Funktionen und Ermittlung von Anlagenteilen

Was Sie bei der Auslegung einer Spindelhubanlage berücksichtigen sollten:

1. Aufbau einer Anlage

Eine Spindelhubanlage besteht aus einem oder mehreren Hubelementen, gekoppelt über Verbindungswellen, Kupplungen und evtl. Verteilergetrieben und einem Motor. Typischer Einsatzfall sind verstellbare Theaterbühnen. Der Bühnenboden kann in der Höhe verstellt oder gegen einen anderen Bühnenboden getauscht werden. Der Aufbau der Hubanlage ist dabei im Rahmen der technischen Machbarkeit ganz frei gestaltbar. Hier eine Beispielanlage:

2. Verbindungselemente zur Drehmoment-Übertragung

Verbindungselemente haben die Aufgabe, die Antriebs- bzw. Abtriebswellen von Hubgetrieben, Verteilergetrieben und Motoren zu verbinden. Es gibt die verschiedensten Ausführungen von Verbindungselementen, deren Funktionen die unterschiedlichsten Anwendungsfälle abdecken. Im Folgenden werden die am häufigsten eingesetzten Typen behandelt.

2.1 Drehelastische Kupplungen

Drehelastische Kupplungen sind mechanische Verbindungen zwischen zwei Wellen, die Drehmoment und Bewegung von einer Welle auf die andere übertragen. Sie werden hauptsächlich verwendet, um Drehmomente gleichmäßig von einer Antriebsquelle, wie einem Motor, auf eine angetriebene Komponente, wie eine Pumpe oder eine Welle, zu übertragen. Diese Kupplungen sind darauf ausgelegt, normale Drehmomentschwankungen und Vibrationen auszugleichen und gleichzeitig die genaue Rotation beizubehalten. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, bei denen eine reibungslose und zuverlässige Übertragung von Drehmoment erforderlich ist.

Bei drehelastischen Kupplungen werden die Drehmomente und Drehbewegungen mittels Formschluss übertragen. Die Verbindung wird über Kupplungsklauen realisiert, wobei zur Dämpfung von Drehmomentstößen ein elastischer Zwischenring eingesetzt wird.

Der Zwischenring besitzt ferner die Funktion des Ausgleichens von Winkelverlagerungen oder Achsversätzen der zu verbindenden Wellen. Durch unterschiedliche Materialien der Zwischenringe lassen sich die zulässigen Drehmomentwerte sowie der auftretende Verdrehwinkel innerhalb der Größe der Kupplungen beeinflussen. Als Material für die Kupplungen selbst wird neben der standardmäßigen Ausführung aus einer Aluminiumlegierung auch Grauguss, Stahl oder rostfreier Stahl eingesetzt.

Die Auslegung von drehelastischen Kupplungen erfolgt gemäß in den Katalogen angegebenen zulässigen Drehmomentwerten sowie den Angaben über die maximal möglichen Winkel- oder Achsverlagerungen, wobei generell ein Anwendungs- und Betriebsfaktor zu berücksichtigen sind. Diese Faktoren richten sich nach der Art und Intensität der Beschleunigung, der Anzahl der Anläufe sowie der vorherrschenden Umgebungstemperatur. Aus Gründen einer vereinfachten Vorgehensweise kann im Normalfall, bei keinen außergewöhnlichen Betriebsbedingungen, generell mit einem Betriebsfaktor von 2 die Auswahl der erforderlichen Kupplungsgröße bestimmt werden. Der Einsatztemperaturbereich der Kupplungen geht von –40 °C bis zu 90 °C, kurzzeitig max. 120 °C.

2.2 Drehelastische Überlastkupplungen

Um in besonderen Einsatzfällen Hubanlagen mit einem elektromechanischen Antrieb vor einer Überlastung oder einem Ausfall zu schützen, empfiehlt sich die Verwendung einer drehelastischen Überlastkupplung, die bei einer eventuellen plötzlichen Blockade den Antrieb vom dahinter angeordneten Antriebsstrang abkoppelt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass einfache Überlastkupplungen, basierend auf dem Prinzip eines Reibschlusses, die Aufgabe der zuverlässigen Überwachung nur ungenügend erfüllen können. Die Gründe dafür liegen in den Reiblägen, welche im Laufe der Zeit festkleben oder korrodieren. Im Überlastfall ist dann keine Garantie der Funktion gegeben.

Des Weiteren kann ein unkontrolliertes Durchrutschen den Betriebsablauf stören und evtl. zu einem noch größeren Störfall durch zu hohe Wärmeentwicklung führen.

Deshalb bieten Überlastkupplungen mit gleit- und haftreibungsfreier Konstruktion sowie elektrischer Abschaltung einen wesentlich besseren Schutz vor einer unbeabsichtigten Blockade und Überlastung. Da die Einstellung des zu übertragenden Drehmoments über gehärtete Kupplungsscheiben mittels Kugeln als Kraftübertragungselemente erfolgt, bleibt das Rutschmoment nahezu konstant über die gesamte Lebensdauer der Kupplung und ermöglicht über die Kombination mit einer elektrischen Abschaltung durch einen Endschalter eine sehr hohe Funktions- und Betriebssicherheit. Bei einer Abschaltung im Falle einer Betriebsstörung erfolgen ein automatisches Wiedereinrasten der Kupplung und Rückstellung auf Normalbetrieb.

Überlastfälle können auch über die Steuerung kontrolliert und verhindert werden. Ein elektronischer Lastwächter kann die aufgenommene Wirkleistung des Antriebsmotors ermitteln und bei Überlastung oder höherer Nutzlast die Hubanlage abschalten.

3. Verbindungswellen GX

Bewährt haben sich besonders hochelastische Gelenkwellen zur Übertragung von Drehmomenten über größere Abstände von Hubgetrieben. Diese Gelenkwellen entstanden aus einer früheren Lösung mit einfachen Wellen-Kupplungen-Stehlagern. Die Gelenkwellenbaureihe wurde in zwei Varianten entwickelt, um den Anforderungen von Hubanlagen gerecht zu werden: Eine für Drehzahlen bis nmax = 1500 min⁻¹ (GX) und eine für Drehzahlen bis nmax = 3000 min⁻¹ (GX-Z). Sie erfüllt sämtliche notwendigen Kriterien, darunter Drehsteifigkeit, Vibrationsarmut, Dämpfung und die Möglichkeit von Winkelverlagerungen. Bis zu bestimmten Wellenlängen und Drehzahlen sind keine Stehlager erforderlich. Bei großen Distanzen zwischen den Hub- und Kegelradgetrieben kann eine Zwischenlagerung an den Gelenkwellen vorgesehen werden, da die Durchmesser der dünnwandigen Gelenkwellenrohre auf die genormten Stehlagergrößen abgestimmt sind.

Konfigurieren Sie die Verbindungswelle GX in unserem CAD-Konfigurator hier

Die Auslegung der Gelenkwelle hängt von dem zu übertragenden Drehmoment sowie von der Drehzahl und Länge ab. Zur Festlegung der Einbaulänge der Welle wird die biegekritische Drehzahl herangezogen.

Für die Nachprüfung des übertragbaren Moments wird folgende allgemeingültige Formel verwendet:

Bei der Auslegung auf übertragbares Drehmoment ist zu beachten, dass hier lediglich die Rohre berechnet werden. Es sind aber trotzdem die maximalen Werte der Kupplungsstücke am Ende des Rohrs zu berücksichtigen.

Die Auslegung der Verbindungsrohre erfolgte gemäß dem im Maschinenbau üblichen Wert des Verdrehwinkels von ¼° pro laufenden Meter.

Je nach Type der Gelenkwelle „GX“ und „GX-Z“ ist der Einsatz bei Umgebungstemperaturen von –20°C bis zu 150°C („GX-Z“ max. 80°C) möglich, wobei sich ab einer Temperatur von 80°C der zu übertragende Drehmomentwert wesentlich verringert.

4. Verbindungswellen VR

Um eine preisgünstigere Lösung für einfachere Anwendungen und Aufgabenstellungen im Bereich der linearen Antriebstechnik zu ermöglichen, wurde eine Typenreihe von Gelenkwellen entwickelt. Diese Verbindungswelle erfüllt die Bedingungen bezüglich Drehsteifigkeit und Dämpfung, sowie einer etwas geringeren Winkelverlagerungen und ist kostengünstiger zu fertigen und einfacher zu montieren.

Diese Baureihe wird unter der Bezeichnung VR-Verbindungswelle geführt und ist bis zu einer maximalen Drehzahl von 1500 min⁻¹, sowie 245 Nm einsetzbar. Der Einsatztemperaturbereich geht von –40 bis zu 90°C, kurzzeitig max. 120°C.

Im Vergleich zur elastischen Gelenkwelle „ZR“ und der hochelastischen Baureihe „GX“ und GX-Z“ besteht ein wesentlicher Unterschied in der Montage und Flexibilität. Die Baureihe „VR“ verfügt über Klemmnaben, welche das Drehmoment mittels Reibschluß überträgt und nach der erfolgten Höhenjustierung der Hubgetriebe mit einer Sicherungsschraube zusätzlich gesichert wird. Außerdem können Verbindungswellen flexibler eingesetzt werden, da die Kupplungsnaben sich nicht auf eine formschlüssige Verbindung über Passfedernut begrenzen.

Konfigurieren Sie die Verbindungswelle VR in unserem CAD-Konfigurator hier

5. Anlagenleistung

Die Leistungsanforderungen der Anlage, einschließlich der erforderlichen Geschwindigkeit, des Drehmoments und der Motorleistung, sind entscheidend für die Auswahl der richtigen Hubgetriebe-Komponenten. Diese Parameter sollten mit den technischen Spezifikationen des Hubgetriebes in Einklang gebracht werden.

6. Drehmoment

Das benötigte Drehmoment hängt von der Last ab, die das Hubelement bewegen oder heben muss. Berücksichtigen Sie das maximale und minimale Drehmoment, das für die Anwendung erforderlich ist, und stellen Sie sicher, dass der Motor und das Getriebe ausreichend Drehmoment liefern können.

6.1 Bestimmung des erforderlichen Drehmoments

6.2 Leistungsaufnahme berechnen

6.3 Beschleunigungsleistung berechnen

Bei hochdynamischen Antrieben mit großen Hubgeschwindigkeiten, z.B v > 10 m/min sowie hohen Beschleunigungswerten muss zur Bestimmung der Motorleistung zusätzlich zur Leistung aus der Lastbewegung noch die Beschleunigungsleistung Pa addiert werden, wobei dieser Fall bei Hubgetrieben eher selten auftritt.

7. Übersetzungsgetriebe

Übersetzungsgetriebe werden verwendet, um die Drehzahl und das Drehmoment zwischen dem Motor und dem Hubgetriebe anzupassen. Die Auswahl des richtigen Übersetzungsgetriebes ist entscheidend, um die gewünschte Leistung und Genauigkeit zu erzielen.

Der Wert der Übersetzung ist ein wichtiger Faktor um den Hub/Umdrehung, die Hubgeschwindigkeit, die Lebensdauer des Kugelgewindes, die Antriebsdrehzahl (Spindel) und das Drehmoment pro Getriebe zu berechnen.

Die passende Übersetzung können Sie für ihr Wunschbauteil in unserem Katalog finden.

8. Zubehör

Erst wenn das geeignete Zubehör verfügbar ist, können sowohl Konstrukteure als auch Anwender unsere Hubgetriebe, Spindelhubgetriebe, Elektrozylinder, Stellantriebe, Gewindetriebe, Verteilergetriebe und Schubketten optimal an die spezifischen Einbausituationen anpassen. Mit diesem Zubehör besteht sogar die Möglichkeit, komplette Hubanlagen zu konzipieren, aufzubauen und in Einklang zu bringen.

Aus diesem Grund haben wir ein breites Sortiment an Zubehör entwickelt, um Ihre Anforderungen zu erfüllen. Alle Zubehörteile stehen in derselben hochwertigen Qualität zur Verfügung wie unser gesamtes Produktsortiment. Neben unserer umfangreichen Auswahl an Standardzubehör sind wir auch in der Lage, auf individuelle Kundenwünsche einzugehen und maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln. Unsere engagierten Ingenieure stehen Ihnen gerne für Beratungen zur Verfügung.

Eine detaillierte Übersicht aller Zubehörteile finden Sie in unseren Katalogen.

8.1 Typische Zubehörteile

1. Elastische Gelenkwellen
2. Kardanische Gelenkwellen
3. Verbindungswellen
4. Stehlager
5. Motorglocken für den Motoranbau
6. Drehstrom-Normmotoren
7. Drehelastische Kupplungen
8. Endschalter
9. Handräder
10. Positionsgeber

8.2 Verteilergetriebe – wichtiges Verbindungsglied in einer Hubanlage

Ein Verteilergetriebe wird immer dann eingesetzt, wenn eine anspruchsvolle Hubanlage mit nur einem einzigen Motor betrieben werden soll. Das Verteilergetriebe hat die Fähigkeit, Drehmomente umzuleiten und auf mehrere Hubantriebe zu verteilen. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen.

8.3 Vorteile des Verteilergetriebes:

✔ Wirtschaftliche Alternative zur Koordination mehrerer Hubantriebe in einer Anlage

✔ Übersetzungsverhältnisse von 1:1 bis 6:1 verfügbar

✔ Hohe Effizienz mit Wirkungsgraden von über 96%, was zu minimalen Leistungsverlusten führt

✔ Verschiedene Ausführungen der Antriebswellen ermöglichen vielfältige Konfigurationsmöglichkeiten für Anlagen

Insgesamt sind 8 verschiedene Baugrößen von V065 bis V260 erhältlich, die folgende Merkmale aufweisen:

1. Bauform VL mit Flansch für direkten Motoranbau gemäß IEC-Norm.
2. Maximales Abtriebsmoment von bis zu Tmax = 2300 Nm.
3. Einschaltdauer von bis zu 100% möglich.
4. Geeignet für den Einsatz in verschiedenen Umgebungen, einschließlich Lebensmittelverarbeitung, Außenanlagen und explosionsgefährdeten Bereichen.

Dies macht das Verteilergetriebe zu einer äußerst flexiblen und leistungsstarken Lösung für komplexe Hubanlagen, die nur einen Motor verwenden möchten.