Text: 26.Juli 2007

Das Winkelgetriebe EtaCrown von Zeitlauf setzt neue Standards in Laufruhe, Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz.

Die Firma Zeitlauf antriebstechnik GmbH & Co KG wurde im Jahre 1957 gegründet. Die Produktion, die mit Zeitschaltuhren begann, entwickelte sich zu einer breiten Produktpalette von Stirnrad-, Winkel- und Planetengetrieben sowie individuelle Sonderlösungen. Heute ist das mittelfränkische Technologieunternehmen eines der führenden Unternehmen im Bereich der Antriebstechnik. Insbesondere die starke Ausrichtung auf kundenspezifische Lösungen und individuelle Entwicklungen zeugen von der hohen Engineeringkompetenz. Basierend auf einer stark anwendungsbezogenen Philosophie anvancieren solche Individuals immer wieder zu branchenweiten Standards.
Mit der Entwicklung des intelligenten EtaCrown-Winkelgetriebes mit Kronenradtechnologie wird das Unternehmen dem steigenden Bedarf an laufruhigen und leistungsstarken Antrieben mit hohem Wirkungsgrad gerecht. Die Beauftragung eines Marktforschungsinstitutes bestätigte die eigenen Recherchen. Zeitlauf belegt als einziger im Markt mit dem EtaCrown-Getriebe dieses Segment, das damals wie heute großes Wachstum verspricht. Für Thomas Horz, Geschäftsführer bei Zeitlauf, steht fest: „Wir haben uns sehr ausführlich mit Markt- und Zukunftsanalysen beschäftigt, um alle notwendigen Anforderungen bei den möglichen Anwendungen abzudecken. Vor allem haben wir aber mit großer Intensität und hohem Anspruch dieses Projekt vorangetrieben. Damit werden wir auch hier unserer Philosophie gerecht, mit einer intensiven Auseinandersetzung hervorragende Lösungen mit einer absoluten Zielorientierung zu generieren. Das Ergebnis einer dann doch langen Entwicklungszeit bietet uns hervorragende Chancen. Wir würden in jedem Fall – vorausgesetzt die Marktchancen sähen heute genau so gut aus wie damals – die Entscheidung in gleicher Weise wieder fällen.“

Die ersten Schritte
Bei der Auslegung seiner Getriebe setzt das Unternehmen vor allem auf Energieeffizienz und auf signifikante Verbesserungen der Laufruhe sowie der Einzigartigkeit in wirtschaftlicher Produktion, auf die Verlängerung der Lebensdauer und auf ein sehr gutes Preis-/Leistungsverhältnis. Die höhere Leistungsfähigkeit und der bessere Wirkungsgrad erlauben den Einsatz kleinerer Motoren und garantieren enorme Energieeinsparungen. Eigenschaften, die in diesem Markt höchste Priorität haben. Mit EtaCrown eröffnete sich zudem ein ungeheures Marktpotenzial, da bisher keine Getriebebaureihe der Planradgetriebe in dieser Form existierte.

Die Herausforderungen aus entwicklungs- und konstruktionstechnischer Sicht, die zu Beginn des Projektes existierten, bestanden aus der komplexen Kinematik. Bis zu diesem Zeitpunkt waren im gesamten Markt keine ausgereiften Auslegungstools und Fertigungsmittel vorhanden. Zudem existierte keine Geometrieberechnung für kleine Zähnezahlen und für schrägverzahnte Eingriffe. Darüber hinaus beruhte die Berechnung der Festigkeit auf den Verhältnissen bei Kegelrädern. Für Zeitlauf bedeutete dies: Absolute Priorität in das Projekt zu setzen und federführender Entwickler für diese komplexe Aufgabe zu sein. Weiter bedeutete dies höchste Ansprüche bei der Auswahl anerkannter Spezialisten und namhafter Institute zu legen, die in Gemeinschaftsprojekten zur Kinematiksimulation, Geometrieberechnung, Lebensdauerermittlung, Messtechnik sowie Fertigungs-/Montagetechnik das Projekt in Teamarbeit unterstützt haben.

Zur richtigen Zeit mit dem richtigen Produkt am richtigen Ort
Seit über 30 Jahren entwickelt und produziert die Firma Gebr. Bode GmbH & Co. KG elektrische und pneumatische Fahrzeugtürsysteme. Mit internationalen Produktionsstandorten in Deutschland, China, Griechenland, Polen und der Türkei ist das Unternehmen für alle Fahrzeughersteller präsent und realisiert Kundenprojekte auf der ganzen Welt. Im Jahr 2005 wurde mit der Entwicklung einer neuen Antriebsgeneration für Türantriebe in Schienenfahrzeugen begonnen. Die Anforderungen: Entwicklung einer drehbar gelagerten Winkelgetriebe-Motor-Einheit bei möglichst geringem Bauraum, niedrigen Kosten und minimaler Geräuschentwicklung. Zeitlauf hatte ein sehr konkretes und viel versprechendes Angebot als Systemlieferant abgegeben, so dass der Einsatz eines herkömmlichen Kegelradgetriebes für die Fa. Bode nicht mehr in Frage kam. Es war klar, dass ein Winkelgetriebe mit Kronenradgetriebe von Zeitlauf die optimale Lösung darstellen würde. Gemeinsam wurde ein Lasten- und Pflichtenheft für das gesamte System Winkelgetriebe-Motor-Einheit mit integriertem Inkrementalgeber definiert und die Prototypen-Einheiten in intensiver Entwicklungsarbeit verifiziert. Das gesamte Konzept basiert auf dem Einsatz in Türantrieben für Schienenfahrzeuge. Dieser Bereich spezifiziert Umweltbedingungen von Temperaturen zwischen -40°C bis 80°C sowie hohe Vibrations- und Schockbeanspruchungen nach DIN 61373. Zeitlauf entwickelte ein Konzept, das sich auf eine Winkelgetriebe-Motor-Einheit anstatt wie bisher auf eine Motor-Planetengetriebeeinheit stützte. Unter anderem war eine der essentiellen Anforderungen des Konzeptes, das Drehmoment an der Winkelgetriebeeinheit an zwei Stellen abzunehmen. Eine Lösung, die schließlich sogar patentiert wurde.

Die größte Herausforderung bestand darin, das Drehmoment jeweils an der Abtriebswelle des Winkelgetriebes als auch an der Eingangswelle des Winkelgetriebes abzufordern. Weiter entscheidend war die Rücktreibbarkeit der Einheit für die Kasseler, wodurch ein leichtes Verschieben des Türsystems im Notfall von Hand, und ohne aufwändige Entkopplungsmechanismen, gewährleistet wird. Da das maximale Drehmoment nicht nur an der Abtriebswelle des Winkelgetriebes abgenommen werden sollte, wurde dem Winkelgetriebe ein drehbar gelagertes Planetengetriebe vorgeschaltet, das bereits das geforderte Drehmoment an der Eingangsseite des Winkelgetriebes erzeugte. Eine einfache wie auch geniale Idee, hochwertige Getriebekomponenten miteinander zu kombinieren. Mit einer maximalen Untersetzung von 1,5:1 wurde zudem eine optimale Rücktreibbarkeit sichergestellt. Die Neuentwicklung von Zeitlauf eröffnete der Firma Bode neue Wege im Türantriebsbau. Es wurden die Anforderungen, den Bauraum deutlich zu reduzieren, sogar übertroffen.

Die Entwicklung der gesamten Winkelgetriebe-Motor-Einheit mit integriertem Inkrementalgeber startete Ende 2005 und wurde bereits im August 2006 abgeschlossen. Die Testreihen zu Lebensdauer, Klima sowie Vibrationen in Türsystemen absolvierte die Getriebeeinheit mit ausgezeichneten Ergebnissen. Und das Getriebe EtaCrown konnte erfolgreich in Serienproduktion gehen. „Für uns war schnell klar, dass Zeitlauf der richtige Partner für eine so komplexe Entwicklung einer neuen Getriebeeinheit war. Es stimmte einfach alles. Und wir haben mit unserer Einschätzung Recht behalten. Zeitlauf hat sich im gesamten Projektverlauf als kompetenter und innovativer Entwickler bewiesen und hat mit seiner hohen Engineeringkompetenz auf der ganzen Linie überzeugt“, so Andreas Pellegrini, Entwickler bei Gebr. Bode GmbH & Co. KG.

Kooperationsprojekte mit namhaften Partnern
Das Projekt „EtaCrown“ hatte für Zeitlauf während des gesamten Entwicklungsprozesses wegen der enormen Komplexität höchste Priorität. Um den hohen eigenen Ansprüchen und auch denen des Marktes gerecht zu werden, startete der innovative Getriebehersteller zur Entwicklung und Markteinführung der Winkelgetriebebaureihe verschiedene Kooperationsprojekte mit namhaften sowie leistungsfähigen Instituten und Unternehmen. Gemeinsam mit den Wissenschaftlern der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) in Aachen wurde eine Software zur Berechnung der Geometrie, der Überdeckung und der Festigkeit entwickelt.
Bedingt durch die komplexe Kinematik gab es bis dato keine verifizierte Berechnungsmöglichkeit. Dies wurde im Forschungsprojekt erarbeitet und mittels bei Zeitlauf hergestellten Planrädern bewiesen. Zur Analyse folgte eine CAD-Simulation des Zahneingriffs mit und ohne Last in Zusammenarbeit mit dem Aachener Ingenieurbüro Isatec. Als Basis diente eine verifizierte Ritzelgeometrie und eine über Messnormale ausgeleitete Istgeometrie eines Planrades. Die Aachener Ingenieurgesellschaft Esco entwickelte nach den Vorgaben von Zeitlauf die Software zur Beschreibung der Kronenradlücke, der Kontaktpunkte mit dem erzeugenden und dem abwälzenden Ritzel sowie die gesamte Kette zur Stoßradherstellung. Mit derselben Software konnten zudem die geometrischen Vorgaben zur Herstellung des Kronenrades erzeugt werden, da die bekannten Messmaschinen keine Kronenräder vermessen können. Die Bereitstellung der Sollgeometrie und eine intensive Auseinandersetzung ermöglichte den Bau einer 3D-Verzahnungsmessmaschine, mit der sich die Kronenradlücke vermessen ließ. Der Herstellungsprozess für das optimierte Kronenrad erfolgt auf dem Wege des Hochgeschwindigkeitsstoßens. Zeitlauf hat an allen Entwicklungsschritten entscheidend mitbestimmt und dazu eine eigene Maschine entwickelt. Die passenden Stoßmesser lieferte der Schweizer Werkzeughersteller Schnyder für diese außergewöhnlichen Kronenverzahnungen. Die wichtigste Voraussetzung für die Serienproduktion war die Qualität und Präzision der Kronenräder, die unter wirtschaftlichen Bedingungen hergestellt werden sollten. In Frage kam nur das Abwälzstoßen mit hoher Frequenz. Markterhältliche Maschinen erfüllten diese Anforderung nicht. Daher erfolgte diese Eigenentwicklung. Mit 6.000 Doppelhüben in der Minute leistet sie erheblich mehr, als dies bisher bei Verzahnungsprozessen möglich war. Neben den wirtschaftlichen Herstellungskosten bleibt genug Variabilität für verschiedene Untersetzungen sowie unterschiedliche Geometrien des Planrades sowie für die Integration der neuen Baureihe in den Getriebe-Baukasten von Zeitlauf.

Das Resultat ist ein ausgereiftes High-End-Produkt, das nach intensiver Entwicklungsarbeit auf hohem technischen Niveau auf dem Vormarsch ist. Die Funktionsweise und Bauart von EtaCrown bieten eine interessante Alternative zu Antrieben mit Schneckengetrieben oder Kegel-Stirnradgetrieben. Die Hauptmärkte bestehen in erster Linie in der Tür- und Fördertechnik und Medizin. Allerdings bietet der Einsatz von EtaCrown auch in anderen Branchen ausreichend Vorteile. Weitere Baugrößen nach unten und oben sind bereits in der Entwicklung. Thomas Horz sieht der Etablierung von EtaCrown auf dem Weltmarkt optimistisch entgegen: „Wir rechnen damit den Ausstoß, in den kommenden fünf Jahren jährlich auf  200.000 Einheiten steigern zu können. Das entspricht in etwa 8 Prozent des Marktvolumens für Schnecken- und Schneckenstirnradgetriebemotoren mit einer Abgabeleistung von 10 bis 250 Watt, den wir leisten können. Wie immer gehen wir davon aus, dass EtaCrown auf dem Antriebstechnik-Markt für neue Standards sorgen wird.“