Bild 2: Diagramm Radiallasten/Drehzahl; hohe Lebensdauer auch bei großer Radiallast
Der Antriebsspezialist mit über 50-jähriger Erfahrung auf dem Gebiet des Getriebebaus hat nun speziell für diese Anwendungsfälle eine neue Getriebe-Endstufe mit doppelter Lagerung der Ausgangswelle entwickelt. Die Performax® HRL (High Radial Load) Komponente lässt sich als Erweiterungsbaustein in Verbindung mit der Performax® Baureihe einsetzen. Basis ist ein robuster Trägerkäfig, der die Planetenräder der letzten Getriebestufe exakt führt. Der kraft- und formschlüssig mit der Abtriebswelle verbundene Käfig ist nicht nur abtriebsseitig gelagert. Auch auf der Antriebsseite wird der Käfig durch ein weiteres Kugellager zentriert (Bild 1). Dank des so erhöhten Lagerabstandes und der fliegenden Lagerung der Planetenräder sind drehzahlabhängig bis zu viermal höhere Radialkräfte gegenüber der bisherigen Lagerausführung zulässig. Je nach Drehzahl werden Radialkräfte bis zu 2000 N problemlos verkraftet (Bild 2).
- Bild 3: Zweistufige Ausführung, der Erweiterungsbaustein lässt sich mit allen Performax®-Stufen kombinieren
Um die auftretenden radialen Kräfte sicher zu beherrschen und die Abtriebsstufe bei gleichen Abmessungen in die Performax®-Baureihe zu integrieren, wird der Trägerkäfig, das Getriebegehäuse mit Hohlrad und die als Lagersitz ausgebildete HRL-Zwischenstufe aus stabiler Zinkdruckgusslegierung hergestellt. Gleichzeitig erhöht die beidseitige Einspannung der nadelgelagerten Planetenräder bei gleichen Abmessungen die Überlastsicherheit gegenüber der Normalausführung. Trotzdem stehen die Hochlastgetriebeausführungen selbst bei Maximallast den bekannten Leiseläufern in puncto Laufruhe in nichts nach. Im Gegenteil, unter Radiallast arbeiten sie sogar leiser als die Standardgetriebe. Die so drastisch gesteigerte Radial-Lastaufnahme benötigt dabei nur wenig zusätzlichen Platz. Der Außendurchmesser des Getriebes bleibt dabei mit 63 mm genau so klein wie bei den Standardausführungen. Lediglich die Baulänge der HRL-Endstufe ist mit 67,2 mm etwas größer und exakt so lang wie die bisherige zweistufige Standardausführung (Bild 3). Die zweistufige HLR Ausführung entspricht in der Baulänge der dreistufigen Normalausführung. Die Schnittstelle zur Kundenapplikation bleibt dabei gleich.
Die neue Hochlastgetriebestufe bietet dem Anwender mehr Möglichkeiten. So können kompakte Antriebe für Förder- oder Türtechnik, Büromaschinen und Reprotechnik noch leiser und zuverlässiger als bisher ihren Dienst verrichten. Hohe Überlastsicherheit und geringster Verschleiß auch bei großer Belastung senken Reparatur und Wartungskosten. Das geringe Betriebsgeräusch verbessert den Bedienkomfort in geräuschempfindlicher Umgebung. Die leisen Antriebsmodule verrichten auch unter hoher Radialbelastung zuverlässig ihren Dienst.
Text: Dipl.-Ing. (FH) Friedrich Obermeyer, Leitung Entwicklung/Konstruktion bei Firma ZEITLAUF® GmbH antriebstechnik & Co KG, Dipl.-Chem. Andreas Zeiff, Redaktions Büro Stutensee
