Bild: Profiroll Technologies
Mehr Produktivität beim Walzen von Verzahnungsteilen 

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Die Profilierung rotationssymmetrischer Werkstücke ist eine der Kernkompetenzen der Profiroll Technologies GmbH. Mit der Integration des Galaxie Antriebssystems von Wittenstein in seine Rollex-Verzahnungswalzmaschinen konnte das Unternehmen die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöhen, gleichzeitig die Prozessqualität bei kritischen Bauteilen deutlich verbessern und so unter dem Strich die Produktivität um bis zu 40 % steigern.

VOLKER SPRENGER* 

*Autor Volker Sprenger ist Leiter Vertrieb Galaxie Antriebssysteme, Wittenstein AG, Igersheim 

 

 

Maßgeblich für diesen Leistungs-, Qualitäts- und Effizienzsprung ist die extrem hohe Verdrehsteifigkeit des Galaxie Antriebssystems, die um bis zu Faktor 5,8 größer ist als bei vergleichbaren Getrieben am Markt. Aus technologischer Sicht resultiert die Verbesserung aus den besonderen Eigenschaften der elementar neuen Getriebe-Kinematik von Galaxie, die erstmals auf ein Zahnrad verzichtet. Statt dessen greifen dynamisierte Einzelzähne, die auf Nadeln gelagert um ein Antriebspolygon herum gruppiert sind, flächig in die Innenverzahnung des Hohlrades ein. Dadurch erreicht das Galaxie Antriebssystem Leistungsdaten, die auch in ihrer Kombination weltweit einzigartig sind. Denn das Besondere ist, dass die Verbesserung einer Eigenschaft, z. B. der Verdrehsteifigkeit, nicht zu Lasten anderer Leistungsparameter des Galaxie Antriebssystems geht. Im Gegenteil: Vergleichbare Getriebebaureihen werden in allen wichtigen technischen Eigenschaften gleichzeitig übertroffen – teilweise um Faktoren. Die Maschinenkonstrukteure von Profiroll gehörten zu den ersten, die sich davon im Dauereinsatz in ihren Rollex-Maschinen überzeugen konnten. Wittenstein wiederum erhielt für diese Antriebslösung den Innovationspreis der Hannover Messe 2015, den Hermes Award.

 

Professionelles Profilwalzen


Die Profiroll Technologies GmbH im nordsächsischen Bad Düben gehört zu den ersten Adressen, wenn es darum geht, rotationssymmetrische Werkstücke mit Hilfe moderner Kaltmassivumformungstechnologien zu bearbeiten. Hierfür hat das Unternehmen mit dem Profil- bzw. Verzahnungswalzen ein wirtschaftliches Produktionsverfahren entwickelt, das auf Wunsch als Maschine zusammen mit Walzwerkzeugen und Zuführsystemen als Komplettlösung ausgeliefert wird. „Bei der Baureihe Rollex handelt es sich um Maschinen für das Walzen von Kerb- oder Steckverzahnungen auf symmetrischen Wellen z. B. für Automobilkupplungen“, erläutert Dr. Stephan Kohlsmann, Geschäftsführer der Profiroll Technologies GmbH. „Unser 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


So weit so gut – allerdings nicht bei allen Werkstücken gleichermaßen, denn bei bestimmten Verzahnungsteilen kam es in Abhängigkeit von der 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 ursächliches Problem identifizierten seine Ingenieure das bisher in den Maschinen eingesetzte Zykloidgetriebe, das bei hohen Trägheitsmomenten insbesondere hinsichtlich der Verdrehsteifigkeit die Anforderungen der Verzahnungswalzmaschinen nicht erfüllen konnte und die starken Schwingungen und Vibrationen im Antriebsstrang verursachte. „Für die Produktivität ist dies natürlich gar nicht gut“, bestätigt Dr. Kohlsmann, „aber mit dem Umstieg auf eine der anderen bislang üblichen Getriebebaufunktionen war es auch nicht getan.“ Dies änderte sich mit dem Galaxie Antriebssystem schlagartig.

 

Galaxie Antriebssystem


Beim Galaxie Antriebssystem handelt es sich um eine hochkompakte Hohlwellen-Antriebseinheit – bestehend aus einem neu entwickelten Hochleistungsmotor und einer neuen Getriebe-Kinematik, bei der den Entwicklern ein echter Paradigmenwechsel gelungen ist. Erstmals verzichtet ein Getriebe auf ein Zahnrad – statt dessen erfolgt die Drehmomentwandlung über dynamisierte Einzelzähne, die um ein unrundes 3er-Antriebspolygon mit Nadellagerung herum gruppiert sind und entlang der Innenverzahnung des Hohlrades geführt werden. Dieses Prinzip führt dazu, dass jetzt 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 erstmals als logarithmische Spirale ausgeführt ist, wodurch der Zahneingriff nicht mehr wie bei Getrieben mit Zahnrädern als Linienkontakt erfolgt, sondern als Flächenkontakt. FEM-Vergleichsberechnungen mit einem schrägverzahnten Planetengetriebe zeigen beispielsweise, dass bei gleichem Hohlwellendurchmesser die neue Galaxie-Getriebekinematik 6,5-mal mehr tragende Zahnfläche aufweist. Hieraus resultieren zu einem erheblichen Maße u. a. die bis zu 170%ige Leistungssteigerung bei der Drehmomentwandlung und die bis zu dreifach höhere Überlastsicherheit. Zudem baut sich beim flächigen Multizahneingriff der Galaxie-Kinematik ein hydrodynamischer Schmierfilm auf – und dies auch bei höchster Momentenbelastung schon ab geringen Drehzahlen. Dies minimiert mechanischen Verschleiß und Abrieb und hält ein einmal eingestelltes Verdrehspiel über die Lebensdauer absolut konstant. Und leise ist Galaxie auch – und bleibt es selbst bei maximaler Belastung.

 

Höhere Verdrehsteifigkeit


Fast Faktor 6 – um so viel höher ist die Verdrehsteifigkeit des Galaxie Antriebssystems im Vergleich mit anderen Getriebegattungen. Erreicht wird dies durch das besondere Konstruktionsprinzip der Getriebe-Kinematik. Zwischen dem Zahnträger und der Innenverzahnung des Hohlrades ist nur noch ein minimaler Spalt vorhanden. Durch diesen extrem kurzen Abstand gibt es kaum noch eine Biegelänge. Zudem optimieren 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. Die Verdrehsteifigkeit ist um bis zu 580 % höher als bei bestehenden Technologien. Selbst bei Wechselbelastung im Nulldurchgang bleibt eine sehr hohe Steifigkeit erhalten – ohne dass sich dabei die maximal übertragbaren Drehmomente reduzieren!

 

Gemeinsames Pilotprojekt


Volle Geschwindigkeit ohne Vibrationen – das klang zu Anfang zu schön, um wahr zu sein. Im Rahmen eines gemeinsamen Pilotprojektes arbeiteten sich die Ingenieure von Wittenstein zunächst tief in das Verzahnungswalzen ein. Dadurch war es möglich, den Prozess im Zusammenspiel mit dem Galaxie Antriebssystem zu verstehen und ihn so zu modellieren, dass die technischen Vorteile qualifizierbar und quantifizierbar wurden. 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 selbst bei einer vorsichtigen, lediglich 1,5fachen Steigerung der Prozessgeschwindigkeit eine Verringerung der produktiven Hauptbearbeitungszeit pro Teil um 40 % erreicht wird. „Dementsprechend erhöhte sich bei konstanter Nebenzeit die Zahl bearbeitbarer Werkstücke von 4 Teilen pro Minute auf 5,1 Teile pro Minute – also um 29 %“, bilanziert Dr. Kohlsmann.

www.wittenstein.de  

 

 

Enabler für die nächste Generation im Hochleistungs-Maschinenbau

Die Integration in die Verzahnungswalzmaschinen von Profiroll Technologies demonstriert auf eindrucksvolle Weise, wie das Galaxie Antriebssystem zum Enabler für neue Maschinengenerationen wird. War in dieser Applikation die Verdrehsteifigkeit maßgebend, so können in anderen Aufgabenstellungen Leistungsmerkmale wie die dreifach höhere Tragfähigkeit, Verschleiß- und Spielfreiheit, die dynamische Positioniergenauigkeit, die dreifach verbesserte Überlastfähigkeit oder der exakte Gleichlauf den Ausschlag zugunsten von Galaxie geben. Konstrukteuren und Ingenieuren öffnet sich mit dem Galaxie Antriebssystem eine technologische Tür, die es ermöglicht, Maschinen komplett neu zu überdenken und echte Entwicklungssprünge hinsichtlich Produktivität, Präzision und Dynamik zu realisieren.

 

 

Beitrag aus dima 4/2015:

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