Der Weg zur optimalen technischen Lösung 03.05.2016, 00:00 Uhr

Prüffeld für Industrieantriebe

Konstrukteure und Entwickler, die für den Einsatz industrieller Antriebe und antriebstechnischer Komponenten in Maschinen und Anlagen zuständig sind, haben eine verantwortungsvolle Aufgabe. Bei der Produktgestaltung geht es vor allem um die Erreichung messbarer technischer Eigenschaften – wobei die Minimierung der Herstellkosten immer berücksichtigt werden muss. Die Firma ZAE-AntriebsSysteme verfügt über ein Kompetenzzentrum, in dem genau das geleistet wird. So ist der Weg zur optimalen technischen Lösung – über geeignete Mess- und Prüftechnik – konkret realisier- und belegbar.

 Prüfaufgabenbandbreite des Prüffeldes bei ZAE-AntriebsSysteme im Überblick. Bild: ZAE

Prüfaufgabenbandbreite des Prüffeldes bei ZAE-AntriebsSysteme im Überblick. Bild: ZAE

Steigende Anforderungen an die Produkte der Antriebstechnik

Die Anforderungen an die Antriebstechnik im Maschinen- und Anlagenbau steigen kontinuierlich. Ein wachsendes Kosten- und Umweltbewusstsein der Gesellschaft spielt dabei inzwischen eine treibende Rolle. Es wird von Unternehmen sehr viel mehr Wert auf Nachhaltigkeit im Umgang mit sämtlichen Ressourcen gelegt [1]. Gleichzeitig wachsen die Ansprüche an die Leistungsfähigkeit und die Qualität der Produkte. Damit stehen die Entwickler von industriellen Antrieben vor immer größer werdenden Herausforderungen, wenn es um die Produkt- und Prozessgestaltung geht [2, 3, 4, 5]. Bei der Produktgestaltung geht es vor allem um die Erreichung messbarer technischer Eigenschaften und um die Minimierung der Herstellkosten. Bei der Prozessgestaltung in der Produktion liegt der Schwerpunkt demgegenüber im effizienten Einsatz von Maschinen, Rohstoffen, Energie und menschlicher Arbeitsleistung.

Feststellbar ist eine sinkende Toleranzbereitschaft bei den Abnehmern und Anlagenbetreibern. Vereinbarte beziehungsweise zugesicherte technische Eigenschaften sind häufig sehr genau und teils mit erhöhtem Aufwand nachzuweisen. Die gleichzeitig sinkende Kostentoleranz wird zu einer Herausforderung für viele Hersteller. Die Herstell- und Betriebskosten müssen zunehmend exakt kalkuliert und nachgewiesen werden. Ein zu niedriger Verkaufspreis führt leicht zu negativen Geschäftsergebnissen. Ein zu hoch angesetzter, mit kalkulatorischen Sicherheiten versehener Verkaufspreis hingegen kann den Auftragsverlust zur Folge haben. Immer öfter werden auch zu-gesicherte Lebenszykluskosten (TCO = Total Cost of Ownership) des Produktes vor der Kaufentscheidung betrachtet und verglichen. Eine Gratwanderung, die vor dem Hintergrund zunehmenden Wettbewerbs viele Unternehmen beschreiten müssen.

Hinzu kommen aktuelle Entwicklungen, die im Zusammenhang mit der aufkommenden vierten industriellen Revolution stehen. Anlagenverfügbarkeit und Anlagenüberwachung im Sinne von Industrie 4.0 bergen Chancen und Risiken für die Hersteller moderner Antriebssysteme [6, 7].

Moderne und marktgerechte Produktentwicklung

Aufgrund der genannten steigenden Anforderungen wurden bei der Firma ZAE-AntriebsSysteme die Notwendigkeiten erkannt, rechtzeitig moderne Entwicklungsplattformen aufzubauen. Auf diesem Gebiet werden permanent Weiterentwicklungen betrieben, um effizienter und zielgerichteter an den Produkten arbeiten zu können.

Das ERP-System bildet die Basis für die Planung und Steuerung aller Unternehmensabläufe, so auch in der Produktentwicklung. Es liefert dem Entwickler zahlreiche Informationen über bestehende Konstruktionen und Bauteile des Unternehmens. Umfangreiches Zahlenmaterial zu den Lieferanten, Einkaufspreisen und Produktionsprozessen beziehungsweise Herstellkosten wird zudem bereitgestellt. Das ERP-System bildet somit eine wesentliche Grundlage für die Bestimmung der Herstellkosten.

Moderne numerische und analytische Berechnungswerkzeuge (CAD/CAE/CAM) unterstützen den Produktentwickler von Antriebslösungen heute bereits sehr weitreichend. 3D-CAD-Daten bilden die Basis für zahlreiche Analysen und Berechnungen an virtuellen Produkten (Bild 1).

Bild 1 Virtuelle Produktentwicklung hilft den experimentellen Aufwand zu reduzieren. Bild: ZAE

Bild 1 Virtuelle Produktentwicklung hilft den experimentellen Aufwand zu reduzieren. Bild: ZAE

 

Hier reichen die Möglichkeiten von einem 3D-Modell für die konstruktive Abstimmung mit dem Kunden bis hin zu komplexen Finite-Elemente-Berechnungen. Die Generierung von Maschinendaten über eine CAM-Schnittstelle fördert zudem schlanke Prozesse und verbessert die Kontrollmöglichkeiten in der Produktion [8, 9, 10, 11].

Trotz leistungsfähiger rechnergestützter Entwicklungswerkzeuge sind experimentelle Untersuchungen auf Prüfständen im Rahmen eines Entwicklungsprozesses und der abschließenden Validierung oft zwingend notwendig. Die mit Versuchsergebnissen abgeglichenen theoretischen Berechnungen werden zwar immer treffsicherer, doch in vielen Fällen kann ein Optimum erst mit Hilfe von spezifischen Versuchen erreicht werden (Bild 2).

Bild 2 Ein Blick in das neue Prüffeld der Firma ZAE-AntriebsSysteme. Bild: ZAE

Bild 2 Ein Blick in das neue Prüffeld der Firma ZAE-AntriebsSysteme. Bild: ZAE

Die Firma ZAE-AntriebsSysteme hat über viele Jahre in eigener Entwicklung Prüfstände aufgebaut, die diesen Anforderungen gerecht werden. Sie dienen den Grundlagenversuchen, der Produktvalidierung, der produk-tionsbegleitenden Qualitätssicherung, wie auch der Schadensbeurteilung und in steigendem Maße zur Durchführung von Dienstleistungen [12, 13, 14, 15, 16].

Die Ausrichtung des Prüffeldes bei ZAE-AntriebsSysteme

Das Prüffeld bei ZAE-AntriebsSysteme ist mit seinen Einrichtungen so ausgerichtet, dass alle relevanten Prüfaufgaben im Bereich der üblichen Bauteildimensionen des Unternehmens durchgeführt werden können.

Der größte Schwerpunkt liegt auf der Prüfung von Industriegetrieben. Hier können auf unterschiedlichen Prüfständen Untersuchungen zur Leistungs- und Bewegungsübertragung durchgeführt werden. Auf denselben Prüfständen werden jedoch auch andere wichtige Antriebselemente, wie Motoren oder Kupplungen untersucht.

Die Prüfstände sind flexibel gestaltet, so dass sich nicht nur Antriebselemente prüfen lassen, sondern auch Getriebemotoren, die mit einem eigenen Umrichter gespeist werden oder spezielle kundenspezifische Systemlösungen mit besonderen Anforderungen an Anbau, Leistungsabnahme und Umgebungsbedingungen.

Das Prüffeld bietet darüber hinaus die Möglichkeit, einzelne Maschinenelemente, wie Zahnräder, Welle-Nabe-Verbindungen, Wälzlager, Wellendichtringe oder Entlüftungen, unter definierten Bedingungen innerhalb und außerhalb der Umgebungskonstruktion experimentell zu untersuchen.

Prüfung und Qualifizierung von Maschinenelementen

Oftmals stehen bei Entwicklungen von Industriegetrieben die Zahnräder im Mittelpunkt der Betrachtungen. Neben der Messung von Einzelabweichungen auf einem Zahnradmesszentrum sind Einflankenwälzprüfungen an Radpaaren im Hinblick auf Qualität und Laufverhalten besonders aussagefähig. Darüber hinaus sind Laufgeräusche von Verzahnungen, sowie deren Verlustleistungen und Beanspruchbarkeit im Betrieb von Interesse (Bild 3).

Bild 3 Prüfung von Zahnrädern und Zahnradpaaren. Bild: ZAE

Bild 3 Prüfung von Zahnrädern und Zahnradpaaren. Bild: ZAE

Auch unterschiedliche Welle-Nabe-Verbindungen können mittels statischer Torsionsbeanspruchung bezüglich der Tragfähigkeitsgrenzen untersucht werden. Dabei wird mit Drehmomenten bis zu 8000 Nm in einem geregelten, rotatorischen Belastungsversuch die elastische und plastische Verformung sowie die Bruchlast bestimmt (Bild 4) [17].

Bild 4 Prüfung von Welle-Nabe-Verbindungen [17] Bild: ZAE

Bild 4 Prüfung von Welle-Nabe-Verbindungen [17] Bild: ZAE

Auf dem eigens dafür entwickelten Vier-Lager-Prüfstand können in einem variablen Prüfaufbau unterschiedliche Lager bei gleichzeitiger axialer und radialer Belastung auf verschiedenen Drehzahlniveaus bis zu 9000 U/min geprüft werden. Es sind Messungen von Reibmomenten und Temperaturen genauso wie Langzeitermüdungsver-suche bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen möglich. Die Ergebnisse dienen dem qualitativen Vergleich unterschiedlicher Lager und insbesondere auch der Wirkungsgradoptimierung (Bild 5) [18].
Bild 5 Prüfung von Wälzlagern [18] Bild: ZAE

Bild 5 Prüfung von Wälzlagern [18] Bild: ZAE

Genau wie Wälzlager können auch Wellendichtringe unter verschiedenen Betriebsbedingungen in einem speziell gestalteten Prüfkopf untersucht werden. Hierbei werden jeweils zwei identische Dichtringe zusammen verbaut und getestet. Ergebnisse sind auch hier Reibmomente, Temperaturen und das Langzeitverhalten bei sehr frei einstellbaren Betriebsbedingungen (Bild 6) [18].
Bild 6 Prüfung von Radial-Wellendichtringen (RWDR) [18] Bild ZAE

Bild 6 Prüfung von Radial-Wellendichtringen (RWDR) [18] Bild ZAE

Prüfung von Antriebselementen

In begrenztem Umfang werden im Prüffeld von ZAE-AntriebsSysteme Motoren bezüglich Stromaufnahmen, Erwärmung und Kippmomenten untersucht. Kupplungen können insbesondere im Hinblick auf ihre Verdrehsteifigkeit und Dämpfung in Form von Hysteresemessungen oder auf Bruchfestigkeit geprüft werden.

Bei den Industriegetriebeuntersuchungen unterscheidet ZAE-AntriebsSysteme zwischen den beiden Bereichen Leistungs- und Funktionsprüfung.

Leistungsprüfungen von Getrieben beinhalten die Simulation von Leistungsdurchsatz im Strang zwischen Antriebs- und Belastungsmaschine. Im Fokus dieser Untersuchungen stehen Belastbarkeit, Wirkungsgrad, Erwärmung, und Geräuschemission (Bild 7) [18, 19, 20].

Bild 7 Leistungsprüfungen von Getrieben. Bild: ZAE

Bild 7 Leistungsprüfungen von Getrieben. Bild: ZAE

Funktionsprüfungen von Getrieben befassen sich mit dem Übertragungsverhalten des Antriebsstranges, welches überwiegend durch statische oder quasistatische Messungen bestimmt wird. Typische Schwerpunkte sind hier Grundreibmoment, Anlaufwirkungsgrad, Verdrehspiel, Gleichlauf und Hysterese (Bild 8) [21, 22, 23].

Bild 8 Funktionsprüfungen von Getrieben. Bild: ZAE

Bild 8 Funktionsprüfungen von Getrieben. Bild: ZAE

Prüfung von Antriebssystemen

Bei der Prüfung von Getriebemotoren stehen neben der Belastbarkeit und dem Laufverhalten vor allem Gesamtwirkungsgrad und Temperaturentwicklungen im Vordergrund. Bild 9 zeigt beispielhaft das aus Messreihen gewonnene Gesamtwirkungsgradkennfeld eines hocheffizienten PM-Getriebemotors in Abhängigkeit von Antriebsdrehzahl und Abtriebsdrehmoment [2].

Bild 9 Wirkungsgrad- und Temperaturkennfeldmessungen an PM-Getriebemotoren [2] Bild: ZAE

Bild 9 Wirkungsgrad- und Temperaturkennfeldmessungen an PM-Getriebemotoren [2] Bild: ZAE

Prüfstandkonzepte und Weiterentwicklungen

Die sehr variabel einsetzbaren Prüfstände von ZAE-AntriebsSysteme sind weitgehend standardisiert. Dies betrifft den generellen Aufbau der Prüfstände, deren Architektur sich in drei Ebenen aufgliedern lässt (Bild 10).

Bild 10 Prüfstandkonzept eines 70-kW-Leistungsprüfstands [24] Bild: ZAE

Bild 10 Prüfstandkonzept eines 70-kW-Leistungsprüfstands [24] Bild: ZAE

Die Antriebsebene umfasst die Prüfstandantriebe, die Sensorik, den Prüfling und dessen Adaptionen. Die Verstärkerebene beinhaltet die Signalübertragung zwischen Antriebsebene und der PC-Ebene. Die PC-Ebene enthält den Prüfstandrechner mit der entsprechenden Hard- und Software und den damit realisierten notwendigen Funktionalitäten [16, 24].

Die Prüfstandsoftware ist auf jeder Anlage gleich strukturiert und offen für die Einbindung zusätzlicher Messprogramme, bedingt durch ihre Struktur und ihre modulare Programmierung. Der Betrieb im Firmennetzwerk macht zudem die Programm- und Datenhaltung einfacher und sicherer. Zudem kann der Zugriff auf die Anlagen komfortabel von außerhalb des Prüffeldes online erfolgen [16, 24].

Der Prüfstandbereich bei ZAE-AntriebsSysteme unterliegt einer laufenden Pflege und Weiterentwicklung auf allen Ebenen der Anlagen. Dazu gehören die Wartung und DKD-Kalibrierung der Prüfstände ebenso wie Modernisierungen und Erweiterungen [25]. Vor allem im Bereich der Software werden nach jahrelanger eigener Programmierung derzeit in Zusammenarbeit mit kompetenten Partnern strukturelle und funktionelle Erweiterungen betrieben.

Ausblick

Die Ansprüche an die Produkte der industriellen Antriebstechnik sind in den letzten Jahren gestiegen und werden auch weiterhin zunehmen. Qualitäts- und Kostenanforderungen in Verbindung mit der Maßgabe, in allen Bereichen eine hohe Nachhaltigkeit zu realisieren, stellt die Industrieunternehmen vor neue Herausforderungen. Der gesamte Produktionsbetrieb muss sich durch entsprechende Strategien, Strukturen, Produktionssysteme in Verbindung mit geschultem Personal immer wieder neu darauf einstellen.

Im Bereich der Produktentwicklung können durch klare Organisationsstrukturen, moderne Instrumente der virtuellen Produktentwicklung sowie flexible und verlässliche Prüfstände diese Anforderungen in der Zukunft gemeistert werden.

ZAE-AntriebsSysteme ist es gelungen, über mehrere Jahre hinweg in eigener Entwicklung ein Prüffeld aufzubauen, das die Anforderungen an die Entwicklung moderner industrieller Antriebe auf hohem Niveau erfüllt. Es berücksichtigt sowohl elementare Untersuchungen an einzelnen Maschinenelementen, wie auch die Prüfung kompletter Antriebssysteme. Die zu erfüllenden Prüfaufgaben sind dabei sehr unterschiedlich und vielfältig:

Grundlagenversuche zur Absicherung von Berechnungen,

Funktionsmuster- und Prototypentests im Rahmen von Neuentwicklungen,

Produktvalidierungen zur Absicherung der Produkteigenschaften,

Qualitätssicherung im Produktionsprozess,

Abnahmetests für Kunden,

Dienstleistungen für Kunden und befreundete Unternehmen.

Die Schaffung dieser Möglichkeiten in Verbindung mit zahlreichen weiteren unternehmerischen Maßnahmen versetzt ZAE-AntriebsSysteme in die Lage, sich auch künftig trotz wachsender Kundenanforderungen auf dem Markt zu behaupten.

Literatur

[1] Sellschopp, K., Effizienz- und Leistungssteigerung einer Kegelradgetriebereihe. http://www.bluecompetence.net/bestpractice

[2] Sellschopp, K. , Fit für die Zukunft – In Kooperation entwickeltes Antriebssystem besticht durch zahlreiche Vorteile. Antriebstechnik, 3/2010

[3] Sellschopp, K., Optimierung einer Kegelradgetriebereihe, Konstruktion, 3/2014

[4] Sellschopp, K. , Mehrstufig fahren – Kegel-Stirnradgetriebe in zwei- und dreistufiger Ausführung mit Übersetzungen von 10:1 bis 200:1. Antriebstechnik, 5/2014

[5] Sellschopp, K., Siebert, A., Nie ausschließen – Oder: sind moderne Schneckengetriebe deutlich besser als ihr Ruf, Antriebstechnik, 5/2015

[6] VDMA, McKinsey & Co., Erfolgsmuster und Trends in der deutschen Antriebstechnik – Handlungsansätze für mehr Wachstum und Profitabilität – VDMA Analyse, 10/2014

[7] Spath, D. u.a., Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0. Fraunhofer Institut IAO Studie, 2013

[8] Sellschopp K., Rahmenkonzept – Neue Auslegungs- und Berechnungsplattform für Zahnräder, Getriebe und Antriebssysteme – Unveröffentlichtes Konzept, ZAE-AntriebsSysteme, 2008

[9] Gutschmidt, B., Benchmarking von Berechnungsprogrammen zur vollständigen Überprüfung eines Antriebsstranges, Diplomarbeit, HAW Hamburg 2010

[10] Siebert, A., Entwicklung eines Anwenderleitfadens für die numerische Festigkeitsberechnung. Von komplexen Bauteilen in Antriebssystemen unter Verwendung der Finite- Element-Methode. Masterthesis, HAW Hamburg 2013

[11] Sellschopp K., Langhart, J., Siebert, A., Der Weg zum effizienten Getriebe – Verlustleistungen und Temperaturen bei Industriegetrieben berechnen. Der Konstrukteur 11/2013

[12] Sellschopp, K., Raabe, B., Melder, W., Verbesserte Prüftechnik für Zahnradgetriebe. Antriebstechnik, 1/1999

[13] Sellschopp K., Computergestütze Prüftechnik im Industriegetriebebau. Tagungsband National Instruments VIP-Kongress, 2002

[14] Sellschopp K., Prüfvielfalt beherrschen – Computergestütze Prüftechnik für die Industriegetriebeentwicklung. Antriebstechnik 4/2004

[15] Sellschopp, K., Vom Getriebe zur Antriebslösung – Prüftechnik sorgt für Transparenz und Sicherheit in der Konstruktion. Der Konstrukteur ASB/2005

[16] Sellschopp, K., Prüfstände für die Antriebstechnik im lokalen Netzwerk. Vortragsmanuskript National Instruments DIAdem-Anwendertreffen, 2010

[17] Goosmann, G., Technisch-wirtschaftliche Analyse unterschiedlicher Welle-Nabe-Verbindungen im Industriegetriebebau im Hinblick auf Beanspruchungsverhalten und Optimierungspotenziale. Diplomarbeit, HAW Hamburg, 2008

[18] Siebert, A., Energieeffizienz im Maschinen- und Anlagenbau – Messung und Auswertung mechanischer Einzelverluste in verschiedenen Industriegetrieben. Bachelorthesis, HAW Hamburg, 2010

[19] Weck, M. u.a., Moderne Leistungsgetriebe – Verzahnungsauslegung und Betriebsverhalten. Springer-Verlag, 1992

[20] Näfken, L., Entwicklung einer Methodik zur experimentellen Gewinnung von thermischen Kennwerten eines Industriegetriebes und deren beispielhafte praktische Erprobung. Bachelorthesis, HAW Hamburg, 2015

[21] Gerstmann, U., Robotergenauigkeit – Getriebeeinfuß auf die Arbeits- und Positioniergenauigkeit. Dissertation, Universität Hannover, VDI-Verlag 1991

[22] Kalender, T., Statistische Modellierung von Präzisionsgetrieben in elektromechanischen Antriebssystemen. Dissertation, Universität Hannover, VDI-Verlag 1994

[23] Langfeld, L., Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Versuchsreihen zu Reibung und Elastizität unterschiedlicher Industriegetriebe auf einem PC-gesteuerten Funktionsprüfstand. Studienarbeit, HAW Hamburg, 2005

[24] Sellschopp, K., Ringleff, M., Interne Prüfstanddokumentationen. ZAE-Antriebssysteme, 2010

[25] Ribitzki, C., Entwicklung eines Messketten-Kalibriersystems für Prüfstände der Antriebstechnik unter Berücksichtigung der DIN ISO 9001 und der Anbindung an den DKD-Kalibrierdienst. Studienarbeit, HAW Hamburg, 2007

Dipl.-Ing. Kaj Sellschopp Leiter Entwicklung + Konstruktion ZAE-AntriebsSysteme Kontakt: ZAE-AntriebsSysteme GmbH & Co KG Schützenstraße 105 22761 Hamburg Tel.: 0 40/8 53 93-03 E-Mail: info@zae.de www.zae.de

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