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Getriebe In den „Harten Anschlag“ fahren ohne Schaden

| Autor / Redakteur: Hans-Erich Maul / Ute Drescher

Es gibt motorisch angetriebene Getriebe, die aus verschiedenen Gründen am Abtrieb durch einen Anschlag begrenzt werden müssen oder sogar gegen einen harten Anschlag fahren. Damit dabei kein Schaden entsteht, gilt es, einiges bei der Dimensionierung zu beachten.

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1: Kräfte-Zeit-Verlauf am harten Anschlag
1: Kräfte-Zeit-Verlauf am harten Anschlag
(Bild: Maul Konstruktionen)

Fährt ein System-Getriebe in den harten Anschlag, kann das grundsätzlich drei Folgen haben: das Getriebe wird zerstört, es klemmt oder aber das System hält den Belastungen unbeschädigt stand.

Die Größe der am Anschlag entstehenden Kräfte ist davon abhängig, wie die Federkonstante des Übertragungssystems dimensioniert ist. Untersuchungen mittels „dynamischer Simulation“ und eigens dafür gebauter Getriebemodelle zeigen, das bei wirksamer Dämpfung durch die Reibung im System die Kräfte etwa um den Faktor 2 bis 3 steigen bezogen auf die Kraft, die durch die Erhöhung des Drehmomentes durch das Getriebe und dem Radius des Anschlages entsteht.

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1: Kräfte-Zeit-Verlauf am harten Anschlag
1: Kräfte-Zeit-Verlauf am harten Anschlag
(Bild: Maul Konstruktionen)

F1 = Antriebskraft; F2 = Abtriebskraft; Fmax. = Kraft infolge Impuls

Es wirkt das dynamische auf die Anschlagwelle bezogene reduzierte Massenträgheitsmoment:

Ired. = I1*+ I2*i22 + I3*i32

Die hohe Drehzahl z.B. der Motorwelle wird im Quadrat des Übersetzungsverhältnisses multipliziert mit dem Massenträgheitsmoment der Motorwelle und der Verzögerung in den Anschlag übertragen, bei mehreren Getriebestufen jede Stufe von der bezogenen Anschlagwelle aus.

Das Klemmen des Getriebes entsteht dadurch, dass beim Auftreffen auf den harten Anschlag der Freiheitsgrad des Getriebes auf 0 sinkt und sich das Krafteck schließt. Am Getriebe wirkt infolge des Motorstromes ein auf das Maximum gesteigertes Motordrehmoment und zusätzlich das dynamische Drehmoment, aus der bezogenen Massenträgheit des Gesamtsystems und wirksamer Verzögerung ε. Ein Lösen des Systems ist dann nur mit Hilfe des gesteigertem Motordrehmomentes nicht mehr möglich, wenn das Reibmoment des verklemmten Getriebes größer als das Motordrehmoment ist. Entscheidend für den geklemmten Zustand ist der Übertragungswinkel des Getriebes.

Je nach Getriebeart kommt es zum Klemmen des Getriebes. Dabei sind Grundsätzlich drei Systeme zu unterscheiden:

  • Wirkprinzip 1: Getriebe, die auf den Hebel zurückzuführen sind;
  • Wirkprinzip 2: Getriebe, die auf das Kniehebelprinzip zurückzuführen sind;
  • Wirkprinzip 3: Getriebe, die auf den Keil zurückzuführen sind.

Natürlich gibt es auch Mischsysteme der Getriebearten.

Getriebe nach dem Hebelprinzip

Getriebe nach dem Hebelprinzip sind z.B. alle Stirnradgetriebe. Diese haben bei Geradverzahnung ein Krafteck, welches durch den Betriebseingriffswinkel der Verzahnung bestimmt wird. Dadurch ergibt sich bei diesen Getrieben ein guter „Übertragungswinkel“ nahe ca. 90°. Durch Schrägverzahnung kann sich dieser Übertragungswinkel etwas verschlechtern. Da jedoch der Komplementwinkel vom Schrägungswinkel ß wirkt, ergeben sich aber trotzdem noch gute Kraftecke!. Dadurch klemmen diese Getriebe nicht und können ohne weiteres vom Anschlag zurückgefahren werden.

Getriebe nach dem Kniehebelprinzip

Getriebe, die nach dem Kniehebelprinzip wirken, sind z.B. alle Exzentergetriebe. Diese gehen beim Fahren gegen den Harten Anschlag in eine Totlage und neigen zum Klemmen. Diese Getriebe erzeugen sehr hohe Kräfte, die von den Dehnungen und den Reibungsverhältnissen des Systems aufgefangen werden müssen. Bei sehr stabiler Bauweise ist es prinzipiell möglich das Getriebe aus der Totlage „Herauszufahren“ wegen des an der kleinen Exzentrizität des Getriebes wirkenden großen Motordrehmomentes.

Getriebe mit Keilwirkung

Getriebe, die Keilwirkung haben, sind alle Gewindetriebe und Schneckengetriebe und Schraubenradgetriebe. Wie allen Maschinenbauern bekannt ist, wirkt beim Festziehen und Lösen einer Schraube eine Klemmkraft, die sich aus der Schraubengleichung berechnet. Beim Lösen der Schraube gilt es eine Reibkraft bzw. ein Reibdrehmoment zu überwinden. Es bestehen bei hochuntersetzenden Gewindetrieben und Schneckengetrieben meist kleine Keilwinkel, die unterhalb der Selbsthemmungsgrenze liegen. Dann ist das Motordrehmoment nicht mehr in der Lage das Getriebe aus der verklemmten Lage herauszufahren.

Zu Mischsystemen der Wirkprinzipien1-3

Für das Klemmen ist allein das Vorhandensein des entsprechenden Wirkprinzips und des darin dimensionierten Übertragungswinkels des Getriebes entscheidend.

Gegenmaßnahmen:

  • Durch stabilen Leichtbau die Kräfte klein halten
  • z.B. an anderer Stelle im Getriebe anschlagen mit niedriger Untersetzung.
  • den Anschlag „weich“ und federnd gestalten: durch eien zusätzlich Feder, durch Festkörpergelenk, durch federnde Gestaltung eines Getriebegliedes

Die gezeigten Untersuchungen ergeben, dass es möglich ist – bei richtiger Dimensionierung und Gestaltung – Getriebe an einem „Harten Anschlag“ zu blockieren und trotzdem gute Lebensdauer und Nachhaltigkeit zu erreichen. Maul Konstruktionen konstruiert auf Anfrage gemäß Aufgabenstellung solche Systeme. (ud)

* Hans-Erich Maul ist Geschäftsführer der Maul Konstruktionen GmbH, Aachen.

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